Roll compaction is a continuous process commonly used in the pharmaceutical industry for dry granulation of moisture and heat sensitive powder blends. It is intended to increase bulk density and improve flowability. Roll compaction is a complex process that depends on many factors, such as feed powder properties, processing conditions and system layout. Some of the variability in the process remains unexplained. Accordingly, modeling tools are needed to understand the properties and the interrelations between raw materials, process parameters and the quality of the product. It is important to look at the whole manufacturing chain from raw materials to tablet properties. The main objective of this thesis was to investigate the impact of raw materials, process parameters and system design variations on the quality of intermediate and final roll compaction products, as well as their interrelations. In order to do so, we have conducted a series of systematic experimental studies and utilized chemometric tools, such as design of experiments, latent variable models (i.e. PCA, OPLS and O2PLS) as well as mechanistic models based on the rolling theory of granular solids developed by Johanson (1965). More specifically, we have developed a modeling approach to elucidate the influence of different brittle filler qualities of mannitol and dicalcium phosphate and their physical properties (i.e. flowability, particle size and compactability) on intermediate and final product quality. This approach allows the possibility of introducing new fillers without additional experiments, provided that they are within the previously mapped design space. Additionally, this approach is generic and could be extended beyond fillers. Furthermore, in contrast to many other materials, the results revealed that some qualities of the investigated fillers demonstrated improved compactability following roll compaction. In one study, we identified the design space for a roll compaction process using a risk-based approach. The influence of process parameters (i.e. roll force, roll speed, roll gap and milling screen size) on different ribbon, granule and tablet properties was evaluated. In another study, we demonstrated the significant added value of the combination of near-infrared chemical imaging, texture analysis and multivariate methods in the quality assessment of the intermediate and final roll compaction products. Finally, we have also studied the roll compaction of an intermediate drug load formulation at different scales and using roll compactors with different feed screw mechanisms (i.e. horizontal and vertical). The horizontal feed screw roll compactor was also equipped with an instrumented roll technology allowing the measurement of normal stress on ribbon. Ribbon porosity was primarily found to be a function of normal stress, exhibiting a quadratic relationship. A similar quadratic relationship was also observed between roll force and ribbon porosity of the vertically fed roll compactor. A combination of design of experiments, latent variable and mechanistic models led to a better understanding of the critical process parameters and showed that scale up/transfer between equipment is feasible.

Optimised allocation of system architectures is a well researched area as it can greatly reduce the developmental cost of systems and increase performance and reliability in their respective applications.In conjunction with the recent shift from federated to integrated architectures in automotive, and the increasing complexity of computer systems, both in terms of software and hardware, the applications of design space exploration and optimised allocation of system architectures are of great interest.This thesis proposes a method to derive architectures and their allocations for systems with real-time constraints.The method implements integer linear programming to solve for an optimised allocation of system architectures according to a set of linear constraints while taking resource requirements, communication dependencies, and manual design choices into account.Additionally, this thesis describes and evaluates an industrial use case using the method wherein the timing characteristics of a system were evaluated, and, the method applied to simultaneously derive a system architecture, and, an optimised allocation of the system architecture.This thesis presents evidence and validations that suggest the viability of the method and its use case in an industrial setting.The work in this thesis sets precedence for future research and development, as well as future applications of the method in both industry and academia.

La conception de systèmes embarqués modernes est de plus en plus complexe, car plus de fonctionnalités sont intégrées dans ces systèmes. En même temps, afin de répondre aux exigences de calcul tout en conservant une consommation d'énergie de faible niveau, MPSoCs sont apparus comme les principales solutions pour tels systèmes embarqués. En outre, les systèmes embarqués sont de plus en plus adaptatifs, comme l’adaptabilité peut apporter un certain nombre d'avantages, tels que la flexibilité du logiciel et l'efficacité énergétique. Cette thèse vise la conception sécuritaire de ces MPSoCs adaptatifs. Tout d'abord, chaque configuration de système doit être analysée en ce qui concerne ses propriétés fonctionnelles et non fonctionnelles. Nous présentons un cadre abstraite de conception et d’analyse qui permet des décisions d’implémentation plus rapide et plus rentable. Ce cadre est conçu comme un support de raisonnement intermédiaire pour les environnements de co-conception de logiciel / matériel au niveau de système. Il peut élaguer l'espace de conception à sa plus grande portée, et identifier les candidats de solutions de conception de manière rapide et efficace. Dans ce cadre, nous utilisons un codage basé sur l’horloge abstrait pour modéliser les comportements du système. Différents scénarios d'applications de mapping et de planification sur MPSoCs sont analysés via les traces d'horloge qui représentent les simulations du système. Les propriétés d'intérêt sont l’exactitude du comportement fonctionnel, la performance temporelle et la consommation d'énergie. Deuxièmement, la gestion de la reconfiguration de MPSoCs adaptatifs doit être abordée. Nous sommes particulièrement intéressés par les MPSoCs implémentés sur des architectures reconfigurables de hardware (ex. FPGA tissus) qui offrent une bonne flexibilité et une efficacité de calcul pour les MPSoCs adaptatifs. Nous proposons un cadre général de conception basésur la technique de la synthèse de contrôleurs discrets (SCD) pour résoudre ce problème. L’avantage principal de cette technique est qu'elle permet une synthèse d'un contrôleur automatique vis-à-vis d’une spécification donnée des objectifs de contrôle. Dans ce cadre, le comportement de reconfiguration du système est modélisé en termes d'automates synchrones en parallèle. Le problème de calcul de la gestion reconfiguration vis-à-vis de multiples objectifs concernant, par exemple, les usages des ressources, la performance et la consommation d’énergie est codé comme un problème de SCD . Le langage de programmation BZR existant et l’outil Sigali sont employés pour effectuer SCD et générer un contrôleur qui satisfait aux exigences du système. Finalement, nous étudions deux façons différentes de combiner les deux cadres de conception proposées pour MPSoCs adaptatifs. Tout d'abord, ils sont combinés pour construire un flot de conception complet