O ruído de baixa frequência é um limitador de desempenho em circuitos analógicos, digitais e de radiofrequência, introduzindo ruído de fase em osciladores e reduzindo a estabilidade de células SRAM, por exemplo. Transistores de efeito de campo de metalóxido- semicondutor (MOSFETs) são conhecidos pelos elevados níveis de ruído 1= f e telegráfico, cuja potência pode ser ordens de magnitude maior do que a observada para ruído térmico para frequências de até dezenas de kHz. Além disso, com o avanço da tecnologia, a frequência de corner —isto é, a frequência na qual as contribuições dos ruídos térmico e shot superam a contribuição do ruído 1= f — aumenta, tornando os ruídos 1= f e telegráfico os mecanismos dominantes de ruído na tecnologia CMOS para frequências de até centenas de MHz. Mais ainda, o ruído de baixa frequência em transistores nanométricos pode variar significativamente de dispositivo para dispositivo, o que torna a variabilidade de ruído um aspecto importante para tecnologias MOS modernas. Para assegurar o projeto adequado de circuitos do ponto de vista de ruído, é necessário, portanto, identificar os mecanismos fundamentais responsáveis pelo ruído de baixa frequência em MOSFETs e desenvolver modelos capazes de considerar as dependências do ruído com geometria, polarização e temperatura. Neste trabalho é proposta uma técnica para análise de ruído de baixa frequência baseada na autocorrelação dos espectros de ruído em função de parâmetros como frequência, polarização e temperatura. A metodologia apresentada revela informações importantes sobre os mecanismos responsáveis pelo ruído 1= f que são difíceis de obter de outras formas. As análises de correlação realizadas em três tecnologias CMOS comerciais (140 nm, 65 nm e 45 nm) fornecem evidências contundentes de que o ruído de baixa frequência em transistores MOS tipo-n e tipo-p é composto por um somatório de sinais telegráficos termicamente ativados. / Low-frequency noise (LFN) is a performance limiter for analog, digital and RF circuits, introducing phase noise in oscillators and reducing the stability of SRAM cells, for example. Metal-oxide-semiconductor field-effect-transistors (MOSFETs) are known for their particularly high 1= f and random telegraph noise levels, whose power may be orders of magnitude larger than thermal noise for frequencies up to dozens of kHz. With the technology scaling, the corner frequency — i.e. the frequency at which the contributions of thermal and shot noises to noise power overshadow that of the 1= f noise — is increased, making 1= f and random telegraph signal (RTS) the dominant noise mechanism in CMOS technologies for frequencies up to several MHz. Additionally, the LFN levels from device-to-device can vary several orders of magnitude in deeply-scaled devices, making LFN variability a major concern in advanced MOS technologies. Therefore, to assure proper circuit design in this scenario, it is necessary to identify the fundamental mechanisms responsible for MOSFET LFN, in order to provide accurate LFN models that account not only for the average noise power, but also for its variability and dependences on geometry, bias and temperature. In this work, a new variability-based LFN analysis technique is introduced, employing the autocorrelation of multiple LFN spectra in terms of parameters such as frequency, bias and temperature. This technique reveals information about the mechanisms responsible for the 1= f noise that is difficult to obtain otherwise. The correlation analyses performed on three different commercial mixed-signal CMOS technologies (140-nm, 65-nm and 40-nm) provide strong evidence that the LFN of both n- and p-type MOS transistors is primarily composed of the superposition of thermally activated random telegraph signals (RTS).

