Este trabalho apresenta o módulo Collaborative Service, uma extensão do ambiente Cave, desenvolvido para suportar conceitos de trabalho cooperativo no projeto de circuitos integrados. Esta extensão por sua vez, é baseada na metodologia Pair- Programming e nas tecnologias Jini e Javaspaces. O módulo Collaborative Service foi desenvolvido para auxiliar a continuidade do processo de desenvolvimento de circuitos integrados complexos, inserindo uma dinâmica de grupo através da extensão de Pair-Programming para máquinas remotas. Esse modelo permite que dois ou mais projetistas interajam em um mesmo projeto ou blocos de projeto, independente de suas localizações geográficas e tipos de plataformas de hardware/software. Ele foi projetado para ser genérico e essa característica o torna capaz de suportar as ferramentas de CAD, atuais e futuras, do ambiente Cave (um framework de apoio ao projeto de circuitos integrados). Como estudo de caso, foram utilizadas duas ferramentas do Ambiente Cave. O primeiro caso mostra uma cooperação em nível de descrições gráficas, representada pela ferramenta Blade, um editor de esquemáticos hierárquico. O segundo caso foi representado pelo editor de descrições textuais (VHDL, Verilog e Linguagem C), chamado Homero. No estudo de caso com a ferramenta Blade foi demonstrado que a cooperação proposta por esse modelo pode atuar sob diferentes níveis de hierarquia de projeto, além de suportar a interação de inúmeros projetistas em um mesmo bloco. Na ferramenta Homero, demonstrou-se a cooperação em nível de descrições textuais, representados por (códigos) projetos VHDL acrescidos da participação de vários projetistas. Com esses exemplos, foi possível demonstrar as estratégias de percepção e comunicação com os projetistas, além de descrever a criação de blocos de projeto de uma forma cooperativa. Como contribuição desse trabalho, acrescenta-se ao Ambiente Cave mais um recurso para o projeto de circuitos integrados. Nesse sentido, grupos de projetistas podem projetar um sistema ou circuito integrado de forma cooperativa utilizando-se das funcionalidades desse modelo.

Este trabalho apresenta novos algoritmos para o roteamento de circuitos integrados, e discute sua aplicação em sistemas de síntese de leiaute. As interconexões têm grande impacto no desempenho de circuitos em tecnologias recentes, e os algoritmos propostos visam conferir maior controle sobre sua qualidade, e maior convergência na tarefa de encontrar uma solução aceitável. De todos os problemas de roteamento, dois são de especial importância: roteamento de redes uma a uma com algoritmos de pesquisa de caminhos, e o chamado roteamento de área. Para o primeiro, procura-se desenvolver um algoritmo de pesquisa de caminhos bidirecional e heurístico mais eficiente, LCS*, cuja aplicação em roteamento explora situações específicas que ocorrem neste domínio. Demonstra-se que o modelo de custo influencia fortemente o esforço de pesquisa, além de controlar a qualidade das rotas encontradas, e por esta razão um modelo mais preciso é proposto. Para roteamento de área, se estuda o desenvolvimento de uma nova classe de algoritmos sugerida em [JOH 94], denominados LEGAL. A viabilidade e a eficiência de tais algoritmos são demonstradas com três diferentes implementações. Devem ser também estudados mecanismos alternativos para gerenciar espaços e tratar modelos de grade não uniforme, avaliando-se suas vantagens e sua aplicabilidade em outros diferentes contextos.

O trabalho tem por objetivo mostrar uma técnica de depuração de circuitos integrados VLSI, utilizando um microscópio eletrônico de varredura (MEV) aliado ao fenômeno de contraste por tensão. São abordadas a descrição da ferramenta, técnicas de observação e depuração dos circuitos, bem como, são sugeridas estratégias de concepção visando facilitar a depuração dos circuitos. Embora tenham sido utilizados circuitos NMOS para realizar as experiências, a técnica é aplicável a circuitos MOS em geral. Resultados experimentais, utilizando circuitos projetados no PGCC, são apresentados.