pour MPSoCs adaptatifs. Deuxièmement, ils sont combinés pour présenter la façon dont le gestionnaire d'exécution conçu dans le second cadre peut être intégré dans le premier cadre de sorte que les simulations de haut niveau peuvent être effectuées pour évaluer le gestionnaire d'exécution. / The design of modern embedded systems is getting more and more complex, as more func- tionality is integrated into these systems. At the same time, in order to meet the compu- tational requirements while keeping a low level power consumption, MPSoCs have emerged as the main solutions for such embedded systems. Furthermore, embedded systems are be- coming more and more adaptive, as the adaptivity can bring a number of benefits, such as software flexibility and energy efficiency. This thesis targets the safe design of such adaptive MPSoCs. First, each system configuration must be analyzed concerning its functional and non- functional properties. We present an abstract design and analysis framework, which allows for faster and cost-effective implementation decisions. This framework is intended as an intermediate reasoning support for system level software/hardware co-design environments. It can prune the design space at its largest, and identify candidate design solutions in a fast and efficient way. In the framework, we use an abstract clock-based encoding to model system behaviors. Different mapping and scheduling scenarios of applications on MPSoCs are analyzed via clock traces representing system simulations. Among properties of interest are functional behavioral correctness, temporal performance and energy consumption. Second, the reconfiguration management of adaptive MPSoCs must be addressed. We are specially interested in MPSoCs implemented on reconfigurable hardware architectures (i.e., FPGA fabrics), which provide a good flexibility and computational efficiency for adap- tive MPSoCs. We propose a general design framework based on the discrete controller syn- thesis (DCS) technique to address this issue. The main advantage of this technique is that it allows the automatic controller synthesis w.r.t. a given specification of control objectives. In the framework, the system reconfiguration behavior is modeled in terms of synchronous parallel automata. The reconfiguration management computation problem w.r.t. multiple objectives regarding e.g., resource usages, performance and power consumption is encoded as a DCS problem. The existing BZR programming language and Sigali tool are employed to perform DCS and generate a controller that satisfies the system requirements. Finally, we investigate two different ways of combining the two proposed design frame- works for adaptive MPSoCs. Firstly, they are combined to construct a complete design flow for adaptive MPSoCs. Secondly, they are combined to present how the designed run-time manager by the second framework can be integrated into the first framework so that high level simulations can be performed to assess the run-time manager.

Lors de l’exploration d’espace de conception, les données résultantes de la simulation d’un grand nombre d’alternatives de conception peuvent conduire à la surcharge d’information quand il s’agit de choisir une bonne solution de conception. Cette exploration d’espace de conception s’apparente à une méthode d’optimisation en conception multicritère mais en mode manuel pour lequel des outils appropriés à la visualisation de données multidimensionnelle sont employés. Pour le concepteur, un processus en trois phases – découverte, optimisation, sélection – est suivi selon un paradigme dit de Design by Shopping. Le fait de « parcourir » l’espace de conception permet de gagner en intuition sur les sous-espaces de solutions faisables et infaisables et sur les solutions offrant de bons compromis. Le concepteur apprend au cours de ces manipulations graphiques de données. La sélection d’une solution optimale se fait donc sur la base d’une décision dite informée. L’objectif de cette recherche est la performance des représentations graphiques pour l’exploration d’espace de conception, pour les trois phases du processus en Design by Shopping. Pour cela, cinq représentations graphiques, identifiées comme potentiellement performantes, sont testées à travers deux expérimentations. Dans la première, trente participants ont testé trois graphiques, pour la phase de sélection dans une situation multi-attribut, à travers trois scénarios de conception où une voiture doit être choisie parmi quarante selon des préférences énoncées. Pour cela, un indice de qualité est proposé pour calculer la qualité de la solution du concepteur pour un des trois scénarios définis, la solution optimale selon cet indice étant comparée à celles obtenues après manipulation des graphiques. Dans la deuxième expérimentation, quarante-deux concepteurs novices ont résolu deux problèmes de conception à l’aide de trois graphiques. Dans ce cas, la performance des graphiques est testée pour la prise de décision informée et pour les trois phases du processus dans une situation multi-objectif. Les résultats révèlent qu’un graphique est adapté à chacune des trois phases du Design by Shopping :: le graphique Scatter Plot Matrix pour la phase de découverte et pour la prise de décision informée, le graphique Simple Scatter pour la phase d’optimisation et le graphique Parallel Coordinate Plot pour la phase de sélection aussi bien dans une situation multi-attribut que multi-objectif. / In Design space exploration, the resulting data, from simulation of large amount of new design alternatives, can lead to information overload when one good design solution must be chosen. The design space exploration relates to a multi-criteria optimization method in design but in manual mode, for which appropriate tools to support multi-dimensional data visualization are employed. For the designer, a three-phase process - discovery, optimization, selection - is followed according to a paradigm called Design by Shopping. Exploring the design space helps to gain insight into both feasible and infeasible solutions subspaces, and into solutions presenting good trade-offs. Designers learn during these graphical data manipulations and the selection of an optimal solution is based on a so-called informed decision. The objective of this research is the performance of graphs for design space exploration according to the three phases of the Design by Shopping process. In consequence, five graphs, identified as potentially efficient, are tested through two experiments. In the first, thirty participants tested three graphs, in three design scenarios where one car must be chosen out of a total of forty, for the selection phase in a multi-attribute situation where preferences are enounced. A response quality index is proposed to compute the choice quality for each of the three given scenarios, the optimal solutions being compared to the ones resulting from the graphical manipulations. In the second experiment, forty-two novice designers solved two design problems with three graphs. In this case, the performance of graphs is tested for informed decision-making and for the three phases of the process in a multi-objective situation. The results reveal three efficient graphs for the design space exploration: the Scatter Plot Matrix for the discovery phase and for informed decision-making, the Simple Scatter Plot for the optimization phase and the Parallel Coordinate Plot for the selection phase in a multi-attribute as well as multi-objective situation.

