O efeito das variações intrínsecas afetando parâmetros elétricos de circuitos fabricados com tecnologia CMOS de escala nanométrica apresenta novos desafios para o yield de circuitos integrados. Este trabalho apresenta modelos para representar variações físicas que afetam transistores projetados em escala sub-micrônica e metodologias computacionalmente eficientes para simular estes dispositivos utilizando ferramentas de Electronic Design Automation (EDA). O trabalho apresenta uma investigação sobre o estado-da-arte de modelos para variabilidade em nível de simulação de transistor. Modelos de variações no processo de fabricação (RDF, LER, etc) e confiabilidade (NBTI, RTS, etc) são investigados e um novo modelo estatístico para a simulação de Random Telegraph Signal (RTS) e Bias Temperature Instability (BTI) para circuitos digitais é proposta. A partir desses modelos de dispositivo, o trabalho propõe modelos eficientes para analisar a propagação desses fenômenos para o nível de circuito através de simulação. As simulações focam no impacto de variabilidade em três diferentes aspectos do projeto de circuitos integrados digitais: caracterização de biblioteca de células, análise de violações de tempo de hold e células SRAM. Monte Carlo é a técnica mais conhecida e mais simples para simular o impacto da variabilidade para o nível elétrico do circuito. Este trabalho emprega Monte Carlo para a análise do skew em redes de distribuição do sinal de relógio e em caracterização de células SRAM considerando RTS. Contudo, simulações Monte Carlo exigem tempo de execução elevado. A fim de acelerar a análise do impacto de variabilidade em biblioteca de células este trabalho apresenta duas alternativas aMonte Carlo: 1) propagação de erros usando aproximação linear de primeira ordem e 2)Metodologia de Superfície de Resposta (RSM). As técnicas são validados usando circuitos de nível comercial, como a rede de clock de um chip comercial utilizando a tecnologia de 90nm e uma biblioteca de células usando um nó tecnológico de 32nm. / In nanometer scale complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) parameter variations pose a challenge for the design of high yield integrated circuits. This work presents models that were developed to represent physical variations affecting Deep- Submicron (DSM) transistors and computationally efficient methodologies for simulating these devices using Electronic Design Automation (EDA) tools. An investigation on the state-of-the-art of computer models and methodologies for simulating transistor variability is performed. Modeling of process variability and aging are investigated and a new statistical model for simulation of Random Telegraph Signal (RTS) in digital circuits is proposed. The work then focuses on methodologies for simulating these models at circuit level. The simulations focus on the impact of variability to three relevant aspects of digital integrated circuits design: library characterization, analysis of hold time violations and Static Random Access Memory (SRAM) cells. Monte Carlo is regarded as the "golden reference" technique to simulate the impact of process variability at the circuit level. This work employs Monte Carlo for the analysis of hold time and SRAM characterization. However Monte Carlo can be extremely time consuming. In order to speed-up variability analysis this work presents linear sensitivity analysis and Response Surface Methodology (RSM) for substitutingMonte Carlo simulations for library characterization. The techniques are validated using production level circuits, such as the clock network of a commercial chip using 90nm technology node and a cell library using a state-of-theart 32nm technology node.

Long wait times constitute a bottleneck limiting the number of compilation runs performed in a day, thus risking to restrict Field-Programmable Gate Array (FPGA) adaptation in modern computing platforms. This work presents an FPGA development paradigm that exploits logic variance and hierarchy as a means to increase FPGA productivity. The practical tasks of logic partitioning, placement and routing are examined and a resulting assembly framework, Quick Flow (qFlow), is implemented. Experiments show up to 10x speed-ups using the proposed paradigm compared to vendor tool flows. / Ph. D.

Technology scaling in the nanometer era comes with a significant amount of process variation, leading to lower yield and new types of defective parts. These challenges necessitate robust design to ensure adequate yield, and smarter testing to screen out bad chips. Statistical static timing analysis (SSTA) en- ables this but suffers from crude approximation algorithms. This dissertation first studies the underlying theories of timing graphs and proposes two fundamental techniques enhancing the core statistical timing algorithms. We first propose the refactoring technique to capture topological correlation. Static timing analysis is based on levelized breadth-first traversal, which is a fundamental graph traversal technique and has been used for static timing analysis over the past decades. We show that there are numerous alternatives to the traversal because of an algebraic property, the distributivity of addition over maximum. This new interpretation extends the degrees of freedom of static timing analysis, which is exploited to improve the accuracy of SSTA. We also propose a novel operator for computing joint probabilities in SSTA. In many SSTA applications, this is very common but is done using the max operator which results in much error due to the linear approximation. The new operator provides significantly higher accuracy at a small cost of run time. Second, based on the two fundamental studies, this dissertation devel- ops three applications. We propose a criticality computation method that is essential to robust design and test synthesis; The proposed method, combined with the two fundamental techniques, achieves drastic accuracy improvement over the state-of-the-art method, demonstrating the benefits in practical ap- plications. We formulate the statistical path selection problem for at-speed test as a gambling problem and present an elegant solution based on the Kelly criterion. To circumvent the coverage loss issue in statistical path selection, we propose a testability driven approach, making it a practical solution for coping with parametric defects. / text

O trabalho de pesquisa apresentado nesta tese tem por objetivo apoiar o projeto distribuído de sistemas integrados, considerando especificamente a necessidade de interação colaborativa entre os projetistas. O trabalho enfatiza particularmente alguns problemas que foram considerados apenas marginalmente em abordagens anteriores, como a abstração da distribuição em rede dos recursos de automação de projeto, a possibilidade de interação síncrona e assíncrona entre projetistas e o suporte a modelos extensíveis de dados de projeto. Tais problemas requerem uma infra-estrutura de software significativamente complexa, pois possíveis soluções envolvem diversos módulos, desde interfaces com o usuário até bancos de dados e middleware. Para construir tal infra-estrutura, várias técnicas de engenharia foram empregadas e algumas soluções originais foram desenvolvidas. A idéia central da solução proposta é baseada no emprego conjunto de duas tecnologias homônimas: CAD Frameworks (ambientes integrados de apoio ao projeto) e frameworks orientados a objeto. O primeiro conceito foi criado no final da década de 80 na área de automação de projeto de sistemas