Referências de tensão são blocos fundamentais em uma série de aplicações de sinais mistos e de rádio frequência, como por exemplo, conversores de dados, PLL's e conversores de potência. A implementação CMOS mais usada para referências de tensão é o circuito Bandgap devido sua alta previbilidade, e baixa dependência em relação à temperatura e tensão de alimentação. Este trabalho estuda aplicação de Referência de Tensão Bandgap. O princípio, as topologias tradicionalmente usadas para implementar este método e as limitações que essas arquiteturas sofrem são investigadas. Será também apresentada uma pesquisa das questões recentes envolvendo alta precisão, operação com baixa tensão de alimentação e baixa potência, e ruído de saída para as referências Bandgap fabricadas em tecnologias submicrométricas. Além disso, uma investigação abrangente do impacto causado pelo o processo da fabricação e do ruído no desempenho da referência é apresentada. Será mostrado que o ruído de saída pode limitar a precisão dos circuitos Bandgap e seus circuitos de ajuste. Para desenvolver nosso trabalho, três Referências Bandgap foram projetadas utilizando o processo IBM 7RF 0.18 micra com uma tensão de alimentação de 1.8V. Também foram projetados os leiautes desses circuitos para prover informações pósleiaute extraídos e resultados de simulação elétrica. Este trabalho provê uma discussão de algumas topologias e das práticas de projeto para referências Bandgap. / A Voltage Reference is a pivotal block in several mixed-signal and radio-frequency applications, for instance, data converters, PLL's and power converters. The most used CMOS implementation for voltage references is the Bandgap circuit due to its highpredictability, and low dependence of the supply voltage and temperature of operation. This work studies the Bandgap Voltage References (BGR). The most relevant and the traditional topologies usually employed to implement Bandgap Voltage References are investigated, and the limitations of these architectures are discussed. A survey is also presented, discussing the most relevant issues and performance metrics for BGR, including, high-accuracy, low-voltage and low-power operation, as well as the output noise of Bandgap References fabricated in submicrometer technologies. Moreover, a comprehensive investigation on the impact of fabrication process effects and noise on the reference voltage is presented. It is shown that output noise can limit the accuracy of the BGR and trim circuits. To support and develop our work, three BGR´s were designed using the IBM 0.18 Micron 7RF process with a supply voltage of 1.8 V. The layouts of these circuits were also designed to provide post-extracted layout information and electrical simulation results. This work provides a comprehensive discussion on the structure and design practices for Bandgap References.

Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) são componentes reconfiguráveis de hardware que encontraram grande sucesso comercial ao longo dos últimos anos em uma grande variedade de nichos de aplicação. Alta vazão de processamento, flexibilidade e tempo de projeto reduzido estão entre os principais atrativos desses dispositivos, e são essenciais para o seu sucesso comercial. Essas propriedades também são valiosas para sistemas críticos, que frequentemente enfrentam restrições severas de desempenho. Além disso, a possibilidade de reprogramação após implantação é relevante, uma vez que permite a adição de novas funcionalidades ou a correção de erros de projeto, estendendo a vida útil do sistema. Tais dispositivos, entretanto, dependem de grandes memórias para armazenar o bitstream de configuração, responsável por definir a função presente do FPGA. Assim, falhas afetando esta configuração são capazes de causar defeitos funcionais, sendo uma grande ameaça à confiabilidade. A forma mais tradicional de remover tais erros, isto é, scrubbing de configuração, consiste em periodicamente sobrescrever a memória com o seu conteúdo desejado. Entretanto, devido ao seu tamanho