O aumento da popularidade da Internet e a criação de novos meios de transmissão estimulam um explosivo crescimento da taxa de transmissão de dados sobre a Internet. Assim, o processamento TCP/IP baseado em software torna-se um gargalo por não processar os pacotes na velocidade das linhas de transmissão, em especial os pacotes da camada de transporte. Conseqüentemente, surge a necessidade de implementação em hardware do processamento TCP/IP, o que traria vantagens como aceleração do processamento do fluxo de dados. Neste sentido, este trabalho apresenta a arquitetura do iNetCore, descrita em VHDL, para processamento dos protocolos das camadas de rede e transporte em hardware. Duas implementações desta arquitetura foram elaboradas, buscando explorar o espaço de projeto e analisar os resultados obtidos na síntese para a tecnologia ASIC e FPGA, e o desempenho no processamento de pacotes. Uma arquitetura HW/SW contendo o iNetCore foi prototipada sobre a placa Virtex- II Pro Development System. Em conjunto com essa arquitetura, foi implementada uma interface de comunicação com o barramento OPB, tornando possível a implementação de softwares da camada de aplicação que queiram usar a pilha TCP/IP desenvolvida em hardware. Por fim, foram efetuados experimentos para avaliar o desempenho da arquitetura HW/SW no processamento de segmentos TCP. A arquitetura HW/SW em conjunto com o iNetCore alcançou um throughput de até 1,45 Gbps, possibilitando o uso da arquitetura para processamento de pacotes TCP/IP na plenitude de banda disponíveis em redes gigabit. / The advent of new transmission lines stimulates an explosive increase of the Internet data-transmission rate. Thus, the TCP/IP processing based on software became a bottleneck, because it cannot reach the transmission line speed required, specially in the transmission of transport layer packets. This limitation brings the necessity of implementation of the TCP/IP processing in hardware, what it would bring advantages in the acceleration of data flow processing. In this way, this work presents the iNetCore architecture, described in VHDL, able to process the transport and network layers protocols in hardware. Two implementations of this architecture were implemented. The objective is to explore the design space and to analyze the results in ASIC and FPGA technology synthesis. Also, a simulation environment was built to analyze the performance in the packets computation. A HW/SW architecture containing the iNetcore was prototyped on Virtex-II Pro Development System board. In conjunction with this architecture, it was implemented a communication interface with OPB bus, which makes possible the development of application layer softwares that may use the hardware TCP/IP stack developed. Finally, experiments were realized in order to evaluate the HW/SW architecture performance in the TCP segments processing. The HW/SW architecture together with the iNetCore reached a throughput of about 1.45 Gbps in the TCP/IP packets processing. It proves its potential to use available bandwidth in gigabit networks.

O recente avanço da indústria de semicondutores tem possibilitado a integração de componentes complexos e arquiteturas de sistemas dentro de um único chip de silício. Atualmente, FPGAs do estado da arte incluem, não apenas a matriz de lógica programável, mas também outros blocos de hardware, como processadores de propósito geral, blocos de processamento dedicado, interfaces para vários periféricos, estruturas de barramento internas ao chip, e blocos analógicos. Estes novos dispositivos são comumente chamados de Sistemasem-Chip Totalmente Programáveis (APSoCs). Uma das maiores preocupações acerca dos efeitos da radiação em APSoCs é o fato de que erros induzidos pela radiação podem ter diferente probabilidade e criticalidade em seus blocos de hardware heterogêneos, em ambos os níveis de dispositivo e projeto. Por esta razão, este trabalho realiza uma investigação profunda acerca dos efeitos da radiação em APSoCs e da correlação entre a sensibilidade de recursos de hardware e software na performance geral do sistema. Diversos experimentos estáticos e dinâmicos inéditos foram realizados nos blocos de hardware de um APSoC a fim de melhor entender as relações entre confiabilidade e performance de cada parte separadamente. Os resultados mostram que há um comprometimento a ser analisado entre o desempenho e a área de choque de um projeto durante o desenvolvimento de um sistema em um APSoC. Desse modo, é fundamental levar em consideração cada opção de projeto disponível e todos os parâmetros do sistema envolvidos, como o tempo de execução e a carga de trabalho, e não apenas a sua seção de choque. Exemplificativamente, os resultados mostram que é possível aumentar o desempenho de um sistema em até 5.000 vezes com um pequeno aumento na sua seção de choque de até 8 vezes, aumentando assim a confiabilidade operacional do sistema. Este trabalho também propõe um fluxo de análise de confiabilidade baseado em injeções de falhas para estimar a tendência de confiabilidade de projetos somente de hardware, de software, ou de hardware e software. O fluxo objetiva acelerar a procura pelo esquema de projeto com a melhor relação entre performance