eletrônicos e define uma arquitetura de software em níveis, voltada ao apoio a desenvolvedores de ferramentas de projeto, administradores de ambientes de projeto e projetistas. O segundo, desenvolvido na última década na área de engenharia de software, é um modelo para arquiteturas de software visando o desenvolvimento de sub-sistemas reusáveis de software orientado a objeto. No presente trabalho, propõe-se a criação de um framework orientado a objetos que inclui conjuntos extensíveis de primitivas de dados de projeto bem como de blocos para a construção de ferramentas de CAD. Esse framework orientado a objeto é agregado a um CAD Framework, onde ele passa a desempenhar funções tipicamente encontradas em tal ambiente, tais como representação e administração de dados de projeto, versionamento, interface com usuário, administração de projeto e integração de ferramentas. O CAD Framework implementado dentro do escopo desta tese foi chamado Cave2 e seguiu a clássica arquitetura em níveis apresentada por Barnes, Harrison, Newton e Spickelmier. Durante o projeto e a implementação do Cave2, uma série de avanços em relação as abordagens anteriores foi obtida com a exploração das vantagens advindas do uso de um framework orientado a objetos: - frameworks orientados a objetos são extensíveis por definição, então o mesmo pode ser dito a respeito das implementações dos conjuntos de primitivas de dados de projeto bem como de blocos para a construção de ferramentas de CAD. Isso implica que tanto o modelo de representação de projeto quanto os módulos de software processando tal modelo podem ser atualizados ou adaptados para uma metodologia de projeto específica, e que essas atualizações e adaptações ainda herdarão os aspectos arquiteturais e funcionais implementados nos elementos básicos do framework orientado a objetos; partes do framework orientado a objetos, mas em modelos claramente separados. Isso possibilita o uso de várias estratégias para a visualização de um conjunto de dados de 15 projeto, o que dá aos participantes de uma sessão de projeto colaborativo a flexibilidade de escolha individual de estratégia de visualização; - o controle de consistência entre semântica e visualização - uma questão particularmente importante em um ambiente de projeto onde coexistem múltiplas visualizações de cada projeto - também está incluído nas fundações do framework orientado a objetos implementado. Esse mecanismo é genérico o bastante para ser usado também pelas possíveis extensões do modelo de dados de projeto, uma vez que ele é baseado na inversão de controle entre a visualização e a semântica. A visualização recebe a intenção do usuário e propaga esse evento ao modelo da semântica, o qual avalia a possibilidade de uma mudança de estado. Se positivo, ele dispara a mudança de estado em ambos os modelos de visualização e semântica. A abordagem proposta nesta tese usa tal inversão de controle para incluir um nível adicional de processamento entre a semântica e a visualização, visando o controle de consistência nos casos de múltiplas visualizações; indisponibilidade de conexão entre elas; - o uso de objetos de proxy aumentou significativamente o nível de abstração da integração de recursos de automação de projeto, pois tanto ferramentas e serviços remotos quanto os instalados localmente são acessados através de chamadas de métodos em um objeto local. A conexão aos serviços e ferramentas remotos é obtida através de um protocolo de look-up, abstraíndo completamente a localização de tais recursos na rede e permitindo a adição e remoção em tempo de execução; - o CAD Framework foi implementato completamente usando a tecnologia Java, usando dessa forma a Java Virtual Machine como intermediário entre o sistema operacional e o CAD Framework, garantindo dessa forma a independência de plataforma. Todas as contribuições listadas anteriormente contribuiram com o aumento do nível de abstração da distribuição de recursos de automação de projeto e também apresentaram um novo paradigma para a interação remota entre projetistas. O CAD Framework no qual tais contribuições foram aplicadas é capaz de suportar colaboração de granularidade fina baseada em eventos, onde cada atualização feita por um projetista pode ser propagada para o restante da equipe, mesmo que estejam todos geograficamente distribuídos. Isto pode aumentar a sinergia de grupo entre os projetistas e permitir uma troca mais rica de experiências entre eles, aumentando significativamente o potencial de colaboração quando comparado com abordages baseadas em acesso a arquivos e registros propostas anteriormente. Três estudos de caso diferentes foram realizados para validar a abordagem proposta, cada um deles envolvendo um sub-conjunto das contribuições da presente tese. O primeiro utiliza a arquitetura de distribuição de recursos baseada em proxies para implementar uma plataforma de prototipação usando módulos de hardware reconfigurável. O segundo estende as fundações do framework orientado a objetos visando suportar projeto baseado em interfaces. Essas extensões - primitivas de representação de projeto e partes de ferramentas - são usadas na implementação de uma ferramenta chamada IBlaDe, que permite a criação colaborativa de modelos funcionais e estruturais de sistemas integrados. O terceiro estudo de caso aborda a possibilidade de integração de metadados multimídia ao modelo de dados de projeto. Essa possibilidade é explorada no contexto de uma plataforma online de educação e treinamento. / The work described in this thesis aims to support the distributed design of integrated systems and considers specifically the need for collaborative interaction among designers. Particular emphasis was given to issues which were only marginally considered in previous approaches, such as the abstraction of the distribution of design automation resources over the network, the possibility of both synchronous and asynchronous interaction among designers and the support for extensible design data models. Such issues demand a rather complex software infrastructure, as possible solutions must encompass a wide range of software modules: from user interfaces to middleware to databases. To build such structure, several engineering techniques were employed and some original solutions were devised. The core of the proposed solution is based in the joint application of two homonymic technologies: CAD Frameworks and object-oriented frameworks. The former concept was coined in the late 80's within the electronic design automation community and comprehends a layered software environment which aims to support CAD tool developers, CAD administrators/integrators and designers. The latter, developed during the last decade by the software engineering community, is a software architecture model to build extensible and reusable object-oriented software subsystems. In this work, we proposed to create an object-oriented framework which includes extensible sets of design data primitives and design tool building blocks. Such object-oriented framework is included within a CAD Framework, where it plays important roles on typical CAD Framework services such as design data representation and management, versioning, user interfaces, design management and tool integration. The implemented CAD Framework - named Cave2 - followed the classical layered architecture presented by Barnes, Harrison, Newton and Spickelmier, but the possibilities granted by the use of the object-oriented framework foundations allowed a series of improvements which were not available in previous