significativo e à banda de acesso limitada, scrubbing sofre de um longo tempo médio de reparo, e que está aumentando à medida que FPGAs ficam maiores e mais complexos a cada geração. Partições reconfiguráveis são úteis para reduzir este tempo, já que permitem a execução de um procedimento local de reparo na partição afetada. Para este propósito, mecanismos rápidos de detecção de erros são necessários para rapidamente disparar este scrubbing localizado e reduzir a latência de erro. Além disso, diagnóstico preciso é necessário para identificar a localização do erro dentro do espaço de endereçamento da configuração. Técnicas de redundância de grão fino têm o potencial de prover ambos, mas normalmente introduzem custos significativos devido à necessidade de numerosos verificadores de redundância. Neste trabalho, propomos uma técnica de detecção de erros de grão fino que utiliza recursos abundantes e subutilizados encontrados em FPGAs do estado da arte, especificamente as cadeias de propagação de vai-um. Assim, a técnica provê os principais benefícios da redundância de grão fino enquanto minimiza sua principal desvantagem. Reduções bastante significativas na latência de erro são atingíveis com a técnica proposta. Também é proposto um mecanismo heurístico para explorar o diagnóstico provido por técnicas desta natureza. Este mecanismo tem por objetivo identificar as localizações mais prováveis do erro na memória de configuração, baseado no diagnóstico de grão fino, e fazer uso dessa informação de forma a minimizar o tempo de reparo. / Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) are reconfigurable hardware components that have found great commercial success over the past years in a wide variety of application niches. High processing throughput, flexibility and reduced design time are among the main assets of such devices, and are essential to their commercial success. These features are also valuable for critical systems that often face stringent performance constraints. Furthermore, the possibility to perform post-deployment reprogramming is relevant, as it allows adding new functionalities or correcting design mistakes, extending the system lifetime. Such devices, however, rely on large memories to store the configuration bitstream, responsible for defining the current FPGA function. Thus, faults affecting this configuration are able to cause functional failures, posing a major dependability threat. The most traditional means to remove such errors, i.e., configuration scrubbing, consists in periodically overwriting the memory with its desired contents. However, due to its significant size and limited access bandwidth, scrubbing suffers from a long mean time to repair, and which is increasing as FPGAs get larger and more complex after each generation. Reconfigurable partitions are useful to reduce this time, as they allow performing a local repair procedure on the affected partition. For that purpose, fast error detection mechanisms are required, in order to quickly trigger this localized scrubbing and reduce error latency. Moreover, precise diagnosis is necessary to identify the error location within the configuration addressing space. Fine-grained redundancy techniques have the potential to provide both, but usually introduce significant costs due to the need of numerous redundancy checkers. In this work we propose a fine-grained error detection technique that makes use of abundant and underused resources found in state-of-the-art FPGAs, namely the carry propagation chains. Thereby, the technique provides the main benefits of fine-grained redundancy while minimizing its main drawback. Very significant reductions in error latency are attainable with the proposed approach. A heuristic mechanism to explore the diagnosis provided by techniques of this nature is also proposed. This mechanism aims at identifying the most likely error locations in the configuration memory, based on the fine-grained diagnosis, and to make use of this information in order to minimize the repair time of scrubbing.