e confiabilidade dentre as opções possíveis. A metodologia leva em consideração quatro grupos de parâmetros, os quais são: recursos e performance; erros e bits críticos; medidas de radiação, tais como seções de choque estáticas e dinâmicas; e, carga de trabalho média entre falhas. Os resultados obtidos mostram que o fluxo proposto é um método apropriado para estimar tendências de confiabilidade de projeto de sistemas em APSoCs antes de experimentos com radiação. / The recent advance of the semiconductor industry has allowed the integration of complex components and systems’ architectures into a single silicon die. Nowadays, state-ofthe-art FPGAs include not only the programmable logic fabric but also hard-core parts, such as hard-core general-purpose processors, dedicated processing blocks, interfaces to various peripherals, on-chip bus structures, and analog blocks. These new devices are commonly called of All Programmable System-on-Chip (APSoC) devices. One of the major concerns about radiation effects on APSoCs is that radiation-induced errors may have different probability and criticality in their heterogeneous hardware parts at both device and design levels. For this reason, this work performs a deep investigation about the radiation effects on APSoCs and the correlation between hardware and software resources sensitivity in the overall system performance. Several static and dynamic experiments were performed on different hardware parts of an APSoC to better understand the trade-offs between reliability and performance of each part separately. Results show that there is a trade-off between design cross section and performance to be analyzed when developing a system on an APSoC. Therefore, today it is mandatory to take into account each design option available and all the parameters of the system involved, such as the execution time and the workload of the system, and not only its cross section. As an example, results show that it is possible to increase the performance of a system up to 5,000 times by changing its architecture with a small impact in cross section (increase up to 8 times), significantly increasing the operational reliability of the system. This work also proposes a reliability analysis flow based on fault injection for estimating the reliability trend of hardware-only designs, software-only designs, and hardware and software co-designs. It aims to accelerate the search for the design scheme with the best trade-off between performance and reliability among the possible ones. The methodology takes into account four groups of parameters, which are the following: area resources and performance; the number of output errors and critical bits; radiation measurements, such as static and dynamic cross sections; and, Mean Workload Between Failures. The obtained results show that the proposed flow is a suitable method for estimating the reliability trend of system designs on APSoCs before radiation experiments.

Litografia óptica é o processo pelo qual os padrões desenhados pelos projetistas de circuitos integrados são transferidos para o wafer através de ondas de luz. Com a miniaturização dos componentes, aumenta cada vez mais a discrepância entre os padrões projetados e o que é realmente impresso. Tal fato ocorre porque as dimensões dos padrões são menores do que o comprimento de onda utilizado para imprimi-los. Desta forma, é imprescindível que se saiba ou se tenha uma aproximação do que será impresso antes da fabricação dos circuitos para eliminar possíveis defeitos, através da utilização de técnicas de melhoramento de resolução. Essa aproximação é obtida através de simuladores de litografia óptica, que possuem o grande desafio de obter uma aproximação em um tempo viável. Sendo assim, neste trabalho apresentamos o problema de litografia óptica e seu embasamento matemático, bem como técnicas para implementar um simulador litográfico de forma eficiente. Tais técnicas foram utilizadas para o desenvolvimento do simulador Lithux. E, também apresentamos brevemente, técnicas de melhoramento de resolução, onde muitas utilizam simuladores de litografia para reproduzir sua eficiência. / Optical Lithography is the process whereby the patterns designed by the integrated circuit designers are transferred to the wafer by light waves. With the miniaturization of components, the gap between the projected patterns and what is actually printed is steadily increasing as the pattern dimensions are now smaller than the wavelength used to print them. Therefore, in this work we present the problem of optical lithography and its mathematical foundations, as well as techniques to efficiently implement a lithographic simulator. These techniques were used to develop the Lithux simulator. We also briefly present techniques for resolution enhancement, where many of them use lithographic simulators to simulate their efficiency. Thus, it is essential to know or to have an approximation of what will be printed before the circuit manufacturing to eliminate potential defects through the use of resolution enhancement techniques. This approximation is obtained by optical lithography simulators that have the challenge of getting this approximation in a practicable time.