La complexité croissante des systèmes embarqués multi-coeur exige des structures de communication flexibles et capables de supporter de nombreuses requêtes de trafics au moment de l’exécution. Les Réseaux sur Puce (NoC) émergent comme la technologie de communication la plus prometteuse pour les SoCs (Systèmes sur Puce), du fait de leur plus grande flexibilité par rapport aux autres solutions comme les bus et les connexions points à points. Les NoCs sont devenus le standard comme support de communication pour les SoC, mais les outils d’évaluation de performances deviennent critiques pour ces systèmes. Les outils d’émulation sur FPGA accélèrent l’analyse comparative de NoC ainsi que l’exploration de l’espace de conception. Ces outils ont une grande précision et un faible temps d’exécution par rapport aux simulateurs de NoC. Un outil d’émulation basé sur FPGA est composé de dizaines ou de centaines de composants distribués. Ces composants doivent être correctement gérés afin d’exécuter différents scénarii d’évaluation de trafic. Pour cela, il faut être à même de re-programmer les composants, en utilisant un protocole standard qui permet alors de piloter l’émulateur de NoC sur FPGA. Ces protocoles facilitent l’intégration des composants d’émulation développés par différents concepteurs et simplifient la configuration des noeuds d’émulation sans resynthèse ainsi que l’extraction des résultats d’émulation. Bien que l’émulation matérielle de NoC soit assez difficile, il est important de valider de nouvelles architectures de NoC avec des trafics basés sur les applications réelles pour permettre d’obtenir des résultats plus précis. La génération de modèles de trafic basés sur des applications est une préoccupation majeure pour l’émulation de NoC. Les traces intégrant des informations de dépendances sont plus précises que les traces ordinaires, ceci pour un large éventail d’architectures de NoC. Cependant, elles ont tendance à être plus grosses que les traces originales et exigent plus de ressources FPGA. L’objectif de cette thèse est la synthèse de plateformes d’émulation de NoC sur FPGA pour les futurs systèmes embarqués multi-noeuds. Une recherche approfondie s’est portée sur les stratégies éventuelles pour la génération des modèles réalistes de trafic pour le NoC émulé sur FPGA, et pour la gestion des plateformes d’émulation en utilisant des protocoles standard inspirés des protocoles de réseaux informatiques. Une première contribution de cette thèse est une structure (« framework ») d’analyse de traces capable d’extraire les dépendances de paquets. La plateforme proposée analyse un ensemble de traces extraites d’une application embarquée basée sur l’échange de messages afin de construire un modèle de calcul (MoC). Un générateur de trafic (TG) intégrant cette dépendance est créé à partir du MoC proposé. Ce TG reproduit le motif de trafic d’une application pour une plateforme d’émulation sur FPGA. Une seconde contribution est une version allégée du protocole SNMP (Simple Network Management Protocol) pour la gestion d’une plateforme d’émulation de NoC sur FPGA. L’architecture de la plateforme d’émulation proposée est basée sur les concepts du protocole SNMP. Elle offre une interface standard de haut niveau pour les composants d’émulation fournis par le protocole SNMP. Ce protocole facilite également l’intégration de composants d’émulation créés par différents concepteurs. Une analyse prospective des futures architectures de NoC constitue également une contribution dans cette thèse. Dans cette analyse, une architecture conceptuelle d’un système embarqué multi-noeuds du futur constitue un modèle pour extraire les contraintes de ces réseaux. Un autre mécanisme présenté est un NoC tolérant aux pannes, basé sur l’utilisation de liens de contournement. Enfin, la dernière contribution repose sur une analyse de base des besoins des futurs NoC pour les outils d’émulation sur FPGA / The ever-increasing complexity of many-core embedded system applications demands a flexible communication structure capable of supporting different traffics requirements at run-time. The Networks-on-Chip (NoCs) emerge as the most promising communication technology for the modern many-cores SoC (System-on-Chip), whereby they have greater scalability than other solutions such as buses and point to point connections. As NoCs become de facto standard for on chip systems, NoC performance evaluation tools become critical for SoCs design. The FPGA based emulation platforms accelerate NoC benchmarking as well as design space exploration. Those platforms have high accuracy and low execution time in relation to NoC simulators. An FPGA-based emulation platform is composed by tens or hundreds of distributed components. These components should be timely managed in order to execute an evaluation scenario. There is a lack of standard protocols to drive FPGA-based NoC emulators. Such protocols could ease the integration of emulation components developed by different designers, as well as they could enable the configuration of the emulation nodes without FPGA re-synthesis and the extraction of emulation results. The NoC hardware emulation is quite challenging. It is important to validate new NoC architectures with realistic workloads, because they provide much more accurate results. The generation of applications traffic patterns is a key concern for NoC emulation. The dependency aware traces are an appealing solution for the generation of realistic traffic workloads. They are more accurate than ordinary traces for a broad range of NoC architectures because they contain packets dependencies information. However, they tend to be bigger than the original ones what demands more FPGA resources. This thesis aims the synthesis of FPGA-based NoC emulation platforms for the future multi-core embedded systems. We are interested in investigating strategies to generate realistic traffic patterns for NoCs emulated on FPGAs, as well as the management of the emulation platform using standard protocols inspired by the computer networks protocols. One contribution of this thesis is a trace analysis framework which addresses the packets dependencies extraction problem. The proposed framework analyzes traces from a message passing application in order to build a Model of Computation (MoC). This MoC