O avanço da microeletrônica nas últimas décadas trouxe maior densidade aos circuitos integrados, possibilitando a implementação de funções de alta complexidade em uma menor área de silício. Como efeito desta integração em larga escala, as latências dos fios passaram a representar uma maior fração do atraso de propagação de dados em um design, tornando a tarefa de “timing closure” mais desafiadora e demandando mais iterações entre etapas do design. Por meio de uma revisão na teoria dos circuitos insensíveis a latência (Latency-Insensitive theory), este trabalho explora a metodologia de designs elásticos (Elastic Design methodology) em circuitos síncronos, com o objetivo de solucionar o impacto que a latência adicional dos fios insere no fluxo de design de circuitos integrados, sem demandar uma grande mudança de paradigma por parte dos designers. A fim de exemplificar o processo de “elasticização”, foi implementada uma versão síncrona da arquitetura do microprocessador Neander que posteriormente foi convertida a um Circuito Elástico utilizando um protocolo insensível a latência nas transferências de dados entre os processos computacionais do design. Ambas as versões do Neander foram validadas em uma plataforma FPGA utilizando ferramentas e fluxo de design síncrono bem estabelecidos. A comparação das características de timing e área entre os designs demonstra que a versão Elástica pode apresentar ganhos de performance para sistemas complexos ao custo de um aumento da área necessária. Estes resultados mostram que a metodologia de designs elásticos é uma boa candidata para projetar circuitos integrados complexos sem demandar custosas iterações entre fases de design e reutilizando as já estabelecidas ferramentas de design síncrono, resultando em uma alternativa economicamente vantajosa para os designers. / The advance of microelectronics brought increased density to integrated circuits, allowing high complexity functions to be implemented in smaller silicon areas. As a side effect of this large-scale integration, the wire latencies became a higher fraction of a design’s data propagation latency, turning timing closure into a challenging task that often demand several iterations among design phases. By reviewing the Latency-Insensitive theory, this work presents the exploration of the Elastic Design methodology in synchronous circuits, with the objective of solving the increased wire latency impact on integrated circuits design flow without requiring a big paradigm change for designers. To exemplify the elasticization process, the educational Neander microprocessor architecture is synchronously implemented and turned into an Elastic Circuit by using a latency-insensitive protocol in the design’s computational processes data transfers. Both designs are validated in an FPGA platform, using well known synchronous design tools and flow. The timing and area comparison between the designs demonstrates that the Elastic version can present performance advantages for more complex systems at the price of increased area. These results show that the Elastic Design methodology is a good candidate for designing complex integrated circuits without costly iterations between design phases. This methodology also leverages the reuse of the mostly adopted synchronous design tools, resulting in a cost-effective alternative for designers.

Os avanços na tecnologia de semicondutores possibilitou que se fabricasse dispositivos com atividade de chaveamento mais rápida e com maior capacidade de integração de transistores. Estes avanços, todavia, impuseram novos empecilhos relacionados com a dissipação de potência e energia. Além disso, a crescente demanda por dispositivos portáteis levaram à uma mudança no paradigma de projeto de circuitos para que se priorize energia ao invés de desempenho. Este cenário motivou à reduzir a tensão de alimentação com qual os dispositivos operam para um regime próximo ou abaixo da tensão de limiar, com o objetivo de aumentar sua duração de bateria. Apesar desta abordagem balancear características de performance e energia, ela traz novos desafios com relação a tolerância à ruído. Ao reduzirmos a tensão de alimentação, também reduz-se a margem de ruído disponível e, assim, os circuitos tornam-se mais suscetíveis à falhas funcionais. Somado à este efeito, circuitos com tensões de alimentação nestes regimes são mais sensíveis à variações do processo de fabricação, logo agravando problemas com ruído. Existem também outros aspectos, tais como a miniaturização das interconexões e a relação de fan-out de uma célula digital, que incentivam a avaliação de ruído nas fases iniciais do projeto de circuitos integrados Por estes motivos, este trabalho investiga como aprimorar a margem de ruído estática de circuitos síncronos digitais que irão operar em tensões no regime de tensão próximo ou abaixo do limiar. Esta investigação produz um conjunto de três contribuições originais. A primeira é uma ferramenta capaz de avaliar automaticamente a margem de ruído estática de células CMOS combinacionais. A segunda contribuição é uma metodologia realista para estimar a margem de ruído estática considerando variações de processo, tensão e temperatura. Os resultados obtidos mostram que a metodologia proposta permitiu reduzir até 70% do pessimismo das margens de ruído estática, Por último, a terceira contribuição é um fluxo de projeto de células combinacionais digitais considerando ruído, e uma abordagem para avaliar a margem de ruído estática de circuitos complexos durante a etapa de síntese lógica. A biblioteca de células resultante deste fluxo obteve maior margem de ruído (até 24%) e menor variação entre diferentes células (até 62%). / The advancement of semiconductor technology enabled the fabrication of devices with faster switching activity and chips with higher integration density. However, these advances are facing new impediments related to energy and power dissipation. Besides, the increasing demand for portable devices leads the circuit design paradigm to prioritize energy efficiency instead of performance. Altogether, this scenario motivates engineers towards reducing the supply voltage to the near and subthreshold regime to increase the lifespan of battery-powered devices. Even though operating in these regime offer interesting energy-frequency trade-offs, it brings challenges concerning noise tolerance. As the supply voltage reduces, the available noise margins decrease, and circuits become more prone to functional failures. In addition, near and subthreshold circuits are more susceptible to manufacturing variability, hence further aggravating noise issues. Other issues, such as wire minimization and gate fan-out, also contribute to the relevance of evaluating the noise margin of circuits early in the design Accordingly, this work investigates how to improve the static noise margin of digital synchronous circuits that will operate at the near/subthreshold regime. This investigation produces a set of three original contributions. The first is an automated tool to estimate the static noise margin of CMOS combinational cells. The second contribution is a realistic static noise margin estimation methodology that considers process-voltage-temperature variations. Results show that the proposed methodology allows to reduce up to 70% of the static noise margin pessimism. Finally, the third contribution is the noise-aware cell design methodology and the inclusion of a noise evaluation of complex circuits during the logic synthesis. The resulting library achieved higher static noise margin (up to 24%) and less spread among different cells (up to 62%).

A miniaturização dos transistores do tipo MOS traz consigo um aumento na variabilidade de seus parâmetros elétricos, originaria do processo de fabricação e de efeitos com dependência temporal, como ruídos e degradação (envelhecimento ou aging). Este aumento de variabilidade no nível de dispositivo se converte aos níveis de circuito e sistema como uma perda de confiabilidade ou de desempenho. Neste trabalho são apresentados métodos de simulação de efeitos causados por armadilhas de cargas (charge traps), como o NBTI e o RTS. Tomando como base simuladores elétricos comerciais, foi desenvolvida uma ferramenta capaz de simular a atividade das armadilhas durante uma simulação transiente. Para tanto, foi criado um componente em Verilog-A e um software de controle escrito em Perl. Dessa forma é possível analisar o impacto de traps (armadilhas) no comportamento do circuito considerando variações ambientais como tensões de operação, bem como analisar efeitos de ruído como o RTS e de aging como NBTI. Foram então desenvolvidos estudos de caso em um inversor, em um caminho crítico com cinco níveis lógicos e em uma memória SRAM de 32 bits, onde foi feita uma análise da relação do NBTI com o histórico do sinal de estresse no circuito. Em um segundo momento foi desenvolvido um método de análise do impacto de NBTI em circuitos digitais no nível de sistema, através de simulações de SSTA. Para tal estudo foi caracterizada a biblioteca NCSU FreePDK 45nm da Nangate, considerando o tempo como um corner, e então realizando-se uma simulação de SSTA em três caminhos críticos de diferentes complexidades. A fim de estudar a acuidade obtida nas simulações realizadas no nível do sistema, também foram realizadas simulações com o simulador elétrico desenvolvido e comparados os resultados. Observou-se um aumento na acuidade das simulações no nível do sistema quando complexidade do circuito estudado aumenta. Tal comportamento é explicado através do teorema do limite central. / The downscaling of MOS transistors leads to an increase of the variability of its electrical parameters generated both by fabrication process and by time dependent effects, such as noise and ageing. This increase of the variability at the device level turns into the circuit and systems level as a loss in the reliability or performance. This thesis presents the development of simulation methods for effects caused by traps, such as NBTI and RTS. Combining commercial electrical simulators, an enhanced Verilog-A transistor model and a control software developed in Perl, a simulation tool was created. The tool properly accounts for the activity of traps during transient electrical simulations. This way it is possible to evaluate the impact of traps in the behavior of circuits taking into account environmental variations, like supply voltage fluctuations, and evaluate noise effects like RTS and aging effects like NBTI. Case studies were carried out, considering an inverter, a five stages logic path and a SRAM, where the workload dependency on NBTI was evaluated. The impact of NBTI on combinational circuits on a system level is then evaluated through SSTA simulations. In order to perform this analysis, the Nangate NCSU FreePDK 45nm library was characterized and the circuit's age was considered as a time corner. SSTA simulations were performed in three paths of different complexities and then its results were compared with the results obtained with the electrical simulator developed showing an increase of accuracy of the SSTA method as a function of the circuit's complexity. This behavior is explained by the Central Limit Theorem.

