L'avènement des puces multicoeurs repose certaines questions quant aux moyens d'écrire les programmes, qui doivent alors intégrer un degré élevé de parallélisme. Nous abordons cette question par l'intermédiaire de deux points de vue orthogonaux. Premièrement via le paradigme du vol de travail, pour lequel nous effectuons une étude visant d'une part à rechercher quelles sont les caractéristiques architecturales simples donnant les meilleures performances pour une implémentation de ce paradigme ; et d'autre part à montrer que le surcout par rapport à une parallélisation statique est faible tout en permettant des gains en performances grâce à l'équilibrage dynamique des charges. Cette question est néanmoins surtout abordée via le paradigme de programmation à base de transactions -- ensemble d'instructions s'exécutant de manière atomique du point de vue des autres coeurs. Supporter cette abstraction nécessite l'implantation d'un système dit TM, souvent complexe, pouvant être logiciel ou matériel. L'étude porte premièrement sur la comparaison de systèmes TM matériels basés sur des choix architecturaux différents (protocole de cohérence de cache), puis sur l'impact d'un point de vue performances de plusieurs politiques de résolution des conflits, autrement dit des actions à prendre quand deux transactions essaient d'accéder simultanément les mêmes données.

Les systèmes embarqués sur puce modernes intègrent des milliards de transistors et des composants intégrés hétérogènes pour fournir toutes les fonctionnalités requises par les applications courantes. La solution support de la communication dans ce cadre s'appuie sur la notion de réseau sur puce (NoC pour network on chip). Les principaux objectifs de la conception d'un NoC sont d'obtenir des performances élevées, pour un coût d'implémentation (notamment en surface et en consommation électrique) le plus faible possible. Ainsi, le concepteur de NoC doit tenir compte de l'impact des paramètres du NoC sur le compromis entre les performances du réseau et la taille de silicium requis pour son implémentation. L'utilisation de la technologie submicronique profonde amène des phénomènes de variabilité et de vieillissement qui causes des événements singuliers uniques (SEU pour Single Event Upset). Un SEU provoque le changement d'état d'un bit qui provoque l'échec de la transmission d'une donnée dans un NoC. La mise en œuvre de routage supportant la tolérance aux fautes est donc nécessaire. Dans cette thèse, nous proposons dans un premier temps, une évaluation de l'impact des paramètres de conception des NoC sur ses performances. Le résultat permet de guider le concepteur dans ses choix et le réglage des paramètres du réseau permettant d'éviter la dégradation de ses performances. Deuxièmement, nous avons proposé de nouveaux algorithmes de routage adaptatifs tolérants aux pannes pour un réseaux maillé 2D appelé Gradient et pour un réseaux maillé 3D appelé Diagonal. Ces algorithmes s'adaptent et proposent des séquences de chemins alternatifs pour les paquets lorsque le chemin principal est fautif. Nous avons ainsi évalué le coût d'implémentation de Gradient sur un FPGA actuel. Tous ces travaux ont été validés et caractérisée par simulation et mis en œuvre en FPGA. Les résultats fournissent la comparaison des performances de nos algorithmes avec les algorithmes de l'état de l'art. / Chips will be designed with billions of transistors and heterogeneous components integrated to provide full functionality of a current application for embedded system. These applications also require highly parallel and flexible communicating architecture through a regular interconnection network. The emerging solution that can fulfill this requirement is Network-on-Chips (NoCs). Designing an ideal NoC with high throughput, low latency, minimum using resources, minimum power consumption and small area size are very time consuming. Each application required different levels of QoS such as minimum level throughput delay and jitter. In this thesis, firstly, we proposed an evaluation of the impact of design parameters on performance of NoC. We evaluate the impact of NoC design parameters on the performances of an adaptive NoCs. The objective is to evaluate how big the impact of upgrading the value on performances. The result shows the accuracy of choosing and adjusting the network parameters can avoid performance degradation. It can be considered as the control mechanism in an adaptive NoC to avoid the degradation of QoS NoC. The use of deep sub-micron technology in embedded system and its variability process cause Single Event Upsets (SEU) and ''aging'' the circuit. SEU and aging of circuit is the major problem that cause the failure on transmitting the packet in a NoC. Implementing fault-tolerant routing techniques in NoC switching instead of adding virtual channel is the best solution to avoid the fault in NoC. Communication performance of a NoC is depends heavily on the routing algorithm. An adaptive routing algorithm such as fault-tolerant has been proposed for deadlock avoidance and load balancing. This thesis proposed a novel adaptive fault-tolerant routing algorithm for 2D mesh called Gradient and for 3D mesh called Diagonal. Both algorithms consider sequences of alternative paths for packets when the main path fails. The proposed algorithm tolerates faults in worst condition traffic in NoCs. The number of hops, the number of alternative paths, latency and throughput in faulty network are determined and compared with other 2D mesh routing algorithms. Finally, we implemented Gradient routing algorithm into FPGA. All these work were validated and characterized through simulation and implemented into FPGA. The results provide the comparison performance between proposed method with existing related method using some scenarios.