reproduces the communicative behavior of an application node. A dependency-aware Traffic Generator (TG) is created from the proposed MoC. This TG generates the application traffic pattern during an FPGA-based NoC emulation. Another contribution is a light version of SNMP (Simple Network Management Protocol) to manage an FPGA-based NoC emulation platform. An FPGA-based emulation platform architecture is proposed based on the principles of SNMP protocol. This platform has a high-level interface to the emulation components provided by that protocol, which also eases the integration of emulation components created by different designers. The emulation platform and the protocol capacities are evaluated during a task mapping and mesh topology design space exploration. A prospective analysis of future NoCs architectures is also a contribution of this thesis. In this analysis, a conceptual architecture of a future multi-core embedded system is used as model to extract these networks requirements. From this analysis, it is proposed some networking mechanisms. The first mechanism is a congestion-aware routing algorithm, which is an adaptive routing algorithm that selects the output path for a given packet based on a simple prioritized scheme of sets of rules. It is also proposed a congestion-control mechanisms for the vertical links interconnecting the layers of a 3D NoC. This mechanism is based upon the diffusion of congestion information by a piggyback protocol

Depuis quelques années, les réseaux optiques sur puce (ONoC) sont devenus une solution intéressante pour surpasser les limitations des interconnexions électriques, compte tenu de leurs caractéristiques attractives concernant la consommation d’énergie, le délai de transfert et la bande passante. Cependant, les éléments optiques nécessaires pour définir un tel réseau souffrent d’imperfections qui introduisent des pertes durant les communications. De plus, l'utilisation de la technique de multiplexage en longueurs d'ondes (WDM) permet d'augmenter les performances, mais introduit de nouvelles pertes et de la diaphonie entre les longueurs d'ondes, ce qui a pour effet de réduire le rapport signal sur bruit et donc la qualité de la communication. Les contributions présentées dans ce manuscrit adressent cette problématique d’amélioration de performance des liens optiques dans un ONoC. Pour cela, nous proposons tout d’abord un modèle analytique des pertes et de la diaphonie dans un réseau optique sur puce WDM. Nous proposons ensuite une méthodologie pour améliorer les performances globales du système s'appuyant sur l'utilisation de codes correcteurs d'erreurs. Nous présentons deux types de codes, le premier(Hamming) est d'une complexité d'implémentation faible alors que le second(Reed-Solomon) est plus complexe, mais offre un meilleur taux de correction. Nous avons implémenté des blocs matériels supportant ces corrections d'erreurs avec une technologie 28nm FDSOI. Finalement, nous proposons la définition d'une interface complète entre le domaine électrique et le domaine optique permettant d'allouer les longueurs d'ondes, de coder l'information, de sérialiser le flux de données et de contrôler le driver du laser pour obtenir la modulation à la puissance optique souhaitée. / Electrical Network-on-Chip (ENoC) has long been considered as the de facto technology for interconnects in multiprocessor systems-on-chip (MPSoCs). However, with the increase of the number of cores integrated on a single chip, ENoCs are less and less suitable to adapt the bandwidth and latency requirements of nowadays complex and highly-parallel applications. In recent years, due to power consumption constraint, low latency, and high data bandwidth requirements, optical interconnects became an interesting solution to overcome these limitations. Indeed, Optical Networks on Chip (ONoC) are based on waveguides which drive optical signals  from source to destination with very low latency. Unfortunately, the optical devices used to built  ONoCs suffer from some imperfections which introduce losses during communications. These losses (crosstalk noises and optical losses)  are very important factors which impact the energy efficiency and the performance of the system. Furthermore, Wavelength Division Multiplexing (WDM) technology can help the designer to improve ONoC performance, especially the bandwidth and the latency. However, using the WDM technology leads to introduce new losses and crosstalk noises which negatively impact the Signal to Noise Ratio (SNR) and Bit Error Rate (BER). In detail, this results in higher BER and increases power consumption, which therefore reduces the energy efficiency of the optical interconnects. The contributions presented in this manuscript address these issues. For that, we first model and analyze the optical losses and crosstalk in WDM based ONoC. The model can provide an analytical evaluation of the worst case of loss and crosstalk with different parameters for optical ring network-on-chip. Based on this model, we propose a methodology to improve the performance and then to reduce the power consumption of optical interconnects relying on the use of forward error correction (FEC). We present two case studies of lightweight FEC with low implementation complexity and high error-correction performance under 28nm Fully-Depleted Silicon-On-Insulator (FDSOI) technology. The results demonstrate the advantages of using FEC on the optical interconnect in the context of the CHAMELEON ONoC. Secondly, we propose a complete design of Optical Network Interface (ONI) which is composed of data flow allocation, integrated FECs, data serialization/deserialization, and control of the laser driver. The details of these different elements are presented in this manuscript.  Relying on this network interface, an allocation management to improve energy efficiency can be supported at runtime depending on the application demands. This runtime management of energy vs. performance can be integrated into the ONI manager through configuration manager located in each ONI. Finally, the design of an ONoC configuration sequencer (OCS), located at the center of the optical layer, is presented. By using the ONI manager, the OCS can configure ONoC at runtime according to the application performance and energy requirements.