Ferramentas de projeto de circuitos integrados (do inglˆes, electronic design automation, ou simplesmente EDA) tˆem um papel fundamental na crescente complexidade dos projetos de circuitos digitais. Elas permitem aos projetistas criar circuitos com um n´umero de componentes ordens de grandezas maior do que seria poss´ıvel se os circuitos fossem projetados `a m˜ao como nos dias iniciais da microeletrˆonica. Neste trabalho, dois importantes problemas em EDA ser˜ao abordados: dimensionamento de portas e posicionamento detalhado dirigido a desempenho. Para dimensionamento de portas, uma nova metodologia de relaxac¸ ˜ao Lagrangiana ´e apresentada baseada em informac¸ ˜ao de temporarizac¸ ˜ao locais e propagac¸ ˜ao de sensitividades. Para posicionamento detalhado dirigido a desempenho, um conjunto de movimentos de c´elulas ´e criado usando uma formac¸ ˜ao ´otima atenta `a forc¸a de alimentac¸ ˜ao para o balanceamento de cargas. Nossos resultados experimentais mostram que tais t´ecnicas s˜ao capazes de melhorar o atual estado-da-arte. / Electronic design automation (EDA) tools play a fundamental role in the increasingly complexity of digital circuit designs. They empower designers to create circuits with several order of magnitude more components than it would be possible by designing circuits by hand as was done in the early days of microelectronics. In this work, two important EDA problems are addressed: gate sizing and timing-driven detailed placement. They are studied and new techniques developed. For gate sizing, a new Lagrangian-relaxation methodology is presented based on local timing information and sensitivity propagation. For timing-driven detailed placement, a set of cell movement methods are created using drive strength-aware optimal formulation to driver/sink load balancing. Our experimental results shows that those techniques are able to improve the current state-of-the-art.

Este trabalho introduz o conceito de cortes k e cortes kl sobre um circuito mapeado, em uma representação netlist. Esta nova abordagem é derivada do conceito de cortes k e cortes kl sobre AIGs (and inverter graphs), respeitando as diferenças entre essas duas formas de representar um circuito. As principais diferenças são: (1) o número de entradas em um nodo do grafo, e (2) a presença de inversores e buffers de forma explícita no circuito mapeado. Um algoritmo para enumerar cortes k e cortes kl é proposto e implementado. A principal motivação de usar cortes kl sobre circuitos mapeados é para realizar otimizações locais na síntese lógica de circuitos digitais. A principal contribuição deste trabalho é uma abordagem nova de remapeamento iterativo, utilizando cortes kl, reduzindo a área do circuito e respeitando as restrições de temporização do circuito. O uso de portas lógicas complexas pode potencialmente reduzir a área total de um circuito, mas elas precisam ser escolhidas corretamente de forma a manter as restrições de temporização do circuito. Ferramentas comerciais de síntese lógica trabalham melhor com portas lógicas simples e não são capazes de explorar eventuais vantagens em utilizar portas lógicas complexas. A abordagem proposta de remapeamento iterativo utilizando cortes kl é capaz de explorar uma quantidade maior de portas lógicas com funções lógicas diferentes, reduzindo a área do circuito, e mantendo as restrições de temporização