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Academic Clustering and Placement Tools for Modern Field-Programmable Gate Array Architectures Daniele Giuseppe Paladino Masters of Applied Science Graduate Department of Electrical and Computer Engineering University of Toronto 2008 Abstract Academic tools have been used in many research studies to investigate Field-Programmable Gate Array (FPGA) architecture, but these tools are not sufficiently flexible to represent modern commercial devices. This thesis describes two new tools, the Dynamic Clusterer (DC) and the Dynamic Placer (DP) that perform the clustering and placement steps in the FPGA CAD flow. These tools are developed in direct extension of the popular Versatile Place and Route (VPR) academic tools. We describe the changes that are necessary to the traditional tools in order to model modern devices, and provide experimental results that show the quality of the algorithms achieved is similar to a commercial CAD tool, Quartus II. Finally, a small number of research experiments were investigated using the clustering and placement tools created to demonstrate the practical use of these tools for academic research studies of FPGA CAD tools.

Academic Clustering and Placement Tools for Modern Field-Programmable Gate Array Architectures Daniele Giuseppe Paladino Masters of Applied Science Graduate Department of Electrical and Computer Engineering University of Toronto 2008 Abstract Academic tools have been used in many research studies to investigate Field-Programmable Gate Array (FPGA) architecture, but these tools are not sufficiently flexible to represent modern commercial devices. This thesis describes two new tools, the Dynamic Clusterer (DC) and the Dynamic Placer (DP) that perform the clustering and placement steps in the FPGA CAD flow. These tools are developed in direct extension of the popular Versatile Place and Route (VPR) academic tools. We describe the changes that are necessary to the traditional tools in order to model modern devices, and provide experimental results that show the quality of the algorithms achieved is similar to a commercial CAD tool, Quartus II. Finally, a small number of research experiments were investigated using the clustering and placement tools created to demonstrate the practical use of these tools for academic research studies of FPGA CAD tools.

Aquesta Tesi Doctoral se centra en el disseny d'un nou linealitzador de Predistorsió Digital (Digital Predistortion - DPD) capaç de compensar la dinàmica i els efectes no lineals introduïts pels Amplificadors de Potència (Power Amplifiers - PAs). Un dels trets més rellevants d'aquest nou predistorsionador digital i adaptatiu consisteix en ser deduïble a partir d'un model de PA anomenat Nonlinear Auto-Regressive Moving Average (NARMA). A més, la seva arquitectura multi-LUT (multi-Taula) permet la implementació en un dispositiu Field Programmable Gate Array (FPGA).La funció de predistorsió es realitza en banda base, per tant, és independent de la banda freqüencial on es durà a terme l'amplificació del senyal de RF, el que pot resultar útil si tenim en compte escenaris multibanda o reconfigurables. D'altra banda, el fet que aquest DPD tingui en compte els efectes de memòria introduïts pel PA, representa una clara millora de les prestacions aconseguides per un simple DPD sense memòria. En comparació amb d'altres DPDs basats en models més computacionalment complexos, com és el cas de les xarxes neuronals amb memòria (Time-Delayed Neural Networks - TDNN), la estructura recursiva del DPD proposat permet reduir el nombre de LUTs necessàries per compensar els efectes de memòria del PA. A més, la seva estructura multi-LUT permet l'escalabilitat, és a dir, activar or desactivar les LUTs que formen el DPD en funció de la dinàmica que presenti el PA.En una primera aproximació al disseny del DPD, és necessari identificar el model NARMA del PA. Un dels majors avantatges que presenta el model NARMA és la seva capacitat per trobar un compromís entre la fidelitat en l'estimació del PA i la complexitat computacional introduïda. Per reforçar aquest compromís, l' ús d'algoritmes heurístics de cerca, com són el Simulated Annealing o els Genetic Algorithms, s'utilitzen per trobar els retards que millor caracteritzen la memòria del PA i per tant, permeten la reducció del nombre de coeficients necessaris per caracteritzar-la. Tot i així, la naturalesa recursiva del model NARMA comporta que, de cara a garantir l'estabilitat final del DPD, cal dur a terme un estudi previ sobre l'estabilitat del model.Una vegada s'ha obtingut el model NARMA del PA i s'ha verificat l'estabilitat d'aquest, es procedeix a l'obtenció de la funció de predistorsió a través del mètode d'identificació predictiu. Aquest mètode es basa en la continua identificació del model NARMA del PA i posteriorment, a partir del model obtingut, es força al PA perquè es comporti de manera lineal. Per poder implementar la funció de predistorsió en la FPGA, cal primer expressar-la en forma de combinacions en paral·lel i cascada de les anomenades Cel·les Bàsiques de Predistorsió (BPCs), que són les unitats fonamentals que composen el DPD. Una BPC està formada per un multiplicador complex, un port RAM dual que actua com a LUT (taula de registres) i un calculador d'adreces. Les LUTs s'omplen tenint en compte una distribució uniforme dels continguts i l'indexat d'aquestes es duu a terme mitjançant el mòdul de l'envoltant del senyal. Finalment, l'adaptació del DPD consisteix en monitoritzar els senyals d'entrada i sortida del PA i anar duent a terme actualitzacions periòdiques del contingut de les LUTs que formen les BPCs. El procés d'adaptació del contingut de les LUTs es pot dur a terme en la mateixa FPGA encarregada de fer la funció de predistorsió, o de manera alternativa, pot ser duta a terme per un dispositiu extern (com per exemple un DSP - Digital Signal Processor) en una escala de temps més relaxada. Per validar l'exposició teòrica i provar el bon funcionalment del DPD proposat en aquesta Tesi, es proporcionen resultats tant de simulació com experimentals que reflecteixen els objectius assolits en la linealització del PA. A més, certes qüestions derivades de la implementació pràctica, tals com el consum de potència o la eficiència del PA, són també tractades amb detall. / This Ph.D. thesis addresses the design of a new Digital Predistortion (DPD) linearizer capable to compensate the unwanted nonlinear and dynamic behavior of power amplifiers (PAs). The distinctive characteristic of this new adaptive DPD is its deduction from a Nonlinear Auto Regressive Moving Average (NARMA) PA behavioral model and its particular multi look-up table (LUT) architecture that allows its implementation in a Field Programmable Gate Array (FPGA) device.The DPD linearizer presented in this thesis operates at baseband, thus becoming independent on the final RF frequency band and making it suitable for multiband or reconfigurable scenarios. Moreover, the proposed DPD takes into account PA memory effects compensation which representsan step forward in overcoming classical limitations of memoryless predistorters. Compared to more computational complex DPDs with dynamic compensation, such Time-Delayed Neural Networks (TDNN), this new DPD takes advantage of the recursive nature of the NARMA structure to relax the number of LUTs required to compensate memory effects in PAs. Furthermore, its parallel multi-LUT architecture is scalable, that is, permits enabling or disabling the contribution of specific LUTs depending on the dynamics presented by a particular PA.In a first approach, it is necessary to identify a NARMA PA behavioral model. The extraction of PA behavioral models for DPD linearization purposes is carried out by means of input and output complex envelope signal observations. One of the major advantages of the NARMA structure regards its capacity to deal with the existing trade-off between computational complexity and accuracy in PA behavioral modeling. To reinforce this compromise, heuristic search algorithms such the Simulated Annealing or Genetic Algorithms are utilized to find the best sparse delays that permit accurately reproducing the PA nonlinear dynamic behavior. However, due to the recursive nature of the NARMA model, an stability test becomes a previous requisite before advancing towards DPD linearization.Once the PA model is identified and its stability verified, the DPD function is extracted applying a predictive predistortion method. This identification method relies just on the PA NARMA model and consists in adaptively forcing the PA to behave as a linear device. Focusing in the DPD implementation, it is possible to map the predistortion function in a FPGA, but to fulfill this objective it is first necessary to express the predistortion function as a combined set of LUTs.In order to store the DPD function into a FPGA, it has to be stated in terms of parallel and cascade Basic Predistortion Cells (BPCs), which are the fundamental building blocks of the NARMA based DPD. A BPC is formed by a complex multiplier, a dual port RAM memory block acting as LUT and an address calculator. The LUT contents are filled following an uniform spacing procedure and its indexing is performed with the amplitude (modulus) of the signal's envelope.Finally, the DPD adaptation consists in monitoring the input-output data and performing frequent updates of the LUT contents that conform the BPCs. This adaptation process can be carried out in the same FPGA in charge of performing the DPD function, or alternatively can be performed by an external device (i.e. a DSP device) in a different time-scale than real-time operation.To support all the theoretical design and to prove the linearization performance achieved by this new DPD, simulation and experimental results are provided. Moreover, some issues derived from practical experimentation, such as power consumption and efficiency, are also reported and discussed within this thesis.