Ce travail de thèse s’inscrit dans le domaine de l’informatique affective et plus précisément de l’intelligence artificielle et de l’exploration d’architecture. L’objectif de ce travail est de concevoir un système complet de détection des émotions en utilisant des signaux physiologiques. Ce travail se place donc à l’intersection de l’informatique pour la définition d’algorithme de détection des émotions et de l’électronique pour l’élaboration d’une méthodologie d’exploration d’architecture et pour la conception de nœuds de capteurs. Dans un premier temps, des algorithmes de détection multimodale et instantanée des émotions ont été définis. Deux algorithmes de classification KNN puis SVM, ont été implémentés et ont permis d’obtenir un taux de reconnaissance des émotions supérieurs à 80%. Afin de concevoir un tel système alimenté sur pile, un modèle analytique d’estimation de la consommation à haut niveau d’abstraction a été proposé et validé sur une plateforme réelle. Afin de tenir compte des contraintes utilisateurs, un outil de conception et de simulation d’architecture d’objets connectés pour la santé a été développé, permettant ainsi d’évaluer les performances des systèmes avant leur conception. Une architecture logicielle/matérielle pour la collecte et le traitement des données satisfaisant les contraintes applicatives et utilisateurs a ainsi été proposée. Doté de cette architecture, des expérimentations ont été menées pour la Mnémothérapie musicale. EMOTICA est un système complet de détection des émotions utilisant des signaux physiologiques satisfaisant les contraintes d’architecture, d’application et de l’utilisateur. / This thesis work is part of the field of affective computing and more specifically artificial intelligence and architectural exploration. The goal of this work is to design a complete system of emotions detection using physiological signals. This work is therefore situated at the intersection of computer science for the definition of algorithm of detection of emotions and electronics for the development of an architecture exploration methodology for the design of sensor nodes. At first, algorithms for multimodal and instantaneous detection of emotions were defined. Two algorithms of classification KNN then SVM, were implemented and made it possible to obtain a recognition rate of the emotions higher than 80%. To design such a battery-powered system, an analytical model for estimating the power consumption at high level of abstraction has been proposed and validated on a real platform. To consider user constraints, a connected object architecture design and simulation tool for health has been developed, allowing the performance of systems to be evaluated prior to their design. Then, we used this tool to propose a hardware/software architecture for the collection and the processing of the data satisfying the architectural and applicative constraints. With this architecture, experiments have been conducted for musical Mnemotherapy. EMOTICA is a complete system for emotions detection using physiological signals satisfying the constraints of architecture, application and user.

Increasingly complex applications and recent shifts in technology scaling have created a large demand for microprocessors which can perform tasks more quickly and more energy efficient. Conventional microarchitectures exploit multiple levels of parallelism to increase instruction throughput and use application specific instruction sets or hardware accelerators to increase energy efficiency. Reconfigurable microprocessors adopt the same principle of providing application specific hardware, however, with the significant advantage of post-fabrication flexibility. Not only does this offer similar gains in performance but also the flexibility to configure each device individually. This thesis explored the benefit of a tight coupled and fine-grained reconfigurable microprocessor. In contrast to previous research, a detailed design space exploration of logical architectures for island-style field programmable gate arrays (FPGAs) has been performed in the context of a commercial 22nm process technology. Other research projects either reused general purpose architectures or spent little effort to design and characterize custom fabrics, which are critical to system performance and the practicality of frequently proposed high-level software techniques. Here, detailed circuit implementations and a custom area model were used to estimate the performance of over 200 different logical FPGA architectures with single-driver routing. Results of this exploration revealed similar tradeoffs and trends described by previous studies. The number of lookup table (LUT) inputs and the structure of the global routing network were shown to have a major impact on the area delay product. However, results suggested a much larger region of efficient architectures than before. Finally, an architecture with 5-LUTs and 8 logic elements per cluster was selected. Modifications to the microprocessor, whichwas based on an industry proven instruction set architecture, and its software toolchain provided access to this embedded reconfigurable fabric via custom instructions. The baseline microprocessor was characterized with estimates from signoff data for a 28nm hardware implementation. A modified academic FPGA tool flow was used to transform Verilog implementations of custom instructions into a post-routing netlist with timing annotations. Simulation-based verification of the system was performed with a cycle-accurate processor model and diverse application benchmarks, ranging from signal processing, over encryption to computation of elementary functions. For these benchmarks, a significant increase in performance with speedups from 3 to 15 relative to the baseline microprocessor was achieved with the extended instruction set. Except for one case, application speedup clearly outweighed the area overhead for the extended system, even though the modeled fabric architecturewas primitive and contained no explicit arithmetic enhancements. Insights into fundamental tradeoffs of island-style FPGA architectures, the developed