intactas ao fazer uma checagem STA (análise temporal estática). Resultados experimentais mostram uma redução de até 38% de área na parte combinacional de circuitos para um subconjunto de benchmarks IWLS 2005, quando comparados aos resultados de ferramentas comerciais de síntese lógica. Outra contribuição deste trabalho é um novo modelo de rendimento (yield) para fabricação de circuitos integrados (IC) digitais, considerando problemas de resolução da etapa de litografia como uma fonte de diminuição do yield. O uso de leiautes regulares pode melhorar bastante a resolução da etapa de litografia, mas existe um aumento de área significativo ao se introduzir a regularidade. Esta é a primeira abordagem que considera o compromisso (trade off) de portas lógicas com diferentes níveis de regularidade e diferentes áreas durante a síntese lógica, de forma a melhorar o yield do projeto. A ferramenta desenvolvida de remapeamento tecnológico utilizando cortes kl foi modificada de forma a utilizar esse modelo de yield como função custo, de forma a aumentar o número de boas amostras (dies) por lâmina de silício (wafer), com resultados promissores. / This work introduces the concept of k-cuts and kl-cuts on top of a mapped circuit in a netlist representation. Such new approach is derived from the concept of k-cuts and klcuts on top of AIGs (and inverter graphs), respecting the differences between these two circuit representations. The main differences are: (1) the number of allowed inputs for a logic node, and (2) the presence of explicit inverters and buffers in the netlist. Algorithms for enumerating k-cuts and kl-cuts on top of a mapped circuit are proposed and implemented. The main motivation to use kl-cuts on top mapped circuits is to perform local optimization in digital circuit logic synthesis. The main contribution of this work is a novel iterative remapping approach using klcuts, reducing area while keeping the timing constraints attained. The use of complex gates can potentially reduce the circuit area, but they have to be chosen wisely to preserve timing constraints. Logic synthesis commercial design tools work better with simple cells and are not capable of taking full advantage of complex cells. The proposed iterative remapping approach can exploit a larger amount of logic gates, reducing circuit area, and respecting global timing constraints by performing an STA (static timing analysis) check. Experimental results show that this approach is able to reduce up to 38% in area of the combinational portion of circuits for a subset of IWLS 2005 benchmarks, when compared to results obtained from logic synthesis commercial tools. Another contribution of this work is a novel yield model for digital integrated circuits (IC) manufacturing, considering lithography printability problems as a source of yield loss. The use of regular layouts can improve the lithography, but it results in a significant area overhead by introducing regularity. This is the first approach that considers the tradeoff of cells with different level of regularity and different area overhead during the logic synthesis, in order to improve overall design yield. The technology remapping tool based on kl-cuts developed was modified in order to use such yield model as cost function, improving the number of good dies per wafer, with promising interesting results.