approaches: - object-oriented frameworks are extensible by design, thus this should be also true regarding the implemented sets of design data primitives and design tool building blocks. This means that both the design representation model and the software modules dealing with it can be upgraded or adapted to a particular design methodology, and that such extensions and adaptations will still inherit the architectural and functional aspects implemented in the object-oriented framework foundation; - the design semantics and the design visualization are both part of the object-oriented framework, but in clearly separated models. This allows for different visualization strategies for a given design data set, which gives collaborating parties the flexibility to choose individual visualization settings; - the control of the consistency between semantics and visualization - a particularly important issue in a design environment with multiple views of a single design - is also included in the foundations of the object-oriented framework. Such mechanism is generic enough to be also used by further extensions of the design data model, as it is based on the inversion of control between view and semantics. The view receives the user input and propagates such event to the semantic model, which evaluates if a state change is possible. If positive, it triggers the change of state of both semantics and view. Our approach took advantage of such inversion of control and included an layer between semantics and view to take into account the possibility of multi-view consistency; - to optimize the consistency control mechanism between views and semantics, we propose an event-based approach that captures each discrete interaction of a designer with his/her respective design views. The information about each interaction is encapsulated inside an event object, which may be propagated to the design semantics - and thus to other possible views - according to the consistency policy which is being used. Furthermore, the use of event pools allows for a late synchronization between view and semantics in case of unavailability of a network connection between them; - the use of proxy objects raised significantly the abstraction of the integration of design automation resources, as either remote or local tools and services are accessed through method calls in a local object. The connection to remote tools and services using a look-up protocol also abstracted completely the network location of such resources, allowing for resource addition and removal during runtime; - the implemented CAD Framework is completely based on Java technology, so it relies on the Java Virtual Machine as the layer which grants the independence between the CAD Framework and the operating system. All such improvements contributed to a higher abstraction on the distribution of design automation resources and also introduced a new paradigm for the remote interaction between designers. The resulting CAD Framework is able to support fine-grained collaboration based on events, so every single design update performed by a designer can be propagated to the rest of the design team regardless of their location in the distributed environment. This can increase the group awareness and allow a richer transfer of experiences among them, improving significantly the collaboration potential when compared to previously proposed file-based or record-based approaches. Three different case studies were conducted to validate the proposed approach, each one focusing one a subset of the contributions of this thesis. The first one uses the proxy-based resource distribution architecture to implement a prototyping platform using reconfigurable hardware modules. The second one extends the foundations of the implemented object-oriented framework to support interface-based design. Such extensions - design representation primitives and tool blocks - are used to implement a design entry tool named IBlaDe, which allows the collaborative creation of functional and structural models of integrated systems. The third case study regards the possibility of integration of multimedia metadata to the design data model. Such possibility is explored in the frame of an online educational and training platform.

O trabalho de pesquisa apresentado nesta tese tem por objetivo apoiar o projeto distribuído de sistemas integrados, considerando especificamente a necessidade de interação colaborativa entre os projetistas. O trabalho enfatiza particularmente alguns problemas que foram considerados apenas marginalmente em abordagens anteriores, como a abstração da distribuição em rede dos recursos de automação de projeto, a possibilidade de interação síncrona e assíncrona entre projetistas e o suporte a modelos extensíveis de dados de projeto. Tais problemas requerem uma infra-estrutura de software significativamente complexa, pois possíveis soluções envolvem diversos módulos, desde interfaces com o usuário até bancos de dados e middleware. Para construir tal infra-estrutura, várias técnicas de engenharia foram empregadas e algumas soluções originais foram desenvolvidas. A idéia central da solução proposta é baseada no emprego conjunto de duas tecnologias homônimas: CAD Frameworks (ambientes integrados de apoio ao projeto) e frameworks orientados a objeto. O primeiro conceito foi criado no final da década de 80 na área de automação de projeto de sistemas eletrônicos e define uma arquitetura de software em níveis, voltada ao apoio a desenvolvedores de ferramentas de projeto, administradores de ambientes de projeto e projetistas. O segundo, desenvolvido na última década na área de engenharia de software, é um modelo para arquiteturas de software visando o desenvolvimento de sub-sistemas reusáveis de software orientado a objeto. No presente trabalho, propõe-se a criação de um framework orientado a objetos que inclui conjuntos extensíveis de primitivas de dados de projeto bem como de blocos para a construção de ferramentas de CAD. Esse framework orientado a objeto é agregado a um CAD Framework, onde ele passa a desempenhar funções tipicamente encontradas em tal ambiente, tais como representação e administração de dados de projeto, versionamento, interface com usuário, administração de projeto e integração de ferramentas. O CAD Framework implementado dentro do escopo desta tese foi chamado Cave2 e seguiu a clássica arquitetura em níveis apresentada por Barnes, Harrison, Newton e Spickelmier. Durante o projeto e a implementação do Cave2, uma série de avanços em relação as abordagens anteriores foi obtida com a exploração das vantagens advindas do uso de um framework orientado a objetos: - frameworks orientados a objetos são extensíveis por definição, então o mesmo pode ser dito a respeito das implementações dos conjuntos de primitivas de dados de projeto bem como de blocos para a construção de ferramentas de CAD. Isso implica que tanto o modelo de representação de projeto quanto os módulos de software processando tal modelo podem ser atualizados ou adaptados para uma metodologia de projeto específica, e que essas atualizações e adaptações ainda herdarão os aspectos arquiteturais e funcionais implementados nos elementos básicos do framework orientado a objetos; partes do framework orientado a objetos, mas em modelos claramente separados. Isso possibilita o uso de várias estratégias para a visualização de um conjunto de dados de 15 projeto, o que dá aos participantes de uma sessão de projeto colaborativo a flexibilidade de escolha individual de estratégia de