exploration flow, and a concrete cost model are relevant for the development of more advanced architectures. Hence, this work is a successful proof of concept and has laid the basis for further investigations into architectural extensions and physical implementations. Potential for further optimizationwas identified on multiple levels and numerous directions for future research were described. / Zunehmend komplexere Anwendungen und Besonderheiten moderner Halbleitertechnologien haben zu einer großen Nachfrage an leistungsfähigen und gleichzeitig sehr energieeffizienten Mikroprozessoren geführt. Konventionelle Architekturen versuchen den Befehlsdurchsatz durch Parallelisierung zu steigern und stellen anwendungsspezifische Befehlssätze oder Hardwarebeschleuniger zur Steigerung der Energieeffizienz bereit. Rekonfigurierbare Prozessoren ermöglichen ähnliche Performancesteigerungen und besitzen gleichzeitig den enormen Vorteil, dass die Spezialisierung auf eine bestimmte Anwendung nach der Herstellung erfolgen kann. In dieser Diplomarbeit wurde ein rekonfigurierbarer Mikroprozessor mit einem eng gekoppelten FPGA untersucht. Im Gegensatz zu früheren Forschungsansätzen wurde eine umfangreiche Entwurfsraumexploration der FPGA-Architektur im Zusammenhang mit einem kommerziellen 22nm Herstellungsprozess durchgeführt. Bisher verwendeten die meisten Forschungsprojekte entweder kommerzielle Architekturen, die nicht unbedingt auf diesen Anwendungsfall zugeschnitten sind, oder die vorgeschlagenen FGPA-Komponenten wurden nur unzureichend untersucht und charakterisiert. Jedoch ist gerade dieser Baustein ausschlaggebend für die Leistungsfähigkeit des gesamten Systems. Deshalb wurden im Rahmen dieser Arbeit über 200 verschiedene logische FPGA-Architekturen untersucht. Zur Modellierung wurden konkrete Schaltungstopologien und ein auf den Herstellungsprozess zugeschnittenes Modell zur Abschätzung der Layoutfläche verwendet. Generell wurden die gleichen Trends wie bei vorhergehenden und ähnlich umfangreichen Untersuchungen beobachtet. Auch hier wurden die Ergebnisse maßgeblich von der Größe der LUTs (engl. "Lookup Tables") und der Struktur des Routingnetzwerks bestimmt. Gleichzeitig wurde ein viel breiterer Bereich von Architekturen mit nahezu gleicher Effizienz identifiziert. Zur weiteren Evaluation wurde eine FPGA-Architektur mit 5-LUTs und 8 Logikelementen ausgewählt. Die Performance des ausgewählten Mikroprozessors, der auf einer erprobten Befehlssatzarchitektur aufbaut, wurde mit Ergebnissen eines 28nm Testchips abgeschätzt. Eine modifizierte Sammlung von akademischen Softwarewerkzeugen wurde verwendet, um Spezialbefehle auf die modellierte FPGA-Architektur abzubilden und eine Netzliste für die anschließende Simulation und Verifikation zu erzeugen. Für eine Reihe unterschiedlicher Anwendungs-Benchmarks wurde eine relative Leistungssteigerung zwischen 3 und 15 gegenüber dem ursprünglichen Prozessor ermittelt. Obwohl die vorgeschlagene FPGA-Architektur vergleichsweise primitiv ist und keinerlei arithmetische Erweiterungen besitzt, musste dabei, bis auf eine Ausnahme, kein überproportionaler Anstieg der Chipfläche in Kauf genommen werden. Die gewonnen Erkenntnisse zu den Abhängigkeiten zwischen den Architekturparametern, der entwickelte Ablauf für die Exploration und das konkrete Kostenmodell sind essenziell für weitere Verbesserungen der FPGA-Architektur. Die vorliegende Arbeit hat somit erfolgreich den Vorteil der untersuchten Systemarchitektur gezeigt und den Weg für mögliche Erweiterungen und Hardwareimplementierungen geebnet. Zusätzlich wurden eine Reihe von Optimierungen der Architektur und weitere potenziellen Forschungsansätzen aufgezeigt.

[ES] La utilización de sistemas empotrados en cada vez más ámbitos de aplicación está llevando a que su diseño deba enfrentarse a mayores requisitos de rendimiento, consumo de energía y área (PPA). Asimismo, su utilización en aplicaciones críticas provoca que deban cumplir con estrictos requisitos de confiabilidad para garantizar su correcto funcionamiento durante períodos prolongados de tiempo. En particular, el uso de dispositivos lógicos programables de tipo FPGA es un gran desafío desde la perspectiva de la confiabilidad, ya que estos dispositivos son muy sensibles a la radiación. Por todo ello, la confiabilidad debe considerarse como uno de los criterios principales para la toma de decisiones a lo largo del todo flujo de diseño, que debe complementarse con diversos procesos que permitan alcanzar estrictos requisitos de confiabilidad. Primero, la evaluación de la robustez del diseño permite identificar sus puntos débiles, guiando así la definición de mecanismos de tolerancia a fallos. Segundo, la eficacia de los mecanismos definidos debe validarse experimentalmente. Tercero, la evaluación comparativa de la confiabilidad permite a los diseñadores seleccionar los componentes prediseñados (IP), las tecnologías de implementación y las herramientas de diseño (EDA) más adecuadas desde la perspectiva de la confiabilidad. Por último, la exploración del espacio de diseño (DSE) permite configurar de manera óptima los componentes y las herramientas seleccionados, mejorando así la confiabilidad y las métricas PPA de la implementación resultante. Todos los procesos anteriormente mencionados se basan en técnicas de inyección de fallos para evaluar la robustez del sistema diseñado. A pesar de que existe una amplia variedad de técnicas de inyección de fallos, varias problemas aún deben abordarse para cubrir las necesidades planteadas en el flujo de diseño. Aquellas soluciones basadas en simulación (SBFI) deben adaptarse a los modelos de nivel de implementación, teniendo en cuenta la arquitectura de los diversos componentes de la tecnología utilizada. Las técnicas de inyección de fallos basadas en FPGAs (FFI) deben abordar problemas relacionados con la granularidad del análisis para poder localizar los puntos débiles del diseño. Otro desafío es la reducción del coste temporal de los experimentos de inyección de fallos. Debido a la alta complejidad de los diseños actuales, el tiempo experimental dedicado a la evaluación de la confiabilidad puede ser