A crescente demanda por alto desempenho computacional e massivo processamento de dados tem impulsionado o desenvolvimento de sistemas-on-chip. Um dos alvos de implementação para sistemas digitais complexos são os dispositivos FPGA (Field-programmable Gate Array), muito utilizados para prototipação de sistemas e rápido desenvolvimento de produtos eletrônicos complexos. Certos aspectos ineficientes relacionados aos dispositivos FPGA estão relacionadas com degradação no desempenho e na potência consumida em relação ao projeto de hardware customizado. Neste contexto, esta dissertação de mestrado propõe um estudo sobre técnicas de otimização em FPGAs. Este trabalho apresenta uma revisão da literatura sobre os métodos de redução de potência e área aplicados ao projeto de FPGA. Técnicas para aumento de desempenho e aceleração do tempo de desenvolvimento de projetos são apresentadas com base em referencias clássicas e do estado-da-arte. O principal foco deste trabalho é discutir sobre as técnicas de alto nível e apresentar os resultados obtidos nesta área, comparando com os projetos HDL (Hardware Description Language) codificados a mão. Neste trabalho, é apresentado uma metodologia para o desenvolvimento rápido projetos digitais utilizando ambientes HLS (High-Level Synthesis. Estes métodos incluem eficiente particionamento de código de alto nível, para a correta exploração de diretivas de síntese em ferramentas HLS. Porém, o fluxo HLS não guiado apresentou pobres resultados de síntese quando comparado com modelos HDL codificado a mão. Para preencher essa lacuna, foi desenvolvido um método iterativo para exploração de espaço de projeto com o objetivo de melhorar os resultados de área. Nosso método é descrito em uma linguagem de script de alto nível e é compatível com o VivadoTM HLS Compiler. O método proposto é capaz de detectar pontos chave para otimização, inserção automatica de diretivas síntese e verificação dos resultados com objetivo de reduzir o consumo de área. Os resultados experimentais utlizando o método de DSE (Design Space Exploration) provaram ser mais eficazes que o fluxo HLS não guiado, em ao menos 50% para um processador VLIW e em 43% para um filtro FIR (Finite Impulse Response de 12a ordem. Os resultados em área, em termos de flip-flops, foram até 4X menores em comparação com o fluxo HLS não guiado, enquanto redução no desempenho ficou em cerca de 38%, no caso do processador VLIW. No exemplo do filtro FIR, a redução no número flip-flops chegou a 3X, sem relevante aumento no número de LUTs e redução no desempenho. / The increasing demand for high computational performance and massive data processing has driven the development of systems-on-chip. One implementation target for complex digital systems are FPGA (Field-programmable Gate Array) devices, heavily used for prototyping systems or complex and fast time-to-market electronic products development. Certain inefficient aspects of FPGA devices relate to performance and power degradation with respect to custom hardware design. In this context, this master thesis proposes a survey on FPGA optimization techniques. This work presents a literature review on methods of power and area reduction applied to FPGA designs. Techniques for performance increasing and design speedup enhancing will be presented based on classic and state-of-the-art academic works. The main focus of this work is to discuss high-level design techniques and to present the results obtained in synthesis examples we developed, comparing with hand-coded HDL (Hardware Description Language) designs. In this work we present our methodology for fast digital design development using High-Level Synthesis (HLS) environments. Our methods include efficient high-level code partitioning for proper synthesis directives exploration in HLS tools. However, a non-guided HLS flow showed poor synthesis results when compared to hand-coded HDL designs. To fill this gap, we developed an iterative design space exploration method aiming at improving the area results. Our method is described in a high-level script language and it is compatible with the Xilinx VivadoTM HLS compiler. Our method is capable of detecting optimization checkpoints, automatic synthesis directives insertion, and check the results aiming at reducing area consumption. Our Design Space Exploration (DSE) experimental results proved to be more efficient than non-guided HLS design flow by at least 50% for a VLIW (Very Long Instruction Word) processor and 62% for a 12th-order FIR (Finite Impulse Response) filter implementation. Our area results in terms of flip-flops were up to 4X lower compared to a non-guided HLS flow, while the performance overhead was around 38%, for the VLIW processor compilation. In the FIR filter example, the flip-flops reduction were up to 3X, with no relevant LUTs and performance overhead.