Atualmente, a adição de uma nova função implementada em hardware em um processador não deve impor nenhuma mudança no conjunto de instruções (ISA – Instruction Set Architecture) suportado para atingir melhorias em seu desempenho. O objetivo é manter a compatibilidade retroativa e futura de programas já compilados. Todavia, este fato se torna, muitas vezes, um fator impeditivo para o aprimoramento ou desenvolvimento de uma nova arquitetura. Desta maneira, a utilização de mecanismos de Tradução Binária abre novas oportunidades aos projetistas, já que estes mecanismos permitem a execução de programas já compilados em arquiteturas que suportam conjuntos de instruções diferentes do previsto inicialmente. Assim, para eliminar o custo adicional apresentado por estes sistemas de tradução, será proposto um novo mecanismo de tradução binária dinâmico de dois níveis. Enquanto o primeiro nível é responsável pela tradução de facto das instruções do conjunto nativo para instruções de uma linguagem de máquina intermediária, o segundo nível otimiza estas instruções já traduzidas para serem executadas na arquitetura alvo. O sistema é totalmente flexível, pois pode suportar a tradução de conjuntos de instruções completamente diferentes; assim como a utilização de arquiteturas de hardware com as mais diversas características. Este trabalho apresenta o primeiro esforço nesta direção: um estudo de caso onde ocorre a tradução de código x86 para MIPS (linguagem intermediária), que será otimizado para ser executado em uma arquitetura que realiza reconfiguração dinâmica. Resta demonstrado que é possível manter a compatibilidade binária, com melhoria no desempenho em torno de 45% em média e consumo de energia semelhante ao da execução nativa. / In these days, every new added hardware feature must not change the underlying instruction set architecture (ISA), in order to avoid adaptation or recompilation of existing code. Therefore, Binary Translation (BT) opens new possibilities for designers, previously tied to a specific ISA and all its legacy hardware issues, since it allows the execution of already compiled applications on different architectures. To overcome the BT inherent performance penalty, we propose a new mechanism based on a dynamic two-level binary translation system. While the first level is responsible for the BT de facto to an intermediate machine language, the second level optimizes the already translated instructions to be executed on the target architecture. The system is totally flexible, supporting the porting of radically different ISAs and the employment of different target architectures. This work presents the first effort towards this direction: it translates code implemented in the x86 ISA to MIPS assembly (the intermediate language), which will be optimized by the target architecture: a dynamically reconfigurable architecture. In this work is showed that is possible to maintain binary compatibility with performance improvements on average 45% and similar energy consumption when compared to native execution.

Tornar a verificação funcional mais eficiente, em termos de gasto de recursos de computação e tempo, é necessário para a contínua evolução dos sistemas digitais. A verificação funcional com geração de casos de teste aleatória ajustada por cobertura é uma das alternativas identificadas nos últimos anos para acelerar a execução de testbenches. Várias abordagens têm sido testadas com sucesso na verificação funcional de núcleos de hardware, no domínio de aplicação dos processadores de propósito geral, porém, influenciada por características específicas do domínio, dos modelos de cobertura e do espaço possível de casos de teste. Por outro lado, pouca atenção tem sido dispensada à verificação ajustada por cobertura em outros domínios de aplicação como nos de sistemas de comunicação e de sistemas multimídia. Estes casos são tratados no presente estudo, com os fatores específicos que influenciam os resultados dos testbenches com geração ajustada. Entre os fatores relevantes para isto, foram identificados o tamanho do espaço de casos de teste e a distribuição da ocorrência dos eventos de cobertura, sendo necessária para o desenvolvimento do presente trabalho, a realização de várias alterações na construção de testbenches com ajuste. A geração de casos de teste ajustada por cobertura é realizada a partir da realimentação da informação do estado da cobertura, para se determinar os casos de teste necessários para tornar o progresso da cobertura mais rápido. Esta realimentação depende da criação, por aprendizado automático, de modelos que relacionem os casos de teste com as ocorrências dos eventos de cobertura. Com núcleos de hardware realistas e de grande porte, neste trabalho, foram aplicadas as técnicas de aprendizado de redes Bayesianas e data mining com árvores de classificação, já utilizados em outras pesquisas mais específicas. Estas técnicas se caracterizam por requerer processos de maximização local para seu funcionamento. Neste trabalho, foi avaliada também a adoção da técnica de Support Vector Machine (SVM), por se basear em um processo de maximização global. Os resultados demonstram que as técnicas de geração de casos de teste ajustadas por cobertura precisam ser adaptadas às características do domínio de aplicação, para conseguir acelerar a execução dos testbenches. / Making functional verification more efficient in terms of computational and time resources is mandatory in order to maintain the evolution of digital systems. Coverage driven