Field-programmable gate arrays (FPGAs) have the potential to address scaling challenges in CMOS technology because of their regular structures and the flexibility they possess by being re-configurable after fabrication. One of the potential approaches in attacking scaling challenges, such as negative-bias temperature instability (NBTI) and process variation (PV), is by using placement techniques that are aware of these problems. Such techniques aim at placing a circuit in an FPGA such that the critical path delay is improved compared to the expected worst case. This can be achieved by placing NBTI-critical blocks of a circuit in areas with fast transistors in an FPGA chip. In this thesis, we present a detailed research effort that addresses the joint effect of NBTI and PV in FPGAs. We follow an experimental methodology in that we use actual PV data that we measure from 15 FPGA chips. The measured data is used to study the joint effect of NBTI and PV on the timing performance of circuits that are placed and routed in FPGAs. Enhancements are made to a well-known FPGA placement algorithm, T-VPlace, in order to make the placement process aware of the joint effect of NBTI and PV. Results are given for the placement and routing of Microelectronics Center of North Carolina (MCNC) benchmark circuits to show the effectiveness of the proposed techniques in addressing scaling challenges in FPGAs. / Thesis (Master, Electrical & Computer Engineering) -- Queen's University, 2009-09-24 17:23:29.626

Les problèmes majeurs de la génération automatique du dessin des masques des circuits intégrés sont la dépendance vis-à-vis des règles de dessin et le dimensionnement correct des transistors. Les méthodes traditionnelles, telles que l'utilisation de cellules pré-caractérisées, manquent de flexibilité, car les portes des bibliothèques (en nombre limité) sont dessinées et dimensionnées (independarnment de l'application) pour une technologie donnée. Les méthodes de synthèse automatique du dessin des masques ont pour but de surmonter ces problèmes. Les techniques les plus couramment utilisées sont le "gate-matrix" et le "linear-matrix". L'indépendance vis-à-vis des règles de dessin est obtenue en utilisant la technique de description symbolique (dessin sous une grille unitaire), et les dimensions des transistors sont définies par le concepteur ou par un outil de dimensionnement. Nous proposons une méthode et un prototype logiciel pour la synthèse automatique des masques, en utilisant le style "linear-matrix multi-bander". La description d'entree du générateur est un fichier format SPICE (au niveau transistor), ce qui permet d'avoir un nombre très élevé de cellules, en particulier les portes complexes (A01), et ainsi avoir une meilleure optimisation lors de la phase d'assignation technologique. Les macro-cellules générées doivent être assemblées afin de réaliser un circuit complet. Deux contraintes supplémentaires sont ainsi imposées au générateur: malléabilité de la forme et position des broches d'entrées/sorties sur la périphérie de la macro-cellule. Les macro-cellules sont assemblées en utilisant un environnement de conception industriel. Les contributions de ce mémoire de doctorat sont d'une part le développement d'un générateur de macro-cellules flexible ayant les caracteristiques d'indépendance aux règles de dessin et d'intégration dans un environnement de macro-cellules, et d'autre part l'étude detailée des paramètres qui déterminent la surface occupée, les performances électriques et la puissance dissipée des macro-cellules générées automatiquement. / The main problems of the automatic layout synthesis are the design rules dependence and the transistor sizing. The traditional layout synthesis methods, like standard-cells, are not flexible, since the cells in the libraries are designed and sized for a specific technology. In this way, the designer must change his library at each technology improvement. The automatic layout synthesis methods overcomes these problems (design rules dependence and transistor sizing). Examples of layout styles are gate-matrix and linear-matrix. The technology independence is achieved by symbolic description (layout under an unitary grid), and the transistor sizes are defined by the designer or by a sizing tool. From these two constraints, we develop an automatic layout synthesis tool, using a linear-matrix multi-row layout style. The input description for our tool is a Spice file. This descriptions allows to define a greater number of cells (mainly AOIs gates), resulting a technology mapping with less constraints. The generated macro-cells must be assembled in order to construct a complete circuit. Two additional constraints are then imposed to the generator : variable aspect ratio and placement of the inputs/outputs pins in the macro-cell border. The macro-cells are assembled by an industrial CAD environment. The main contributions of this thesis are the development of a macro-cell generator (with the characteristics of technology independence and easy integration in a macro-cell environment) and the analysis of the parameters playing a role in the area, delay and power consumption.