visualização; - o controle de consistência entre semântica e visualização - uma questão particularmente importante em um ambiente de projeto onde coexistem múltiplas visualizações de cada projeto - também está incluído nas fundações do framework orientado a objetos implementado. Esse mecanismo é genérico o bastante para ser usado também pelas possíveis extensões do modelo de dados de projeto, uma vez que ele é baseado na inversão de controle entre a visualização e a semântica. A visualização recebe a intenção do usuário e propaga esse evento ao modelo da semântica, o qual avalia a possibilidade de uma mudança de estado. Se positivo, ele dispara a mudança de estado em ambos os modelos de visualização e semântica. A abordagem proposta nesta tese usa tal inversão de controle para incluir um nível adicional de processamento entre a semântica e a visualização, visando o controle de consistência nos casos de múltiplas visualizações; indisponibilidade de conexão entre elas; - o uso de objetos de proxy aumentou significativamente o nível de abstração da integração de recursos de automação de projeto, pois tanto ferramentas e serviços remotos quanto os instalados localmente são acessados através de chamadas de métodos em um objeto local. A conexão aos serviços e ferramentas remotos é obtida através de um protocolo de look-up, abstraíndo completamente a localização de tais recursos na rede e permitindo a adição e remoção em tempo de execução; - o CAD Framework foi implementato completamente usando a tecnologia Java, usando dessa forma a Java Virtual Machine como intermediário entre o sistema operacional e o CAD Framework, garantindo dessa forma a independência de plataforma. Todas as contribuições listadas anteriormente contribuiram com o aumento do nível de abstração da distribuição de recursos de automação de projeto e também apresentaram um novo paradigma para a interação remota entre projetistas. O CAD Framework no qual tais contribuições foram aplicadas é capaz de suportar colaboração de granularidade fina baseada em eventos, onde cada atualização feita por um projetista pode ser propagada para o restante da equipe, mesmo que estejam todos geograficamente distribuídos. Isto pode aumentar a sinergia de grupo entre os projetistas e permitir uma troca mais rica de experiências entre eles, aumentando significativamente o potencial de colaboração quando comparado com abordages baseadas em acesso a arquivos e registros propostas anteriormente. Três estudos de caso diferentes foram realizados para validar a abordagem proposta, cada um deles envolvendo um sub-conjunto das contribuições da presente tese. O primeiro utiliza a arquitetura de distribuição de recursos baseada em proxies para implementar uma plataforma de prototipação usando módulos de hardware reconfigurável. O segundo estende as fundações do framework orientado a objetos visando suportar projeto baseado em interfaces. Essas extensões - primitivas de representação de projeto e partes de ferramentas - são usadas na implementação de uma ferramenta chamada IBlaDe, que permite a criação colaborativa de modelos funcionais e estruturais de sistemas integrados. O terceiro estudo de caso aborda a possibilidade de integração de metadados multimídia ao modelo de dados de projeto. Essa possibilidade é explorada no contexto de uma plataforma online de educação e treinamento. / The work described in this thesis aims to support the distributed design of integrated systems and considers specifically the need for collaborative interaction among designers. Particular emphasis was given to issues which were only marginally considered in previous approaches, such as the abstraction of the distribution of design automation resources over the network, the possibility of both synchronous and asynchronous interaction among designers and the support for extensible design data models. Such issues demand a rather complex software infrastructure, as possible solutions must encompass a wide range of software modules: from user interfaces to middleware to databases. To build such structure, several engineering techniques were employed and some original solutions were devised. The core of the proposed solution is based in the joint application of two homonymic technologies: CAD Frameworks and object-oriented frameworks. The former concept was coined in the late 80's within the electronic design automation community and comprehends a layered software environment which aims to support CAD tool developers, CAD administrators/integrators and designers. The latter, developed during the last decade by the software engineering community, is a software architecture model to build extensible and reusable object-oriented software subsystems. In this work, we proposed to create an object-oriented framework which includes extensible sets of design data primitives and design tool building blocks. Such object-oriented framework is included within a CAD Framework, where it plays important roles on typical CAD Framework services such as design data representation and management, versioning, user interfaces, design management and tool integration. The implemented CAD Framework - named Cave2 - followed the classical layered architecture presented by Barnes, Harrison, Newton and Spickelmier, but the possibilities granted by the use of the object-oriented framework foundations allowed a series of improvements which were not available in previous approaches: - object-oriented frameworks are extensible by design, thus this should be also true regarding the implemented sets of design data primitives and design tool building blocks. This means that both the design representation model and the software modules dealing with it can be upgraded or adapted to a particular design methodology, and that such extensions and adaptations will still inherit the architectural and functional aspects implemented in the object-oriented framework foundation; - the design semantics and the design visualization are both part of the object-oriented framework, but in clearly separated models. This allows for different visualization strategies for a given design data set, which gives collaborating parties the flexibility to choose individual visualization settings; - the control of the consistency between semantics and visualization - a particularly important issue in a design environment with multiple views of a single design - is also included in the foundations of the object-oriented framework. Such mechanism is generic enough to be also used by further extensions of the design data model, as it is based on the inversion of control between view and semantics. The view receives the user input and propagates such event to the semantic model, which evaluates if a state change is possible. If positive, it triggers the change of state of both semantics and view. Our approach took advantage of such inversion of control and included an layer between semantics and view to take into account the possibility of multi-view consistency; - to optimize the consistency control mechanism between views and semantics, we propose an event-based approach that captures each discrete interaction of a designer with his/her respective design views. The information about each interaction is encapsulated inside an event object, which may be propagated to the design semantics - and thus to other possible views - according to the consistency policy which is being used. Furthermore, the use of event pools allows for a late synchronization between view and semantics in case of unavailability of a network