Circuitos baseados em portas lógicas de limiar (threshold logic gates – TLG) vem sendo estudados como uma alternativa promissora em relação ao tradicional estilo lógico CMOS, baseado no operadores AND e OR, na construção de circuitos integrados digitais. TLGs são capazes de implementar funções Booleanas mais complexas em uma única porta lógica. Diversos novos dispositivos, candidatos a substituir o transistor MOS, não se comportam como chaves lógicas e são intrinsicamente mais adequados à implementação de TLGs. Exemplos desses dispositivos são os memristores, spintronica, diodos de tunelamento ressonante (RTD), autômatos celulares quânticos (QCA) e dispositivos de tunelamento de elétron único (SET). Para o desenvolvimento de um fluxo de projeto de circuitos integrados baseados em lógica threshold, duas etapas são fundamentais: (1) identificar se uma dada função Booleana corresponde a uma função lógica threshold (TLF), isto é, pode ser implementada em um único TLG e computar os pesos desse TLG; (2) se uma função não é identificada como TLF, outro método de síntese lógica deve construir uma rede de TLGs otimizada que implemente a função. Este trabalho propõe métodos para atacar cada um desses dois problemas, e os resultados superam os métodos do estado-da-arte. O método proposto para realizar a identificação de TLFs é o primeiro método heurístico capaz de identificar todas as funções de cinco e seis variáveis, além de identificar mais funções que os demais métodos existentes quando o número de variáveis aumenta. O método de síntese de redes de TLGs é capaz de sintetizar circuitos reduzindo o número de portas TLG utilizadas, bem como a profundidade lógica e o número de interconexões. Essa redução é demonstrada através da síntese dos circuitos de avaliação da MCNC em comparação com os métodos já propostos na literatura. Tais resultados devem impactar diretamente na área e desempenho do circuito. / In this work, a novel method to synthesize digital integrated circuits (ICs) based on threshold logic gates (TLG) is proposed. Synthesis considering TLGs is quite relevant, since threshold logic has been revisited as a promising alternative to conventional CMOS IC design due to its suitability to emerging technologies, such as resonant tunneling diodes, memristors and spintronics devices. Identification and synthesis of threshold logic functions (TLF) are fundamental steps for the development of an IC design flow based on threshold logic. The first contribution is a heuristic algorithm to identify if a function can be implemented as a single TLG. Furthermore, if a function is not detected as a TLF, the method uses the functional composition approach to generate an optimized TLG network that implements the target function. The identification method is able to assign optimal variable weights and optimal threshold value to implement the function. It is the first heuristic algorithm that is not based on integer linear programming (ILP) that is able to identify all threshold functions with up to six variables. Moreover, it also identifies more functions than other related heuristic methods when the number of variables is more than six. Differently from ILP based approaches, the proposed algorithm is scalable. The average execution time is less than 1 ms per function. The second major contribution is the constructive process applied to generate optimized TLG networks taking into account multiple goals and design costs, like gate count, logic depth and number of interconnections. Experiments carried out over MCNC benchmark circuits show an average gate count reduction of 32%, reaching up to 54% of reduction in some cases, when compared to related approaches.

Este trabalho visa propor uma metodologia de análise da variabilidade do tempo de atraso de propagação no FPGA. Para alcançar esse objetivo são utilizados três circuitos diferentes: o circuito 1 mede a diferença de atrasos de dois circuitos, o circuito 2 identifica o atraso menor de dois circuitos e, por fim, o terceiro circuito que consiste do oscilador em anel. Cada circuito foi avaliado individualmente numa estrutura BIST, implementada nos FPGA XC3S200-FT256 e EP2C35F672C6. Os métodos utilizados para análise dos dados foram a média móvel, o plano de mínimos quadrados e o teste t-student. A metodologia permitiu mostrar a variabilidade within-die e suas componentes sistêmica e randômica. / This work aims to propose a methodology of analysis of variability of propagation-delay time in FPGA. To achieve this goal three different circuits are implemented: the circuit 1 measures the delay difference of two logic paths, the circuit 2 identifies smallest delay of two logic paths, and finally the third circuit consists of a ring oscillator. Each circuit has been assessed individually in a BIST structure, implemented in FPGAs XC3S200-FT256 and EP2C35F672C6. The methods used for data analysis were the moving average, least-squares plane and the t-student test. The methodology has allowed to evaluate the within-die variability and its systemic and random components.