Made available in DSpace on 2014-06-12T15:50:19Z (GMT). No. of bitstreams: 2 arquivo1633_1.pdf: 3430552 bytes, checksum: 3faeba7130f6e7c5c09f28267843f88a (MD5) license.txt: 1748 bytes, checksum: 8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33 (MD5) Previous issue date: 2008 / Os FPGAs (Field Programable Gate Array) têm sido considerados como uma opção atrativa no desenvolvimento de co-processadores de aplicação específica para sistemas computacionais de alto desempenho. Tradicionalmente, entretanto, estes dispositivos vinham sendo empregados apenas para implementar sistemas que não demandassem um uso intensivo de operações aritméticas envolvendo números em ponto flutuante. Isto acontecia principalmente devido à alta complexidade e ao tamanho dos cores de hardware gerados e também devido a escassez de recursos lógicos adequados a este tipo de aplicação nos FPGAs disponíveis à época. Os recentes avanços nesta tecnologia tem permitido a construção de novas famílias de FPGAs, os quais além de contar com dezenas de milhões de portas lógicas, dispõem também de recursos de hardware mais adequados à aplicações de processamento de alto desempenho, tais como: CPUs, DSPs (Digital Signal Processor) e grandes blocos de memória. Estes novos recursos tem permitido que projetistas e engenheiros possam implementar com maior facilidade coprocessadores aritméticos mais adequados a aplicações de computação científica. Neste trabalho, serão apresentados os detalhes de construção de uma unidade aritmética, um multiplicador e acumulador (MAC), implementado em FPGA, o qual segue o padrão IEEE 754 para números em ponto flutuante de precisão dupla. Esta unidade foi desenvolvida como parte de um co-processador aritmético de aplicação específica, dedicado a multiplicação de matrizes densas, para uso em plataformas computacionais de alto desempenho. O padrão IEEE 754 é descrito em detalhes, bem como a arquitetura interna da unidade aritmética implementada. Serão apresentadas também as metodologia de desenvolvimento e teste empregadas na construção deste dispositivo

Made available in DSpace on 2014-06-12T15:52:14Z (GMT). No. of bitstreams: 1 license.txt: 1748 bytes, checksum: 8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33 (MD5) Previous issue date: 2009 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / Devido à grande demanda da comunidade científica para o aumento da precisão em cálculos científicos, com redução no tempo de processamento e na potência dissipada pelos algoritmos em sua execução, estudos têm demonstrado que dispositivos especiais, como FPGAs (Field Programmable Gate Arrays), que trabalham, em geral, como co-processadores, podem em muito ajudar nesta linha de pesquisa. Muito já foi implementado e testado, porém a limitação de se trabalhar com números inteiros, que possuem um intervalo reduzido de representação numérica, imposta pela arquitetura nativa dos FPGA, incentivaram os pesquisadores a procurarem alternativas de como aumentar a precisão na plataforma. Esta pesquisa voltou-se para o estudo e a adaptação do padrão aritmético IEEE 754, largamente utilizado em computadores comuns e DSPs, ambos com grande capacidade de representação numérica, para FPGAs. Desta forma, uma adaptação mais natural dos algoritmos já existentes, que precisam ser acelerados, seria possível com os novos recursos na nova plataforma. Esta flexibilidade oferecida pelo novo ambiente de desenvolvimento concebeu muitas alternativas de viabilidade do projeto, gerando assim, uma grande quantidade de Ip-cores (uma biblioteca de cores) que realizam a mesma tarefa, entretanto de maneiras diferentes. Este trabalho tem como objetivo principal desenvolver o algoritmo da transformada rápida de Fourier (FFT) em hardware, para FPGAs. Este software Ip-core, bastante utilizado em aplicação científicas, particularmente em processamento digital de sinais, foi desenvolvido utilizando operações aritméticas números de ponto flutuante, padrão IEEE 754, com uma boa adaptabilidade. No Ip-core desenvolvido todas as operações aritméticas complexas, que o algoritmo demanda, foram encapsuladas para futuras melhoras sejam facilmente implementadas. Isto permite que, caso algum novo core aritmético, com melhor qualidade, venha a ser desenvolvido, o mesmo poderá facilmente substituir um core existente