verification is one of the recently used alternatives for speeding up the execution of testbenches. Many approaches have been successfully applied to the functional verification of cores in the application domain of general purpose processors, however, being influenced by the specific coverage and testcase dimensionality characteristics of this domain. Furthermore, little attention has been given to the use of coverage driven verification in other domains, such as communication systems and multimedia systems. These domains have been considered in the present study, together with the specific factors that have influenced the coverage driven testbench results. Among these factors, one has identified the size of the testcase space and the distribution of the coverage events; making it necessary to the development of this work, several changes regarding the construction of the coverage driven testbenches. Coverage driven testecase generation is performed by feedbacking the coverage status information and selecting those testcases that lead to the improvement of the coverage progression rate. This feedback depends on the construction of a model, by automatic learning, which relates testcases and the observations of coverage events. During this work, realistic large IP cores were verified with the following coverage driven techniques: Bayesian networks and classification tree data mining. These techniques, previously used in specific research works, adopt local optimization in their processing. In the present work, coverage driven verification with support vector machine learning, is tested due to the fact that this technique is based in a global optimization process. Results of this work have shown the need of adaptation of the coverage driven verification to the application domain characteristics, in order to obtain meaningful acceleration in testbench execution.

É apresentado um amplificador de potência (PA) com controle digital da potência de saída, operando na banda S de frequência (2,2 GHz). Este PA utiliza um transformador de entrada para reduzir as flutuações dos sinais de terra. Um estágio de excitação oferece uma impedância apropriada para a fonte de entrada e ganho para o próximo estágio. O estágio de controle é usado para melhorar a eficiência do PA, composto por quatro ramos paralelos de chaves, onde os estados (ligado ou desligado) são separadamente ativados por uma palavra de controle de 4 bits. O estágio de saída implementa um amplificador classe E, usando uma topologia cascode para minimizar o estresse de tensão sobre os transistores, permitindo sua utilização sob tensão de alimentação de 3,3 V para se atingir uma potência de saída máxima em torno de 1 W, em um processo CMOS 130 nm, cuja tensão típica de alimentação é 1,2 V. O PA proposto foi projetado em uma tecnologia CMOS 130 nm para RF, ocupa uma área de 1,900 x 0,875 mm2 e os resultados das simulações em leiaute extraído obtidos demonstram uma potência de saída máxima de 28,5 dBm (707 mW), com PAE (Power- Added Efficiency) correspondente de 49,7%, para uma tensão de alimentação de 3,3 V. O controle de 4 bits permite um ajuste dentro da faixa dinâmica da potência de saída entre 13,6 a 28,5 dBm (22,9 a 707 mW), divididos em 15 passos, com o PAE variando de 9,1% a 49,7%. O PA proposto permite redução do consumo de potência quando este não está transmitindo na potência máxima. A potência consumida atinge um mínimo de 0,21Wquando a potência de saída é de 13,6 dBm (22,9 mW) e um máximo de 1,4 W quando a potência de saída é de 28,5 dBm (707 mW), o que representa 1,19 W de economia, aumentando a vida da bateria. A linearidade obtida neste circuito mostrou-se suficiente para atender os requisitos da máscara de emissão de espúrios de um padrão de comunicação com envoltória constante largamente utilizado, apresentando desempenho adequado para atender as especificações dos sistemas de comunicações modernos. / A power amplifier with digital power control useful to S-Band (2.2 GHz) applications and with an output power around 1 W is presented. It uses an input transformer to reduce ground bounce effects. A tuned driver stage provides impedance matching to the input signal source and proper gain to the next stage. A control stage is used for efficiency improvement, composed by four parallel branches where the state (on or off) is separately activated by a 4-bit input. The class-E power stage uses a cascode topology to minimize the voltage stress over the power transistors, allowing higher supply voltages. The PA was designed in a 130 nm RF CMOS process and the layout has a total area of 1.900 x 0.875 mm2, post-layout simulations resulted a peak output power of 28.5 dBm with a maximum power added efficiency (PAE) around 49.7% under 3.3 V of supply voltage. The 4-bit control allows a total output power dynamic range adjustment of 14.9 dB, divided in 15 steps, with the PAE changing from 9.1% to 49.7%. The proposed PA allows reduce the power consumption when it isn’t transmitting at the maximum output power. Where the power consumption is only 0.21 W when the PA is at the minimum output power level of 13.6 dBm (22.9 mW), which is 1.19 W smaller than the power consumption at full mode (1.4 W), increasing the battery life. The linearity in this circuit meet the emission mask requirements for a widely used communication standard with constant envelope. Post-layout simulation results indicate an overall performance adequate to fulfill the specifications of modern wireless communication systems.

