Les systèmes embarqués sur puce (SoC) envahissent notre vie quotidienne. Avec les progrès technologiques, ils intègrent de plus en plus de fonctionnalités complexes impliquant des charges de calcul et des tailles de mémoire importantes. Alors que leur complexité est une tendance clé, la consommation d’énergie est aussi devenue un facteur critique pour la conception de SoC. Dans ce contexte, nous avons étudié une approche de modélisation au niveau transactionnel qui associe à un modèle fonctionnel SystemC-TLM une description d’une structure de gestion d’un arbre d’horloge décrit au même niveau d’abstraction. Cette structure développée dans une approche de séparation des préoccupations fournit à la fois l’interface pour la gestion de puissance des composants matériels et pour le logiciel applicatif. L’ensemble des modèles développés est rassemblé dans une librairie ClkARCH. Pour appliquer à un modèle fonctionnel un modèle d’un arbre d’horloge, nous proposons une méthodologie en trois étapes : spécification, modélisation et simulation. Une étape de vérification en simulation est aussi considérée basée sur des contrats de type assertion. De plus, nos travaux visent à être compatibles avec des outils de conception actuels. Nous avons proposé une représentation d’une structure de gestion d’horloge et de puissance dans le standard IP-XACT permettant de produire les descriptions C++ des structures de gestion de puissance du SoC. Enfin, nous avons proposé une approche de gestion de puissance basée sur l’observation globale des états fonctionnels du système dans le but d’éviter ainsi des prises de décisions locales peu efficaces à une optimisation de l’énergie. / Embedded systems-on-chip (SoC) invade our daily life. With advances in semiconductor technology, these systems integrate more and more complex and energy-intensive features which generate increasing computation load and memory size requirements. While the complexity of these systems is a key trend, energy consumption has emerged as a critical factor for SoC designers. In this context, we have studied a modeling transactional level approach allowing a description of a clock tree and its management structure to be associated with a functional model, both described at the same abstraction level. This structure developed in a separation of concerns approach provides both the interface to the power consumption management of the hardware components and the application software. All the models developed are gathered in a C++ ClkArch library. To apply to a SystemC-TLM architecture model a clock tree intent with its control part, we propose a methodology based on three steps: specification, modeling and simulation. A verification step based on simulation is also considered using contracts of assertion type. This work aims to build a modelling approach on current design tools. So we propose a representation of a clock and power management structure in the IP-XACT standard allowing a C++ description of the SoC power management structures to be generated. Finally, a power management strategy based on the global functional states of the components of the system architecture is proposed. This strategy avoids local decision-making unsuited to optimized overall power/energy management.

As handheld devices have become increasingly popular, powerful programmable graphics hardware for mobile and handheld devices has been deployed. While many resources on mobile devices are limited, the predominant problem for mobile devices is their limited battery power. Several techniques have been proposed to increase the energy efficiency of mobile applications and improve battery life. In this thesis, we propose a new dynamic voltage and frequency scaling (DVFS) on Graphics Processing Units (GPU). In most cases, cues within the graphics appli- cation can be used to predict portions of a GPU that will be used or unused when the application is run. We partition the GPU into six clock domains that can be clocked at different rates. Specifically, each domain it has its own voltage and frequency set- ting based on its predicted workload to save energy without reducing applications frame rates. In addition, we propose an signature-based algorithm for predicting the workload offered to our six clock domains by a given application to decide voltage and frequency settings. We conduct experiments and compare the results of our new signature based workload prediction algorithm with some other traditional interval based workload prediction algorithms. Our results show that our signature-based prediction can save 30-50% energy without afecting application frame rates.