excesivo incluso en aquellos escenarios más simples, mientras que puede ser inviable en aquellos procesos relacionados con la evaluación de múltiples configuraciones alternativas del diseño. Por último, estos procesos orientados a la confiabilidad carecen de un soporte instrumental que permita cubrir el flujo de diseño con toda su variedad de lenguajes de descripción de hardware, tecnologías de implementación y herramientas de diseño. Esta tesis aborda los retos anteriormente mencionados con el fin de integrar, de manera eficaz, estos procesos orientados a la confiabilidad en el flujo de diseño. Primeramente, se proponen nuevos métodos de inyección de fallos que permiten una evaluación de la confiabilidad, precisa y detallada, en diferentes niveles del flujo de diseño. Segundo, se definen nuevas técnicas para la aceleración de los experimentos de inyección que mejoran su coste temporal. Tercero, se define dos estrategias DSE que permiten configurar de manera óptima (desde la perspectiva de la confiabilidad) los componentes IP y las herramientas EDA, con un coste experimental mínimo. Cuarto, se propone un kit de herramientas que automatiza e incorpora con eficacia los procesos orientados a la confiabilidad en el flujo de diseño semicustom. Finalmente, se demuestra la utilidad y eficacia de las propuestas mediante un caso de estudio en el que se implementan tres procesadores empotrados en un FPGA de Xilinx serie 7. / [CA] La utilització de sistemes encastats en cada vegada més àmbits d'aplicació està portant al fet que el seu disseny haja d'enfrontar-se a majors requisits de rendiment, consum d'energia i àrea (PPA). Així mateix, la seua utilització en aplicacions crítiques provoca que hagen de complir amb estrictes requisits de confiabilitat per a garantir el seu correcte funcionament durant períodes prolongats de temps. En particular, l'ús de dispositius lògics programables de tipus FPGA és un gran desafiament des de la perspectiva de la confiabilitat, ja que aquests dispositius són molt sensibles a la radiació. Per tot això, la confiabilitat ha de considerar-se com un dels criteris principals per a la presa de decisions al llarg del tot flux de disseny, que ha de complementar-se amb diversos processos que permeten aconseguir estrictes requisits de confiabilitat. Primer, l'avaluació de la robustesa del disseny permet identificar els seus punts febles, guiant així la definició de mecanismes de tolerància a fallades. Segon, l'eficàcia dels mecanismes definits ha de validar-se experimentalment. Tercer, l'avaluació comparativa de la confiabilitat permet als dissenyadors seleccionar els components predissenyats (IP), les tecnologies d'implementació i les eines de disseny (EDA) més adequades des de la perspectiva de la confiabilitat. Finalment, l'exploració de l'espai de disseny (DSE) permet configurar de manera òptima els components i les eines seleccionats, millorant així la confiabilitat i les mètriques PPA de la implementació resultant. Tots els processos anteriorment esmentats es basen en tècniques d'injecció de fallades per a poder avaluar la robustesa del sistema dissenyat. A pesar que existeix una àmplia varietat de tècniques d'injecció de fallades, diverses problemes encara han d'abordar-se per a cobrir les necessitats plantejades en el flux de disseny. Aquelles solucions basades en simulació (SBFI) han d'adaptar-se als models de nivell d'implementació, tenint en compte l'arquitectura dels diversos components de la tecnologia utilitzada. Les tècniques d'injecció de fallades basades en FPGAs (FFI) han d'abordar problemes relacionats amb la granularitat de l'anàlisi per a poder localitzar els punts febles del disseny. Un altre desafiament és la reducció del cost temporal dels experiments d'injecció de fallades. A causa de l'alta complexitat dels dissenys actuals, el temps experimental dedicat a l'avaluació de la confiabilitat pot ser excessiu fins i tot en aquells escenaris més simples, mentre que pot ser inviable en aquells processos relacionats amb l'avaluació de múltiples configuracions alternatives del disseny. Finalment, aquests processos orientats a la confiabilitat manquen d'un suport instrumental que permeta cobrir el flux de disseny amb tota la seua varietat de llenguatges de descripció de maquinari, tecnologies d'implementació i eines de disseny. Aquesta tesi aborda els reptes anteriorment esmentats amb la finalitat d'integrar, de manera eficaç, aquests processos orientats a la confiabilitat en el flux de disseny. Primerament, es proposen nous mètodes d'injecció de fallades que permeten una avaluació de la confiabilitat, precisa i detallada, en diferents nivells del flux de disseny. Segon, es defineixen noves tècniques per a l'acceleració dels experiments d'injecció que milloren el seu cost temporal. Tercer, es defineix dues estratègies DSE que permeten configurar de manera òptima (des de la perspectiva de la confiabilitat) els components IP i les eines EDA, amb un cost experimental mínim. Quart, es proposa un kit d'eines (DAVOS) que automatitza i incorpora amb eficàcia els processos orientats a la confiabilitat en el flux de disseny semicustom. Finalment, es demostra la utilitat i eficàcia de les propostes mitjançant un cas d'estudi en el qual s'implementen tres processadors encastats en un FPGA de Xilinx serie 7. / [EN] Embedded systems are steadily extending their application areas, dealing with increasing requirements in performance, power consumption, and area (PPA). Whenever embedded systems are used in safety-critical applications, they must also meet rigorous dependability requirements to guarantee their correct operation during an extended period of time. Meeting these requirements is especially challenging for those systems that are based on Field Programmable Gate Arrays (FPGAs), since they are very susceptible to Single Event Upsets. This leads to increased dependability threats, especially in harsh environments. In such a way, dependability should be considered as one of the primary criteria for decision making throughout the whole design flow, which should be complemented by several dependability-driven processes. First, dependability assessment