Les problèmes majeurs de la génération automatique du dessin des masques des circuits intégrés sont la dépendance vis-à-vis des règles de dessin et le dimensionnement correct des transistors. Les méthodes traditionnelles, telles que l'utilisation de cellules pré-caractérisées, manquent de flexibilité, car les portes des bibliothèques (en nombre limité) sont dessinées et dimensionnées (independarnment de l'application) pour une technologie donnée. Les méthodes de synthèse automatique du dessin des masques ont pour but de surmonter ces problèmes. Les techniques les plus couramment utilisées sont le "gate-matrix" et le "linear-matrix". L'indépendance vis-à-vis des règles de dessin est obtenue en utilisant la technique de description symbolique (dessin sous une grille unitaire), et les dimensions des transistors sont définies par le concepteur ou par un outil de dimensionnement. Nous proposons une méthode et un prototype logiciel pour la synthèse automatique des masques, en utilisant le style "linear-matrix multi-bander". La description d'entree du générateur est un fichier format SPICE (au niveau transistor), ce qui permet d'avoir un nombre très élevé de cellules, en particulier les portes complexes (A01), et ainsi avoir une meilleure optimisation lors de la phase d'assignation technologique. Les macro-cellules générées doivent être assemblées afin de réaliser un circuit complet. Deux contraintes supplémentaires sont ainsi imposées au générateur: malléabilité de la forme et position des broches d'entrées/sorties sur la périphérie de la macro-cellule. Les macro-cellules sont assemblées en utilisant un environnement de conception industriel. Les contributions de ce mémoire de doctorat sont d'une part le développement d'un générateur de macro-cellules flexible ayant les caracteristiques d'indépendance aux règles de dessin et d'intégration dans un environnement de macro-cellules, et d'autre part l'étude detailée des paramètres qui déterminent la surface occupée, les performances électriques et la puissance dissipée des macro-cellules générées automatiquement. / The main problems of the automatic layout synthesis are the design rules dependence and the transistor sizing. The traditional layout synthesis methods, like standard-cells, are not flexible, since the cells in the libraries are designed and sized for a specific technology. In this way, the designer must change his library at each technology improvement. The automatic layout synthesis methods overcomes these problems (design rules dependence and transistor sizing). Examples of layout styles are gate-matrix and linear-matrix. The technology independence is achieved by symbolic description (layout under an unitary grid), and the transistor sizes are defined by the designer or by a sizing tool. From these two constraints, we develop an automatic layout synthesis tool, using a linear-matrix multi-row layout style. The input description for our tool is a Spice file. This descriptions allows to define a greater number of cells (mainly AOIs gates), resulting a technology mapping with less constraints. The generated macro-cells must be assembled in order to construct a complete circuit. Two additional constraints are then imposed to the generator : variable aspect ratio and placement of the inputs/outputs pins in the macro-cell border. The macro-cells are assembled by an industrial CAD environment. The main contributions of this thesis are the development of a macro-cell generator (with the characteristics of technology independence and easy integration in a macro-cell environment) and the analysis of the parameters playing a role in the area, delay and power consumption.

Les problèmes majeurs de la génération automatique du dessin des masques des circuits intégrés sont la dépendance vis-à-vis des règles de dessin et le dimensionnement correct des transistors. Les méthodes traditionnelles, telles que l'utilisation de cellules pré-caractérisées, manquent de flexibilité, car les portes des bibliothèques (en nombre limité) sont dessinées et dimensionnées (independarnment de l'application) pour une technologie donnée. Les méthodes de synthèse automatique du dessin des masques ont pour but de surmonter ces problèmes. Les techniques les plus couramment utilisées sont le "gate-matrix" et le "linear-matrix". L'indépendance vis-à-vis des règles de dessin est obtenue en utilisant la technique de description symbolique (dessin sous une grille unitaire), et les dimensions des transistors sont définies par le concepteur ou par un outil de dimensionnement. Nous proposons une méthode et un prototype logiciel pour la synthèse automatique des masques, en utilisant le style "linear-matrix multi-bander". La description d'entree du générateur est un fichier format SPICE (au niveau transistor), ce qui permet d'avoir un nombre très élevé de cellules, en particulier les portes complexes (A01), et ainsi avoir une meilleure optimisation lors de la phase d'assignation technologique. Les macro-cellules générées doivent être assemblées afin de réaliser un circuit complet. Deux contraintes supplémentaires sont ainsi imposées au générateur: malléabilité de la forme et position des broches d'entrées/sorties sur la périphérie de la macro-cellule. Les macro-cellules sont assemblées en utilisant un environnement de conception industriel. Les contributions de ce mémoire de doctorat sont d'une part le développement d'un générateur de macro-cellules flexible ayant les caracteristiques d'indépendance aux règles de dessin et d'intégration dans un environnement de macro-cellules, et d'autre part l'étude detailée des paramètres qui déterminent la surface occupée, les performances électriques et la puissance dissipée des macro-cellules générées automatiquement. / The main problems of the automatic layout synthesis are the design rules dependence and the transistor sizing. The traditional layout synthesis methods, like standard-cells, are not flexible, since the cells in the libraries are designed and sized for a specific technology. In this way, the designer must change his library at each technology improvement. The automatic layout synthesis methods overcomes these problems (design rules dependence and transistor sizing). Examples of layout styles are gate-matrix and linear-matrix. The technology independence is achieved by symbolic description (layout under an unitary grid), and the transistor sizes are defined by the designer or by a sizing tool. From these two constraints, we develop an automatic layout synthesis tool, using a linear-matrix multi-row layout style. The input description for our tool is a Spice file. This descriptions allows to define a greater number of cells (mainly AOIs gates), resulting a technology mapping with less constraints. The generated macro-cells must be assembled in order to construct a complete circuit. Two additional constraints are then imposed to the generator : variable aspect ratio and placement of the inputs/outputs pins in the macro-cell border. The macro-cells are assembled by an industrial CAD environment. The main contributions of this thesis are the development of a macro-cell generator (with the characteristics of technology independence and easy integration in a macro-cell environment) and the analysis of the parameters playing a role in the area, delay and power consumption.