connection between them; - the use of proxy objects raised significantly the abstraction of the integration of design automation resources, as either remote or local tools and services are accessed through method calls in a local object. The connection to remote tools and services using a look-up protocol also abstracted completely the network location of such resources, allowing for resource addition and removal during runtime; - the implemented CAD Framework is completely based on Java technology, so it relies on the Java Virtual Machine as the layer which grants the independence between the CAD Framework and the operating system. All such improvements contributed to a higher abstraction on the distribution of design automation resources and also introduced a new paradigm for the remote interaction between designers. The resulting CAD Framework is able to support fine-grained collaboration based on events, so every single design update performed by a designer can be propagated to the rest of the design team regardless of their location in the distributed environment. This can increase the group awareness and allow a richer transfer of experiences among them, improving significantly the collaboration potential when compared to previously proposed file-based or record-based approaches. Three different case studies were conducted to validate the proposed approach, each one focusing one a subset of the contributions of this thesis. The first one uses the proxy-based resource distribution architecture to implement a prototyping platform using reconfigurable hardware modules. The second one extends the foundations of the implemented object-oriented framework to support interface-based design. Such extensions - design representation primitives and tool blocks - are used to implement a design entry tool named IBlaDe, which allows the collaborative creation of functional and structural models of integrated systems. The third case study regards the possibility of integration of multimedia metadata to the design data model. Such possibility is explored in the frame of an online educational and training platform.

O trabalho de pesquisa apresentado nesta tese tem por objetivo apoiar o projeto distribuído de sistemas integrados, considerando especificamente a necessidade de interação colaborativa entre os projetistas. O trabalho enfatiza particularmente alguns problemas que foram considerados apenas marginalmente em abordagens anteriores, como a abstração da distribuição em rede dos recursos de automação de projeto, a possibilidade de interação síncrona e assíncrona entre projetistas e o suporte a modelos extensíveis de dados de projeto. Tais problemas requerem uma infra-estrutura de software significativamente complexa, pois possíveis soluções envolvem diversos módulos, desde interfaces com o usuário até bancos de dados e middleware. Para construir tal infra-estrutura, várias técnicas de engenharia foram empregadas e algumas soluções originais foram desenvolvidas. A idéia central da solução proposta é baseada no emprego conjunto de duas tecnologias homônimas: CAD Frameworks (ambientes integrados de apoio ao projeto) e frameworks orientados a objeto. O primeiro conceito foi criado no final da década de 80 na área de automação de projeto de sistemas eletrônicos e define uma arquitetura de software em níveis, voltada ao apoio a desenvolvedores de ferramentas de projeto, administradores de ambientes de projeto e projetistas. O segundo, desenvolvido na última década na área de engenharia de software, é um modelo para arquiteturas de software visando o desenvolvimento de sub-sistemas reusáveis de software orientado a objeto. No presente trabalho, propõe-se a criação de um framework orientado a objetos que inclui conjuntos extensíveis de primitivas de dados de projeto bem como de blocos para a construção de ferramentas de CAD. Esse framework orientado a objeto é agregado a um CAD Framework, onde ele passa a desempenhar funções tipicamente encontradas em tal ambiente, tais como representação e administração de dados de projeto, versionamento, interface com usuário, administração de projeto e integração de ferramentas. O CAD Framework implementado dentro do escopo desta tese foi chamado Cave2 e seguiu a clássica arquitetura em níveis apresentada por Barnes, Harrison, Newton e Spickelmier. Durante o projeto e a implementação do Cave2, uma série de avanços em relação as abordagens anteriores foi obtida com a exploração das vantagens advindas do uso de um framework orientado a objetos: - frameworks orientados a objetos são extensíveis por definição, então o mesmo pode ser dito a respeito das implementações dos conjuntos de primitivas de dados de projeto bem como de blocos para a construção de ferramentas de CAD. Isso implica que tanto o modelo de representação de projeto quanto os módulos de software processando tal modelo podem ser atualizados ou adaptados para uma metodologia de projeto específica, e que essas atualizações e adaptações ainda herdarão os aspectos arquiteturais e funcionais implementados nos elementos básicos do framework orientado a objetos; partes do framework orientado a objetos, mas em modelos claramente separados. Isso possibilita o uso de várias estratégias para a visualização de um conjunto de dados de 15 projeto, o que dá aos participantes de uma sessão de projeto colaborativo a flexibilidade de escolha individual de estratégia de visualização; - o controle de consistência entre semântica e visualização - uma questão particularmente importante em um ambiente de projeto onde coexistem múltiplas visualizações de cada projeto - também está incluído nas fundações do framework orientado a objetos implementado. Esse mecanismo é genérico o bastante para ser usado também pelas possíveis extensões do modelo de dados de projeto, uma vez que ele é baseado na inversão de controle entre a visualização e a semântica. A visualização recebe a intenção do usuário e propaga esse evento ao modelo da semântica, o qual avalia a possibilidade de uma mudança de estado. Se positivo, ele dispara a mudança de estado em ambos os modelos de visualização e semântica. A abordagem proposta nesta tese usa tal inversão de controle para incluir um nível adicional de processamento entre a semântica e a visualização, visando o controle de consistência nos casos de múltiplas visualizações; indisponibilidade de conexão entre elas; - o uso de objetos de proxy aumentou significativamente o nível de abstração da integração de recursos de automação de projeto, pois tanto ferramentas e serviços remotos quanto os instalados localmente são acessados através de chamadas de métodos em um objeto local. A conexão aos serviços e ferramentas remotos é obtida através de um protocolo de look-up, abstraíndo completamente a localização de tais recursos na rede e permitindo a adição e remoção em tempo de execução; - o CAD Framework foi implementato completamente usando a tecnologia Java, usando dessa forma a Java Virtual Machine como intermediário entre o sistema operacional e o CAD Framework, garantindo dessa forma a independência de plataforma. Todas as contribuições listadas anteriormente contribuiram com o aumento do nível de abstração da distribuição de recursos de automação de projeto e também apresentaram um novo paradigma para a interação remota entre projetistas. O CAD Framework no qual tais contribuições foram aplicadas é capaz de suportar colaboração de granularidade fina baseada em eventos, onde cada atualização feita por um projetista pode ser propagada para o restante da equipe, mesmo