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.

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.

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.

The forward-looking design trend in Very Large Scale Integrated (VLSI) is Systems-on-Chip (SoC). SoC aims to integrate multiple computation, communication and storage components into a single chip and targets high performance systems by elimination of most on-chip communication costs. It is agreed that running SoC components under control of a single clock is not feasible and clock distribution has been revealed as a critical obstacle. Asynchronous techniques can be exploited to relax strict timing constraints of traditional design methodologies. A less radical solution is Globally Asynchronous Locally Synchronous (GALS) systems which offer potential advantages in this respect, as it preserves system modularity and concentrates on communication aspects. The problem with GALS design is the relative lack of familiarity of traditional designers with this approach. To deal with this, a methodology is proposed to allow designers implement GALS systems at a higher abstraction level which is independent of technology, protocol, data encoding or any other details of circuit design. With the recent advances in concurrent programming, Communicating Sequential Processes (CSP) has gained popularity again. The CSP-based programming languages, like Go, have emerged to allow software designers to exploit the model toward implementing scalable softwares. CSP has a long history since 90's in the hardware domain, mainly utilised by the Asynchronous community. In this thesis, a novel high level synthesis framework is proposed, called eTeak, which enables the designers to implement GALS-like systems in a CSP-based language (Balsa) without concerning about the timing issues at system level. The proposed approach in this thesis takes advantage of synchronous elasticity to introduce a common timing discipline to the circuit which transforms it into a latency-insensitive system. A latency-insensitive system is able to tolerate dynamic changes in the computation and communication delays. This feature enables eTeak to raise the level of abstraction to the data-flow representation where functionality is separated from timing details. Therefore, it is possible for a designer to specify a large scale system by only concentrating on its functionality and postpone timing complexity to when synthesis takes place. Unlike many previous systems, the proposed design flow employs data-driven synthesis style to distribute controllers through the network which contributes to its modularity and enhanced concurrency. This facilitates partitioning into elastic blocks and is supposed to pave the road for further optimisations, such retiming and re-synthesis, using commercial EDA tools.