La reconfiguration dynamique partielle permet de placer dynamiquement les tâches d'une application dans des zones reconfigurables d'un FPGA. Cependant, la gestion dynamique des tâches impacte les communications du fait que les tâches ne sont pas toujours allouées au même endroit dans le FPGA. Ainsi, l'architecture d'interconnexions doit supporter une grande flexibilité et un large éventail de qualité de service (bande passante ou latence garantie). Dans cette thèse, plusieurs architectures d'interconnexion ont été étudiées et évaluées en fonction de leur compatibilité avec un système reconfigurable dynamiquement implémenté sur FPGA. Cette étude a conduit à proposer le réseau DRAFT qui supporte pleinement ce concept. Ce réseau utilise certaines spécificités des systèmes reconfigurables dynamiquement actuels pour réduire sa consommation de ressources. De plus, si certaines contraintes sont vérifiées, les performances ne sont pas affectées par l'allocation dynamique des tâches. Un générateur de réseaux, DRAGOON, est aussi présenté afin d'implémenter et de simuler le réseau DRAFT. Suivant la réalisation et la caractérisation du réseau DRAFT qui a été comparé à deux réseaux très populaires, son intégration au sein d'un système a été étudiée. C'est ainsi qu'une interface standard a été développée afin de faciliter l'interconnexion d'éléments tels que des processeurs. Etant donné le degré de complexité des parties matérielles d'un système reconfigurable, un OS est souvent utilisé pour en permettre l'abstraction. Ainsi, un service de communication permettant de réaliser des échanges entre les différents éléments d'un système tout en ayant une abstraction totale du réseau DRAFT a été conçu matériellement. Considérant les différentes contraintes liées à l'utilisation de DRAFT, le réseau OCEAN a été proposé. Ce réseau permet une simplification de l'interconnexion des éléments d'un système avec une très grande souplesse d'utilisation. Ce réseau est pour cela basé sur deux sous- réseaux, l'un étant dédié au transport des données tandis que l'autre en assure le contrôle. Le réseau OCEAN repose sur des chemins de communication créés dynamiquement en fonctions des besoins. Ce réseau dynamique vise plutôt une cible ASIC. L'ensemble des réseaux proposés ont été validés et caractérisés au travers d'expériences et d'implantations sur FPGA. Les résultats montrent une adéquation avec les besoins actuels, et le support efficace de la dynamicité des applications complexes. Le réseau OCEAN propose même une évolution pour de futures architectures dynamique.

La Radio Logicielle (SDR) est une radio dont les transformations de la forme d'onde, modulation, démodulation des signaux d'un système radio sont mises en œuvre par du logiciel plutôt que par du matériel à fonctionnalité spécifique. Avec cette approche, l'adaptation du système à une autre norme de communication, ou même l'évolution vers une technologie plus récente peuvent être réalisés par mise à jour du logiciel sans remplacement du matériel qui serait long et coûteux. L'architecture de communication logicielle (Software Communication Architecture, SCA), est une architecture ouverte largement acceptée pour les projets de SDR. La spécification SCA minimise le coût de portage des applications en fournissant une couche d'abstraction qui rend transparentes les méthodes spécifiques de chaque système. Dans cette thèse, on s'intéresse au développement et à la programmation d'une plateforme SDR conforme à SCA.Les nouvelles plateformes de SDR sont en général implémentées sur des plateformes multiprocesseurs système sur puce (MPSoC) exploitant ses importantes ressources de calculs avec une bonne efficacité énergique. Les possibilités d'un rapide développement, déploiement et vérification des logiciels embarqués parallèles sur ces nouvelles plateformes MPSoC sont autant de points clés pour satisfaire les objectifs de performance tout en respectant les délais de mise à disposition sur le marché et le coût de développement.On a proposé un flot de conception pour la SDR avec l'exploration architecturale systématique et l'optimisation multi-objective utilisant le modèle de programmation hybride (distribué client/serveur + parallèle).On a étudié aussi la synthèse de topologie de réseau-sur-puce (PSTRP) qui est une partie du flot de conception. Le problème de la synthèse de la topologie du réseau-sur-puce peut se modéliser sous forme de programme linéaire en nombres entiers. Les résultats montrent que les contraintes d'implémentation, comme la hiérarchie du réseau sur puce, doivent être prises en compte pour obtenir un résultat à la fois mathématiquement optimisé et électroniquement réalisable.