que estejam todos geograficamente distribuídos. Isto pode aumentar a sinergia de grupo entre os projetistas e permitir uma troca mais rica de experiências entre eles, aumentando significativamente o potencial de colaboração quando comparado com abordages baseadas em acesso a arquivos e registros propostas anteriormente. Três estudos de caso diferentes foram realizados para validar a abordagem proposta, cada um deles envolvendo um sub-conjunto das contribuições da presente tese. O primeiro utiliza a arquitetura de distribuição de recursos baseada em proxies para implementar uma plataforma de prototipação usando módulos de hardware reconfigurável. O segundo estende as fundações do framework orientado a objetos visando suportar projeto baseado em interfaces. Essas extensões - primitivas de representação de projeto e partes de ferramentas - são usadas na implementação de uma ferramenta chamada IBlaDe, que permite a criação colaborativa de modelos funcionais e estruturais de sistemas integrados. O terceiro estudo de caso aborda a possibilidade de integração de metadados multimídia ao modelo de dados de projeto. Essa possibilidade é explorada no contexto de uma plataforma online de educação e treinamento. / The work described in this thesis aims to support the distributed design of integrated systems and considers specifically the need for collaborative interaction among designers. Particular emphasis was given to issues which were only marginally considered in previous approaches, such as the abstraction of the distribution of design automation resources over the network, the possibility of both synchronous and asynchronous interaction among designers and the support for extensible design data models. Such issues demand a rather complex software infrastructure, as possible solutions must encompass a wide range of software modules: from user interfaces to middleware to databases. To build such structure, several engineering techniques were employed and some original solutions were devised. The core of the proposed solution is based in the joint application of two homonymic technologies: CAD Frameworks and object-oriented frameworks. The former concept was coined in the late 80's within the electronic design automation community and comprehends a layered software environment which aims to support CAD tool developers, CAD administrators/integrators and designers. The latter, developed during the last decade by the software engineering community, is a software architecture model to build extensible and reusable object-oriented software subsystems. In this work, we proposed to create an object-oriented framework which includes extensible sets of design data primitives and design tool building blocks. Such object-oriented framework is included within a CAD Framework, where it plays important roles on typical CAD Framework services such as design data representation and management, versioning, user interfaces, design management and tool integration. The implemented CAD Framework - named Cave2 - followed the classical layered architecture presented by Barnes, Harrison, Newton and Spickelmier, but the possibilities granted by the use of the object-oriented framework foundations allowed a series of improvements which were not available in previous approaches: - object-oriented frameworks are extensible by design, thus this should be also true regarding the implemented sets of design data primitives and design tool building blocks. This means that both the design representation model and the software modules dealing with it can be upgraded or adapted to a particular design methodology, and that such extensions and adaptations will still inherit the architectural and functional aspects implemented in the object-oriented framework foundation; - the design semantics and the design visualization are both part of the object-oriented framework, but in clearly separated models. This allows for different visualization strategies for a given design data set, which gives collaborating parties the flexibility to choose individual visualization settings; - the control of the consistency between semantics and visualization - a particularly important issue in a design environment with multiple views of a single design - is also included in the foundations of the object-oriented framework. Such mechanism is generic enough to be also used by further extensions of the design data model, as it is based on the inversion of control between view and semantics. The view receives the user input and propagates such event to the semantic model, which evaluates if a state change is possible. If positive, it triggers the change of state of both semantics and view. Our approach took advantage of such inversion of control and included an layer between semantics and view to take into account the possibility of multi-view consistency; - to optimize the consistency control mechanism between views and semantics, we propose an event-based approach that captures each discrete interaction of a designer with his/her respective design views. The information about each interaction is encapsulated inside an event object, which may be propagated to the design semantics - and thus to other possible views - according to the consistency policy which is being used. Furthermore, the use of event pools allows for a late synchronization between view and semantics in case of unavailability of a network connection between them; - the use of proxy objects raised significantly the abstraction of the integration of design automation resources, as either remote or local tools and services are accessed through method calls in a local object. The connection to remote tools and services using a look-up protocol also abstracted completely the network location of such resources, allowing for resource addition and removal during runtime; - the implemented CAD Framework is completely based on Java technology, so it relies on the Java Virtual Machine as the layer which grants the independence between the CAD Framework and the operating system. All such improvements contributed to a higher abstraction on the distribution of design automation resources and also introduced a new paradigm for the remote interaction between designers. The resulting CAD Framework is able to support fine-grained collaboration based on events, so every single design update performed by a designer can be propagated to the rest of the design team regardless of their location in the distributed environment. This can increase the group awareness and allow a richer transfer of experiences among them, improving significantly the collaboration potential when compared to previously proposed file-based or record-based approaches. Three different case studies were conducted to validate the proposed approach, each one focusing one a subset of the contributions of this thesis. The first one uses the proxy-based resource distribution architecture to implement a prototyping platform using reconfigurable hardware modules. The second one extends the foundations of the implemented object-oriented framework to support interface-based design. Such extensions - design representation primitives and tool blocks - are used to implement a design entry tool named IBlaDe, which allows the collaborative creation of functional and structural models of integrated systems. The third case study regards the possibility of integration of multimedia metadata to the design data model. Such possibility is explored in the frame of an online educational and training platform.