Current radar signal processor architectures lack either performance or flexibility in terms of ease of modification and large design time overheads. Combinations of processors and FPGAs are typically hard-wired together into a precisely timed and pipelined solution to achieve a desired level of functionality and performance. Such a fixed processing solution is clearly not feasible for new algorithm evaluation or quick changes during field tests. A more flexible solution based on a high-performance soft-core processing architecture is proposed. To develop such a processing architecture, data and signal-flow characteristics of common radar signal processing algorithms are analysed. Each algorithm is broken down into signal processing and mathematical operations. The computational requirements are then evaluated using an abstract model of computation to determine the relative importance of each mathematical operation. Critical portions of the radar applications are identified for architecture selection and optimisation purposes. Built around these dominant operations, a soft-core architecture model that is better matched to the core computational requirements of a radar signal processor is proposed. The processor model is iteratively refined based on the previous synthesis as well as code profiling results. To automate this iterative process, a software development environment was designed. The software development environment enables rapid architectural design space exploration through the automatic generation of development tools (assembler, linker, code editor, cycle accurate emulator / simulator, programmer, and debugger) as well as platform independent VHDL code from an architecture description file. Together with the board specific HDL-based HAL files, the design files are synthesised using the vendor specific FPGA tools and practically verified on a custom high performance development board. Timing results, functional accuracy, resource usage, profiling and performance data are analysed and fed back into the architecture description file for further refinement. The results from this iterative design process yielded a unique transport-based pipelined architecture. The proposed architecture achieves high data throughput while providing the flexibility that a software-programmable device offers. The end user can thus write custom radar algorithms in software rather than going through a long and complex HDL-based design. The simplicity of this architecture enables high clock frequencies, deterministic response times, and makes it easy to understand. Furthermore, the architecture is scalable in performance and functionality for a variety of different streaming and burst-processing related applications. A comparison to the Texas Instruments C66x DSP core showed a decrease in clock cycles by a factor between 10.8 and 20.9 for the identical radar application on the proposed architecture over a range of typical operating parameters. Even with the limited clock speeds achievable on the FPGA technology, the proposed architecture exceeds the performance of the commercial high-end DSP processor. Further research is required on ASIC, SIMD and multi-core implementations as well as compiler technology for the proposed architecture. A custom ASIC implementation is expected to further improve the processing performance by factors between 10 and 27. / Dissertation (MEng)--University of Pretoria, 2013. / gm2014 / Electrical, Electronic and Computer Engineering / unrestricted

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

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