Made available in DSpace on 2014-06-12T15:54:52Z (GMT). No. of bitstreams: 2 arquivo2015_1.pdf: 2391415 bytes, checksum: 09ab851c629f8ccc9ea982e2c53f53b3 (MD5) license.txt: 1748 bytes, checksum: 8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33 (MD5) Previous issue date: 2011 / A recente evolução na arquitetura dos dispositivos lógicos programáveis, como os FPGAs (Field Programmable Gate Array), associada à demanda por desempenho exigida em aplicações de computação científica, despertou a atenção de projetistas de supercomputadores que têm investido na criação de plataformas híbridas, associando processadores de propósito geral a co-processadores baseados em FPGAs, em busca de melhores níveis de aceleração. Uma arquitetura que incorpore um ou mais processadores de propósito geral e FPGAs num link de alta velocidade é chamada computador reconfigurável de alto desempenho. Este tipo de configuração requer, em geral, uma alta largura de banda entre o processador e o FPGA, necessário para que os ganhos com a execução em hardware superem o gargalo na comunicação. O sucesso dessas plataformas depende de características como: recursos presentes no FPGA, disponibilidade de memória na arquitetura, largura de banda e capacidade de escalabilidade das mesmas. Ao mesmo tempo, uma análise adequada do problema e um particionamento hardware/software eficiente, são necessários. Neste caso, processos com características de controle devem ser executados no processador de propósito geral e a computação intensiva deve ser executada em FPGA, onde podem ser exploradas características como paralelismo de execução e reuso de dados. Neste trabalho, são estudadas as principais características de alguns dos computadores reconfiguráveis de alto desempenho existentes. Além disso, como estudo de caso, é apresentada a análise e desenvolvimento de uma das importantes operações da computação científica: a multiplicação de matrizes, objetivando uma das plataformas estudadas, a plataforma RASC (Reconfigurable Application-Specific Computing), desenvolvida pela Silicon Graphics. A arquitetura proposta no estudo de caso visa, a partir da análise do problema e da avaliação dos recursos disponíveis na plataforma alvo, a obtenção de melhores resultados de desempenho quando comparado à execução em plataformas convencionais, baseadas em processadores de propósito geral. Para tanto, características como paralelismo e o reuso de dados são exploradas. A partir do projeto desenvolvido, é apresentado um modelo para avaliação de desempenho do multiplicador que pode ser aplicado às demais plataformas estudadas

Made available in DSpace on 2014-06-12T15:58:17Z (GMT). No. of bitstreams: 2 arquivo3450_1.pdf: 2428220 bytes, checksum: 164a34bb1ebc71c885503d9ef049987d (MD5) license.txt: 1748 bytes, checksum: 8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33 (MD5) Previous issue date: 2010 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / A criação de novas soluções para aumentar o desempenho de aplicações está crescendo de importância, pois os processamentos convencionais estão se tornando obsoletos. Diferentes abordagens têm sido estudadas e usadas, porém vários problemas foram encontrados. Um exemplo é dos processadores com vários núcleos, que, apesar de dissipar pouca potência, apresentam velocidade de transmissão baixa e pequena largura de banda. Circuitos ASICs apresentam alto desempenho, baixa dissipação de potência, mas possuem um alto custo de engenharia. Na tentativa de conseguir mais altos níveis de aceleração, plataformas que associam o uso de cluster de computadores convencionais com FPGAs têm sido estudadas. Este tipo de plataforma requer o uso de barramentos de alto desempenho para minimizar o gargalo de comunicação entre PC e FPGA, e um comunicador eficiente entre os nós do sistema. Neste trabalho, são vistas as principais características de algumas arquiteturas que utilizam cluster de PCs. Com isto, é proposta uma arquitetura que utiliza FPGA como co‐processador em cada nó do sistema, utilizando a interface MPI para comunicação entre os nós e um device driver, para Linux, que permite transferência em rajada dos dados, através do barramento PCIe. Como estudo de caso, usado para a validação da arquitetura, é implementado a multiplicação de matrizes densas, esta funcionalidade é baseada no nível três da biblioteca BLAS