La principale contribution de cette thèse porte sur la proposition et le développement d'une approche d'Ingénierie Dirigée par les Modèles (IDM), liée à une méthodologie basée sur des composants, pour faciliter la conception, design et implantation des Systèmes Dynamiquement Reconfigurables sur puce (FPGA). La méthodologie proposée repose sur l'utilisation du paradigme Metadata-based Composition Framework, et fortement basée sur des standards, tels qu'UML MARTE et, en particulier, l'IEEE IP-XACT, qui est exploitée comme représentation intermédiaire pour les IPs utilisés et pour la plateforme matérielle composée aux hautes-niveaux d'abstraction. Un procès d'emballage permet la réutilisation des bloques IP, qui ont été enveloppés par des interfaces PLB (IP statiques) et propriétaires (IP dynamiques). Subséquemment, la libraire est utilisée pour la composition d'un modèle de plateforme en UML, mais qui étant générative, permet la création d'une description cible de la composante matérielle de la plateforme, dans la forme d'un modèle spécifique à Xilinx Platform Studio, obtenu par des transformations des modèles. Les chaines de transformations pour la création de la libraire et de la plateforme, respectivement, ont été développées et implantées en utilisant Sodius MDWorkbench, un outil IDM conçu pour la création et manipulation des modèles et leur méta - modèles, ainsi que la définition et exécution des transformations des modèles associées / The main contribution of this thesis consists on the proposition and development a Model-driven Engineering (MDE) framework, in tandem with a component-based approach, for facilitating the design and implementation of Dynamic Partially Reconfigurable (DPR) Systems-on-Chip. The proposed methodology has been constructed around the Metadata-based Composition Framework paradigm, and based on common standards such as UML MARTE and the IEEE IP-XACT standard, an XML representation used for storing metadata about the IPs to be reused and of the platforms to be obtained at high-levels of abstraction. In fact, a componentizing process enables us to reuse the IP blocks, in UML MARTE, by wrapping them with PLB (static IPs) and proprietary (DPR blocks) interfaces. This is attained by reflecting the associated IP metadata to IP-XACT descriptions, and then to UML MARTE templates (IP reuse). Subsequently, these IP templates are used for composing a DPR model that can be exploited to create a Xilinx Platform Studio FPGA-design, through model transformations. The IP reflection and system generation chains were developed using Sodius MDWorkbench, an MDE tool conceived for the creation and manipulation of models and their meta-models, as well as the definition and execution of the associated transformation rules.

Integrated circuit development is an industry-driven high-risk high-stakes environment. The time from the concept of a new transistor technology to the market-ready product is measured in decades rather than months or years. This increases the risk for any company endeavouring on the journey of driving a new concept. Additionally to the return on investment being in the far future, it is only to be expected at all in high volume production, increasing the upfront investment. What makes the undertaking worthwhile are the exceptional gains that are to be expected, when the production reaches the market and enables better products. For these reasons, the adoption of new transistor technologies is usually based on small increments with foreseeable impact on the production process. Emerging semiconductor device development must be able to prove its value to its customers, the chip-producing industry, the earlier the better. With this thesis, I provide a new approach for early evaluation of emerging reconfigurable transistors in reconfigurable digital circuits. Reconfigurable transistors are a type of MOSFET that features a controllable conduction polarity, i.e., they can be configured by other input signals to work as PMOS or NMOS devices. Early device and circuit characterisation poses some challenges that are currently largely neglected by the development community. Firstly, to drive transistor development into the right direction, early feedback is necessary, which requires a method that can provide quantitative and qualitative results over a variety of circuit designs and must run mostly automatic. It should also require as little expert knowledge as possible to enable early experimentation on the device and new circuit designs together. Secondly, to actually run early, its device model should need as little data as possible to provide meaningful results. The proposed approach of this thesis tackles both challenges and employs model checking, a formal method, to provide a framework for the automated quantitative and qualitative analysis. It pairs a simple transistor device model with a charge transport model of the electrical network. In this thesis, I establish the notion of transistor-level reconfiguration and show the kinds of reconfigurable standard cell designs the device facilitates. Early investigation resulted in the discovery of certain modes of reconfiguration that the transistor features and their application to design reconfigurable standard cells. Experiments with device parameters and the design of improved combinational circuits that integrate new reconfigurable standard cells further highlight the need for a thorough investigation and quantification of the new devices and newly available standard cells. As their performance improvements are inconclusive when compared to established CMOS technology, a design space exploration of the possible reconfigurable standard cell variants and a context-aware quantitative analysis turns out to be required. I show that a charge transport model of the analogue transistor circuit provides the necessary abstraction, precision and compatibility with an automated analysis. Formalised in a DSL, it enables designers to freely characterise and combine parametrised transistor models, circuit descriptions that are device independent, and re-usable experiment setups that enable the analysis of large families of circuit variants. The language is paired with a design space exploration algorithm that