Para manter o desempenho a uma tensão de alimentação reduzida, a tensão de threshold e as dimensões dos transistores têm sido reduzidas por décadas. A miniaturização do transistor para tecnologias sub-100nm resulta em um expressivo incremento nas correntes de fuga, tornando-as parte significativa da potencia total, alcançando em muitos casos 30-50% de toda a potencia dissipada em condições normais de operação. Por estas condições, correntes estáticas em células CMOS representam um importante desafio em tecnologias nanométricas, tornando-se um fator crítico no design de circuitos de baixa potência. Isto significa que dissipação de potência estática deve ser considerada o quanto antes no fluxo de projetos de circuitos integrados. Esta tese revisa os principais mecanismos de fuga e algumas técnicas de redução. Também é apresentado um modelo de estimativa rápida da corrente de subthreshold em células lógicas CMOS série - paralelo. Este método é baseado em associações de condutividade elétrica série – paralelo de transistores. Ao combinar com o modelo de estimativa da corrente de fuga de gate baseada nas condições estáticas dos transistores é possível fornecer uma melhor predição da corrente de fuga total em redes de transistores. O modelo de estimativa anterior é rápido porem seu foco não esta na precisão. Um novo e preciso modelo para corrente de fuga de subthreshold e de gate é também apresentado baseado em modelos analíticos simplificados das correntes de fuga. Ao contrario do modelo anterior que era destinado a redes de transistores serie – paralelo, o novo método avalia as correntes de fuga em rede de transistores complexas. A presença de transistores conduzindo em redes de transistores não conduzindo, ignorados em trabalhos anteriores, é também avaliado no trabalho proposto. O novo modelo de corrente de fuga foi validado através de simulações elétricas, considerando processos CMOS 130nm e 90nm, com boa correlação dos resultados, demonstrando a precisão do modelo. / To maintain performance at reduced power supply voltage, transistor threshold voltages and dimensions have been scaled down for decades. Scaling transistor into the sub-100nm technologies has resulted in a dramatic increase in leakage currents, which have become a significant portion of the total power consumption in scaled technologies, in many case achieving 30-50% of the overall power consumption under nominal operating conditions. For this condition, standby currents in CMOS logic gates represent an important challenge in nanometer technologies, leakage dissipation being a critical factor in low-power design. It means the static power dissipation should be considered as soon as possible in the integrated circuit design flow. This thesis reviews the major leakage current mechanisms and several reduction techniques. It presents the development of a straightforward method for very fast estimation of subthreshold current in CMOS series-parallel logic gates. This estimation method is based on electrical conductivity association of series-parallel transistor arrangements. Combined with a gate oxide leakage model based on transistor bias condition, it is possible to provide a better prediction of total leakage consumption in transistor networks. The previous estimation method is fast but it is not focused on accuracy. A new accurate subthreshold and gate leakage current estimation method is also developed based on simplified analytical leakage currents models. Instead of previous works focused on series-parallel device arrangements, this method evaluates the leakage in general transistor networks. The presence of on-switches in off-networks, ignored by previous works, is also considered in the proposed static current analysis. The new leakage model has been validated through electrical simulations, taking into account a 130nm and 90nm CMOS technology, with good correlation of the results, demonstrating the model accuracy.