Submitted by Almir Azevedo (barbio1313@gmail.com) on 2016-12-07T13:49:31Z No. of bitstreams: 1 dissertação mestrado ien 2016 Roque Hudson da Silva Martins.pdf: 1912079 bytes, checksum: dd3f85058201df5cc31480f07f01ba00 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-12-07T13:49:31Z (GMT). No. of bitstreams: 1 dissertação mestrado ien 2016 Roque Hudson da Silva Martins.pdf: 1912079 bytes, checksum: dd3f85058201df5cc31480f07f01ba00 (MD5) Previous issue date: 2016-06 / Neste trabalho é realizado um estudo e apresentada uma proposta de implementação de um modelo de Sistema de Proteção para Reatores Nucleares de Pesquisa, através da utilização de dispositivo programável FPGA (Field Programmagle Gate Array). Bem como são estudadas as lógicas de proteção de um desligamento automático (TRIP) de um reator, que garantem a segurança nesse tipo de sistema. A utilização desses novos mecanismos de controle e operação são desenvolvidos a fim de garantir que os limites do nível de segurança de uma usina não sejam superados, logo esses mecanismos podem acontecer de maneira isolada ou em conjunto de forma a garantir a segurança. Para que essa implementação seja completa, são apresentados os principais conceitos e aspectos referentes a Sistema de Proteção, principalmente no que se refere à segurança dos reatores nucleares de pesquisa. Sendo exposto alguns termos utilizados na área de aplicação. O sistema proposto nesta dissertação foi modelado através da linguagem de descrição de hardware VHDL (Very Speed Integrated Circuit), sendo utilizado o software ModelSim da Altera Software na programação das lógicas de desligamento automático (TRIP) do reator de pesquisa e na simulação de hipóteses de acionamento das mesmas. Os resultados deste estudo apontam que para toda a aplicação de software em reatores nucleares como ferramenta de auxílio na segurança dos mesmos, passe por um teste de verificação e validação, de forma a se adequar a norma IEC 60880. Este trabalho revela-se de grande importância, considerando-se que os sistemas de proteção de um reator nuclear constitui como um elemento básico na segurança dos mesmos. / This study presents a implementation purpose of a protection system for research nuclear reactors by using a programed device FPGA (Field Programmable Gate Array). As well as logic protection method involved on an automatic shutdown (TRIP) of a reactor, that ensure the security on such systems. These new control and operation mechanics are developed to guarantee that the security limits of a power plant are not exceeded, these mechanics can work isolated or in groups to safe guard the security levels. For this implementation to be completed, there will be presented the main aspects and concepts referred to protection systems, mostly about research nuclear reactors, with some applications terms exposed. The system proposed at this paper was developed following the VHDL (Very High Speed Integrated Circuits) hardware describing language, and the Modelsim software from Altera Software to program the automatic turning off routines, and hypothetical simulations for such. The results show that for every software application for supporting nuclear reactors, like security devices, they have to meet the IEC 60880 criteria. This paper have great importance, seeing that nuclear reactor security systems, are a basic element for ensure the reactor security.

Les systèmes de communications sans fil n'ont cessé d'évoluer ces dernières années, poussés par de fortes demandes du marché en systèmes toujours plus autonomes et performants. Ainsi, de nouvelles contraintes de conception sont apparues de manière à mieux prendre en compte les aspects énergétiques et ainsi améliorer la durée de vie des batteries et des circuits. Actuellement, les systèmes de communications numériques sans fil consomment d'importantes quantités d'énergie. D'autre part, la complexité des systèmes croît de génération en génération afin de satisfaire toujours plus d'utilisateurs avec un haut niveau de performances. Dans ce contexte à fortes contraintes, les circuits de type FPGA apparaissent comme une technologie attractive, pouvant supporter des circuits numériques complexes grâce à leur grand nombre de ressources. Pour pouvoir concevoir les futurs systèmes de communications numériques sans fil sur ce type de circuit, les concepteurs de tels systèmes doivent pouvoir estimer la consommation et les performances au plus tôt dans la phase de conception. De cette façon, ils pourront explorer l'espace de conception et effectuer des choix d'implémentation afin d'optimiser leurs systèmes. Durant cette thèse, une méthodologie a été proposée dont les objectifs sont d'estimer rapidement et à haut niveau la consommation de leurs circuits implantés sur FPGA ainsi que leurs performances, d'explorer l'espace de conception, de comparer efficacement plusieurs systèmes entre eux, tout en assurant une bonne précision de l'estimation. La méthodologie repose sur une phase de caractérisation de composants IP matériels ainsi que de leur modélisation en Systeme. Dans un second temps, une représentation haut-niveau du système entier est réalisée à partir de la librairie des modèles Systeme de chaque IP. A travers des simulations haut-niveau, les utilisateurs peuvent tester