A crescente demanda por alto desempenho computacional e massivo processamento de dados tem impulsionado o desenvolvimento de sistemas-on-chip. Um dos alvos de implementação para sistemas digitais complexos são os dispositivos FPGA (Field-programmable Gate Array), muito utilizados para prototipação de sistemas e rápido desenvolvimento de produtos eletrônicos complexos. Certos aspectos ineficientes relacionados aos dispositivos FPGA estão relacionadas com degradação no desempenho e na potência consumida em relação ao projeto de hardware customizado. Neste contexto, esta dissertação de mestrado propõe um estudo sobre técnicas de otimização em FPGAs. Este trabalho apresenta uma revisão da literatura sobre os métodos de redução de potência e área aplicados ao projeto de FPGA. Técnicas para aumento de desempenho e aceleração do tempo de desenvolvimento de projetos são apresentadas com base em referencias clássicas e do estado-da-arte. O principal foco deste trabalho é discutir sobre as técnicas de alto nível e apresentar os resultados obtidos nesta área, comparando com os projetos HDL (Hardware Description Language) codificados a mão. Neste trabalho, é apresentado uma metodologia para o desenvolvimento rápido projetos digitais utilizando ambientes HLS (High-Level Synthesis. Estes métodos incluem eficiente particionamento de código de alto nível, para a correta exploração de diretivas de síntese em ferramentas HLS. Porém, o fluxo HLS não guiado apresentou pobres resultados de síntese quando comparado com modelos HDL codificado a mão. Para preencher essa lacuna, foi desenvolvido um método iterativo para exploração de espaço de projeto com o objetivo de melhorar os resultados de área. Nosso método é descrito em uma linguagem de script de alto nível e é compatível com o VivadoTM HLS Compiler. O método proposto é capaz de detectar pontos chave para otimização, inserção automatica de diretivas síntese e verificação dos resultados com objetivo de reduzir o consumo de área. Os resultados experimentais utlizando o método de DSE (Design Space Exploration) provaram ser mais eficazes que o fluxo HLS não guiado, em ao menos 50% para um processador VLIW e em 43% para um filtro FIR (Finite Impulse Response de 12a ordem. Os resultados em área, em termos de flip-flops, foram até 4X menores em comparação com o fluxo HLS não guiado, enquanto redução no desempenho ficou em cerca de 38%, no caso do processador VLIW. No exemplo do filtro FIR, a redução no número flip-flops chegou a 3X, sem relevante aumento no número de LUTs e redução no desempenho. / The increasing demand for high computational performance and massive data processing has driven the development of systems-on-chip. One implementation target for complex digital systems are FPGA (Field-programmable Gate Array) devices, heavily used for prototyping systems or complex and fast time-to-market electronic products development. Certain inefficient aspects of FPGA devices relate to performance and power degradation with respect to custom hardware design. In this context, this master thesis proposes a survey on FPGA optimization techniques. This work presents a literature review on methods of power and area reduction applied to FPGA designs. Techniques for performance increasing and design speedup enhancing will be presented based on classic and state-of-the-art academic works. The main focus of this work is to discuss high-level design techniques and to present the results obtained in synthesis examples we developed, comparing with hand-coded HDL (Hardware Description Language) designs. In this work we present our methodology for fast digital design development using High-Level Synthesis (HLS) environments. Our methods include efficient high-level code partitioning for proper synthesis directives exploration in HLS tools. However, a non-guided HLS flow showed poor synthesis results when compared to hand-coded HDL designs. To fill this gap, we developed an iterative design space exploration method aiming at improving the area results. Our method is described in a high-level script language and it is compatible with the Xilinx VivadoTM HLS compiler. Our method is capable of detecting optimization checkpoints, automatic synthesis directives insertion, and check the results aiming at reducing area consumption. Our Design Space Exploration (DSE) experimental results proved to be more efficient than non-guided HLS design flow by at least 50% for a VLIW (Very Long Instruction Word) processor and 62% for a 12th-order FIR (Finite Impulse Response) filter implementation. Our area results in terms of flip-flops were up to 4X lower compared to a non-guided HLS flow, while the performance overhead was around 38%, for the VLIW processor compilation. In the FIR filter example, the flip-flops reduction were up to 3X, with no relevant LUTs and performance overhead.