Depuis plusieurs années, le marché des circuits intégrés numériques requiert des systèmes de plus en plus complexes dans un temps toujours plus réduit. Afin de répondre à ses deux exigences, les industriels de la conception font appel à des fournisseurs externes proposant des circuits fonctionnant sur des signaux d'horloge dédiés. Lorsque ces derniers communiquent entre eux, les horloges d'émission et de réception ne sont pas les mêmes, on parle de « Clock Domain Crossing » (CDC).Les CDC correspondent à des communications asynchrones et peuvent provoquer des dysfonctionnements critiques. Par ailleurs, ces problèmes étant intermittents et complexes à analyser, ils ne peuvent pas être exhaustivement vérifiés avec des méthodes telles que l’analyse de timing ou la simulation fonctionnelle. Avec l'augmentation du nombre de CDC dans les circuits, les industriels de la conception assistée par ordinateur (EDA) ont proposé des solutions logicielles spécialisées dans la vérification statique des CDC. Cependant, les circuits développés étant en constante évolution, les outils ne sont pas en mesure de s’adapter. Pour pallier ces problèmes, la vérification industrielle des CDC est basée sur la spécification de contraintes et d'exclusions par l'utilisateur. Ces actions, qui se substituent aux outils, peuvent masquer des bugs. De plus, l’effort humain requis par cette approche n’est pas compatible avec le temps alloué au développement de circuits industriels. Nous avons donc cherché à automatiser la vérification en proposant des solutions basées sur des propriétés formelles. Les travaux ont consisté à analyser les différentes techniques de conception et de vérification des CDC à travers l’évaluation des principaux outils du marché. A partir des résultats obtenus, nous avons formalisé les problèmes pratiques et proposé des modèles permettant d’obtenir des résultats exhaustifs automatiquement. Les essais ont été réalisés sur un sous-système à base de processeurs (CPUSS) développé chez STMicroelectronics. L'adoption de nos modèles permet une vérification complète des CPUSS de manière automatique ce qui est essentiel dans un environnement industriel compétitif. En effet, le nombre d’informations devant être spécifiées par l’utilisateur a été réduit de moitié pour chacun des outils évalués. Par ailleurs, ces travaux ont montré que l’axe de développement des outils CDC avec l’ajout de fonctionnalités telles que les flots hiérarchiques ou l’injection de fautes n’améliore pas la qualité de résultats. Une collaboration ayant été mise en place avec les principaux fournisseurs outils, certaines solutions seront probablement intégrées aux outils dans les années à venir. / For several years now, the digital IC market has been requiring both more complex systems and reduced production times. In this context, the semiconductor chip maker companies call on external IP providers offering components working on dedicated clock signals. When these IPs communicate between them, the source and destination clocks are not the same, we talk about "Clock Domain Crossing" (CDC).CDC correspond to asynchronous communications and can cause critical failures. Furthermore, due to the complexity and the random nature of CDC issues, they can not be exhaustively checked with methods such as timing analysis or functional simulation. With the increase of CDC in the digital designs, EDA tools providers have developed software solutions dedicated to CDC static verification.Whereas, the designs are subject to continuous change, the verification tools are not able to be up to date. To resolve these practical issues, the CDC industrial verification is based on the specification of constraints and exclusions by the user. This manual flow, which replaces the tools, can mask bugs. Moreover, the human effort required by this approach is incompatible with the time allowed to industrial designs development.Our goal has been to automate the verification submitting solutions based on formal properties.The work consisted in the analysis of the different CDC design and verification approaches through the evaluation of main CDC checker tools. From the results obtained, we have formalized the practical problems and proposed models to obtain automatically exhaustive results. The tests have been performed on a processor-based subsystem (CPUSS) developed at STMicroelectronics.Adopting our models enables a complete checking of CPUSS in an automatic way, which is essential within a competitive industrial environment. Actually, the amount of information to be specified by the user has been reduced by half for each one of the evaluated tools. Otherwise, this work has shown that the development axis of the CDC tools despite the addition of functionalities such as hierarchical flows or fault injection, doesn’t improve the quality of results (QoR). Since a collaboration has been established with the main tool providers some solutions would probably be included into the tools over the coming years.