quantifies the robustness of hardware designs against faults and identifies their weak points. Second, dependability-driven verification ensures the correctness and efficiency of fault mitigation mechanisms. Third, dependability benchmarking allows designers to select (from a dependability perspective) the most suitable IP cores, implementation technologies, and electronic design automation (EDA) tools. Finally, dependability-aware design space exploration (DSE) allows to optimally configure the selected IP cores and EDA tools to improve as much as possible the dependability and PPA features of resulting implementations. The aforementioned processes rely on fault injection testing to quantify the robustness of the designed systems. Despite nowadays there exists a wide variety of fault injection solutions, several important problems still should be addressed to better cover the needs of a dependability-driven design flow. In particular, simulation-based fault injection (SBFI) should be adapted to implementation-level HDL models to take into account the architecture of diverse logic primitives, while keeping the injection procedures generic and low-intrusive. Likewise, the granularity of FPGA-based fault injection (FFI) should be refined to the enable accurate identification of weak points in FPGA-based designs. Another important challenge, that dependability-driven processes face in practice, is the reduction of SBFI and FFI experimental effort. The high complexity of modern designs raises the experimental effort beyond the available time budgets, even in simple dependability assessment scenarios, and it becomes prohibitive in presence of alternative design configurations. Finally, dependability-driven processes lack an instrumental support covering the semicustom design flow in all its variety of description languages, implementation technologies, and EDA tools. Existing fault injection tools only partially cover the individual stages of the design flow, being usually specific to a particular design representation level and implementation technology. This work addresses the aforementioned challenges by efficiently integrating dependability-driven processes into the design flow. First, it proposes new SBFI and FFI approaches that enable an accurate and detailed dependability assessment at different levels of the design flow. Second, it improves the performance of dependability-driven processes by defining new techniques for accelerating SBFI and FFI experiments. Third, it defines two DSE strategies that enable the optimal dependability-aware tuning of IP cores and EDA tools, while reducing as much as possible the robustness evaluation effort. Fourth, it proposes a new toolkit (DAVOS) that automates and seamlessly integrates the aforementioned dependability-driven processes into the semicustom design flow. Finally, it illustrates the usefulness and efficiency of these proposals through a case study consisting of three soft-core embedded processors implemented on a Xilinx 7-series SoC FPGA. / Tuzov, I. (2020). Dependability-driven Strategies to Improve the Design and Verification of Safety-Critical HDL-based Embedded Systems [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/159883 / TESIS

Design space exploration (DSE) is used to improve and understand engineering designs. Such designs must meet objectives and structural requirements. Design improvement is non-trivial and requires new DSE methods. Turbomachinery manufacturers must continue to improve existing engines to keep up with global demand. Two challenges of turbomachinery DSE are: the time required to evaluate designs, and knowing which designs to evaluate. This research addressed these challenges by developing novel surrogate and principal component analysis (PCA) based DSE methods. Node and PCA-based surrogates were created to allow faster DSE of turbomachinery blades. The surrogates provided static stress estimation within 10% error. Surrogate error was related to the number of sampled finite element (FE) models used to train the surrogate and the variables used to change the designs. Surrogates were able to provide structural evaluations three to five orders of magnitude faster than FEA evaluations. The PCA-based surrogates were then used to create a PCA-based design workflow to help designers know which designs to evaluate. The workflow used either two-point correlation or stress and geometry coupling to relate the design variables to principal component (PC) scores. These scores were projections of the FE models onto the PCs obtained from PCA. Analysis showed that this workflow could be used in DSE to better explore and improve designs. The surrogate methods were then applied to vibratory stress. A computationally simplified analysis workflow was developed to allow for enough fluid and structural analyses to create a surrogate model. The simplified analysis workflow introduced 10% error but decreased the computational cost by 90%. The surrogate methods could not directly be applied to emulation of vibration due to the large spikes which occur near resonance. A novel, indirect emulation method was developed to better estimate vibratory responses Surrogates were used to estimate the inputs to calculate the vibratory responses. During DSE these estimations were used to calculate the vibratory responses. This method reduced the error between the surrogate and FEA from 85% to 17%. Lastly, a PCA-based multi-fidelity surrogate method was developed. This assumed the PCs of the high and low-fidelities were similar. The high-fidelity FE models had tens of thousands of nodes and the low-fidelity FE models had a few hundred nodes. The computational cost to create the surrogate was decreased by 75% for the same errors. For the same computational cost, the error was reduced by 50%. Together, the methods developed in this research were shown to decrease the cost of evaluating the structural responses of turbomachinery blade designs. They also provided a method to help the designer understand which designs to explore. This research paves the way for better, and more thoroughly understood turbomachinery blade designs.