explores all implementation variants of a Boolean function that employs various degrees and modes of reconfiguration. The precision of the device models and circuit performance calculations is validated against state-of-the-art FEM and SPICE simulations of production transistors. Lastly, I show that the exploration and analysis can be done efficiently using two important Boolean functions. The analysis ranges from worst-case measures, like delay, power dissipation and energy consumption to the detection and quantification of output hazards and the verification of the functionality of a circuit implementation. It ends in presenting average performance results that depend on the statistical characterisation of application scenarios. This makes the approach particularly interesting for measures like energy consumption, where average results are more interesting, and for asynchronous circuit designs which highly depend on average delay performance. I perform the quantitative analysis under various input and output load conditions in over 900 fully automated experiments. It shows that the complexity of the results warrants an extension to electronic design automation flows to fully exploit the capabilities of reconfigurable standard cells. The high degree of automation enables a researcher to use as little as a Boolean function of interest, a transistor model and a set of experiment conditions and queries to perform a wide range quantitative analyses and acquire early results.:1 Introduction 1.1 Emerging Reconfigurable Transistor Technology 1.2 Testing and Standard Cell Characterisation 1.3 Research Questions 1.4 Design Space Exploration and Quantitative Analysis 1.5 Contribution 2 Fundamental Reconfigurable Circuits 2.1 Reconfiguration Redefined 2.1.1 Common Understanding of Reconfiguration 2.1.2 Reconfiguration is Computation 2.2 Reconfigurable Transistor 2.2.1 Device geometry 2.2.2 Electrical properties 2.3 Fundamental Circuits 3 Combinational Circuits and Higher-Order Functions 3.1 Programmable Logic Cells 3.1.1 Critical Path Delay Estimation using Logical Effort Method 3.1.2 Multi-Functional Circuits 3.2 Improved Conditional Carry Adder 4 Constructive DSE for Standard Cells Using MC 4.1 Principle Operation of Model Checking 4.1.1 Model Types 4.1.2 Query Types 4.2 Overview and Workflow 4.2.1 Experiment setup 4.2.2 Quantitative Analysis and Results 4.3 Transistor Circuit Model 4.3.1 Direct Logic Network Model 4.3.2 Charge Transport Network Model 4.3.3 Transistor Model 4.3.4 Queries for Quantitative Analysis 4.4 Circuit Variant Generation 4.4.1 Function Expansion 5 Quantitative Analysis of Standard Cells 5.1 Analysis of 3-Input Minority Logic Gate 5.1.1 Circuit Variants 5.1.2 Worst-Case Analysis 5.2 Analysis of 3-Input Exclusive OR Gate 5.2.1 Worst-Case Analysis 5.2.2 Functional Verification 5.2.3 Probabilistic Analysis 6 Conclusion and Future Work 6.1 Future Work A Notational conventions B prism-gen Programming Interfaces Bibliography Terms & Abbreviations

The process of FPGA reconfiguration is to recompile a design and then update the FPGA configuration correspondingly. Traditionally, FPGA design compilation follows the way how hardware is compiled for achieving high performance, which requires a long computation time. How to efficiently compile a design becomes the bottleneck for FPGA reconfiguration. It is promising to apply some techniques or concepts from software to facilitate FPGA reconfiguration. This dissertation explores such an idea by utilizing three types of low-level manipulation on FPGA logic and routing resources, i.e. relocating, mapping/placing, and routing. It implements an FMA technique for "fast reconfiguration". The FMA makes use of the software compilation technique of reusing pre-compiled libraries for explicitly reducing FPGA compilation time. Based the software concept of Autonomic Computing, this dissertation proposes to build an Autonomous Adaptive System (AAS) to achieve "self-reconfiguration". An AAS absorbs the computing complexity into itself and compiles the desired change on its own. For routing, an FPGA router is developed. This router is able to route the MCNC benchmark circuits on five Xilinx devices within 0.35 ~ 49.05 seconds. Creating a routing-free sandbox with this router is 1.6 times faster than with OpenPR. The FMA uses relocating to load pre-compiled modules and uses routing to stitch the modules. It is an essential component of TFlow, which achieves 8 ~ 39 times speedup as compared to the traditional ISE flow on various test cases. The core part of an AAS is a lightweight embedded version of utilities for managing the system's hardware functionality. Two major utilities are mapping/placing and routing. This dissertation builds a proof-of-concept AAS with a universal UART transmitter. The system autonomously instantiates the circuit for generating the desired BAUD rate to adapt to the requirement of a remote UART receiver. / Ph. D.

The main contribution of this thesis consists on the proposition and development a Model-driven Engineering (MDE) framework, in tandem with a component-based approach, for facilitating the design and implementation of Dynamic Partially Reconfigurable (DPR) Systems-on-Chip. The proposed methodology has been constructed around the Metadata-based Composition Framework paradigm, and based on common standards such as UML MARTE and the IEEE IP-XACT standard, an XML representation used for storing metadata about the IPs to be reused and of the platforms to be obtained at high-levels of abstraction. In fact, a componentizing process enables us to reuse the IP blocks, in UML MARTE, by wrapping them with PLB (static IPs) and proprietary (DPR blocks) interfaces. This is attained by reflecting the associated IP metadata to IP-XACT descriptions, and then to UML MARTE templates (IP reuse). Subsequently, these IP templates are used for composing a DPR model that can be exploited to create a Xilinx Platform Studio FPGA-design, through model transformations. The IP reflection and system generation chains were developed using Sodius MDWorkbench, an MDE tool conceived for the creation and manipulation of models and their meta-models, as well as the definition and execution of the associated transformation rules.