Les circuits microélectroniques récents intègrent des dizaines d'horloges afin d'optimiser leur consommation et leur performance. Le nombre de traversées de domaines d'horloges (CDC) et la complexité des systèmes augmentant, garantir formellement l'intégrité d'une donnée devient un défi majeur. Plusieurs problèmes sont alors soulevés : configurer le système dans un mode réaliste, décrire l'environnement par des hypothèses sur les protocoles, gérer l'explosion de l'espace des états, analyser les contre-exemples, ...La première contribution de cette thèse a pour but d'atteindre une configuration complète et réaliste du système. Nous utilisons de la vérification formelle paramétrique ainsi qu'une analyse de la structure du circuit afin de détecter automatiquement les composants des arbres d'horloge. La seconde contribution cherche à éviter l'explosion de l'espace des états en combinant des abstractions localisées du circuit avec une analyse de contre-examples. L'idée clé est d'utiliser la technologie de raffinement d'abstraction guidée par contre-exemple (CEGAR) où l'utilisateur influence la poursuite de l'algorithme en se basant sur des informations extraites des contre-exemples intermédiaires. La troisième contribution vise à créer des hypothèses pour des environnements sous-contraints. Tout d’abord, plusieurs contre-exemples sont générés pour une assertion, avec différentes raisons d’échec. Ensuite, des informations en sont extraites et transformées en hypothèses réalistes.Au final, cette thèse montre qu'une vérification formelle concluante peut être obtenue en combinant la rapidité de l'analyse structurelle avec l'exhaustivité des méthodes formelles. / Modern hardware designs typically comprise tens of clocks to optimize consumption and performance to the ongoing tasks. With the increasing number of clock-domain crossings as well as the huge complexity of modern SoCs, formally proving the functional integrity of data propagation became a major challenge. Several issues arise: setting up the design in a realistic mode, writing protocol assumptions modeling the environment, facing state-space explosion, analyzing counter-examples, ...The first contribution of this thesis aims at reaching a complete and realistic design setup. We use parametric liveness verification and a structural analysis of the design in order to identify behaviors of the clock and reset trees. The second contribution aims at avoiding state-space explosion, by combining localization abstractions of the design, and counter-example analysis. The key idea is to use counterexample-guided abstraction refinement as the algorithmic back-end, where the user influence the course of the algorithm based on relevant information extracted from intermediate abstract counterexamples. The third contribution aims at creating protocol assumptions for under-specified environments. First, multiple counter-examples are generated for an assertion, with different causes of failure. Then, information is mined from them and transformed into realistic protocol assumptions.Overall, this thesis shows that a conclusive formal verification can be obtained by combining inexpensive structural analysis along with exhaustive model checking.

High power dissipation and on-chip temperature limit performance and affect reliability in modern microprocessors. For servers and data centers, they determine the cooling cost, whereas for handheld and mobile systems, they limit the continuous usage of these systems. For mobile systems, energy consumption affects the battery life. It can not be ignored for desktop and server systems as well, as the contribution of energy continues to go up in organizations’ budgets, influencing strategic decisions, and its implications on the environment are getting appreciated. Intelligent trade-offs involving these quantities are critical to meet the performance demands of many modern applications. Dynamic Voltage and Frequency Scaling (DVFS) offers a huge potential for designing trade-offs involving energy, power, temperature and performance of computing systems. In our work, we propose and evaluate DVFS schemes that aim at minimizing energy consumption while meeting a performance constraint, for both sequential and parallel applications. We propose a Petri net based program performance model, parameterized by application properties, microarchitectural settings and system resource configuration, and use this model to find energy efficient DVFS settings. We first propose a DVFS scheme using this model for sequential programs running on single core multiple clock domain (MCD) processors, and evaluate this on a MCD processor simulator. We then extend this scheme for data parallel (Single Program Multiple Data style) applications, and then generalize it for stream applications as well, and evaluate these two schemes on a full system CMP simulator. Our experimental evaluation shows that the proposed schemes achieve significant energy savings for a small performance degradation.