rapidement de multiples configurations de leur système. Un des caractères innovants de l'approche repose sur l'utilisation de signaux clés qui permettent de tenir compte des comportements dynamiques des composants IP, c-à-d leur temps d'activité (actif/inactif), au sein du système et ainsi obtenir des estimations précises. Les nombreux gains de la méthodologie ont été démontrés à travers plusieurs exemples de systèmes de communications numériques sans fil comme une chaîne de traitement en bande de base de type SISO-OFDM générique, des émetteurs LTE etc. Pour conclure, les limitations ont été adressées et des solutions d'optimisation ont pu être envisagées puis mises en place. / Wireless communication systems are still evolving since the last decades, driven by the growing demand of the electronic market for energy efficient and high performance devices. Thereby, new design constraints have appeared that aim at taking into account power consumption in order to improve battery-life of circuits. Current wireless communication systems commonly dissipate a lot of power. On the other hand, the complexity of such systems keeps on increasing through the generations to always satisfy more users at a high degree of performance. In this highly constrained context, FPGA devices seem to be an attractive technology, able to support complex systems thanks to their important number of resources. According to the FPGA nature, designers need to estimate the power consumption and the performance of their wireless communication systems as soon as possible in the design flow. In this way, they will be able to perform efficient design space exploration and make decisive implementation and optimization choices. Throughout this thesis, a power estimation methodology for hardware-focused FPGA device is described and aims at making design space exploration a lot easier, providing early and fast power and performance estimation at high-level. It also proposes an efficient way to efficiently compare several systems. The methodology is effective through an lP characterisation step and the development of their SystemC models. Then, a high level description of the entire system is realized from the SystemC models that have been previously developed. High-level simulations enable to check the functionality and evaluate the power and performance of the system. One of the contributions consists in monitoring the JP time-activities during the simulation. We show that this has an important impact on both power and performances. The effectiveness of the methodology has been demonstrated throughout several baseband processing chains of the wireless communication domain such as a SISO-OFDM generic chain, LTE transmitters etc. To conclude, the main limitations of the proposed methodology have been investigated and addressed.

High Level Synthesis (HLS) is a new method for developing applications for use on FPGAs. Instead of the classic approach using a Hardware Descriptive Language (HDL), a high level programming language can be used. HLS has many perks, including high level debugging and simulation of the system being developed. This shortens the development time which in turn lowers the development cost. In this thesis an evaluation is made regarding the feasibility of using SDAccel as the HLS tool in the OpenCL environment. Two image processing algorithms are implemented using OpenCL C and then synthesized to run on a Kintex Ultrascale FPGA. The implementation focuses both on low latency and throughput as the target environment is a video distribution network used in vehicles. The network provides the driver with video feeds from cameras mounted on the vehicle. Finally the test result of the algorithm runs are presented, displaying how well the HLS tool has preformed in terms of system performance and FPGA resource utilization.

Image convolution is a common algorithm that can be found in most graphics editors. It is used to filter images by multiplying and adding pixel values with coefficients in a filter kernel. Previous research work have implemented this algorithm on different platforms, such as FPGAs, CUDA, C etc. The performance of these implementations have then been compared against each other. When the algorithm has been implemented on an FPGA it has almost always been with a single convolution. The goal of this thesis was to investigate and in the end present one possible way to implement the algorithm with 16 parallel convolutions on a Xilinx Spartan 6 LX9 FPGA and then compare the performance with results from previous work. The final system performs better than multi-threaded implementations on both a GPU and CPU.