Un équipement portable moderne intègre plusieurs capteurs d'image qui peuvent être de différents types. On peut citer en guise d'exemple un capteur couleur, un capteur infrarouge ou un capteur basse lumière. Cet équipement doit alors supporter différentes sources qui peuvent être hétérogènes en terme de résolution, de granularité de pixels et de fréquence d'émission des images. Cette tendance à multiplier les capteurs, est motivée par des besoins applicatifs dans un but de complémentarité en sensibilité (fusion des images), en position (panoramique) ou en champ de vision. Le système doit par conséquent être capable de supporter des applications de plus en plus complexes et variées, nécessitant d'utiliser une seule ou plusieurs sources d'image. Du fait de cette variété de fonctionnalités embarquées, le système électronique doit pouvoir s'adapter constamment pour garantir des performances en terme de latence et de temps de traitement en fonction des applications, tout en respectant des contraintes d'encombrement.% Même si depuis de nombreuses années, un grand nombre de solutions architecturales ont été proposées pour améliorer l'adaptabilité des unités de calcul, un problème majeur persiste au niveau du réseau d'interconnexion qui n'est pas suffisamment adaptable, en particulier pour le transfert des flux de pixels et l'accès aux données. Nous proposons dans cette thèse un nouveau réseau de communication sur puce (NoC) pour un SoC dédié à la vision. Ce réseau permet de gérer dynamiquement différents types de flux en parallèle en auto-adaptant le chemin de donnée entre les unités de calcul, afin d'exécuter de manière efficace différentes applications. La proposition d'une nouvelle structure de paquets de données, facilite les mécanismes d'adaptation du système grâce à la combinaison d'instructions et de données à traiter dans un même paquet. Nous proposons également un système de mémorisation de trames à adressage indirecte, capable de gérer dynamiquement plusieurs trames image de différentes sources d'image. Cet adressage indirect est réalisé par l'intermédiaire d'une couche d'abstraction matérielle qui se charge de traduire des requêtes de lecture et d'écriture, réalisées suivant des indicateurs de la trame requise (source de l'image, indice temporel et dernière opération effectuée). Afin de valider notre proposition, nous définissons une nouvelle architecture, appelée Multi Data Flow Ring (MDFR) basée sur notre réseau avec une topologie en anneau. Les performances de cette architecture, en temps et en surface, ont été évaluées dans le cadre d'une implémentation sur une cible FPGA

Un équipement portable moderne intègre plusieurs capteurs d'image qui peuvent être de différents types. On peut citer en guise d'exemple un capteur couleur, un capteur infrarouge ou un capteur basse lumière. Cet équipement doit alors supporter différentes sources qui peuvent être hétérogènes en terme de résolution, de granularité de pixels et de fréquence d'émission des images. Cette tendance à multiplier les capteurs, est motivée par des besoins applicatifs dans un but de complémentarité en sensibilité (fusion des images), en position (panoramique) ou en champ de vision. Le système doit par conséquent être capable de supporter des applications de plus en plus complexes et variées, nécessitant d'utiliser une seule ou plusieurs sources d'image. Du fait de cette variété de fonctionnalités embarquées, le système électronique doit pouvoir s'adapter constamment pour garantir des performances en terme de latence et de temps de traitement en fonction des applications, tout en respectant des contraintes d'encombrement.% Même si depuis de nombreuses années, un grand nombre de solutions architecturales ont été proposées pour améliorer l'adaptabilité des unités de calcul, un problème majeur persiste au niveau du réseau d'interconnexion qui n'est pas suffisamment adaptable, en particulier pour le transfert des flux de pixels et l'accès aux données. Nous proposons dans cette thèse un nouveau réseau de communication sur puce (NoC) pour un SoC dédié à la vision. Ce réseau permet de gérer dynamiquement différents types de flux en parallèle en auto-adaptant le chemin de donnée entre les unités de calcul, afin d'exécuter de manière efficace différentes applications. La proposition d'une nouvelle structure de paquets de données, facilite les mécanismes d'adaptation du système grâce à la combinaison d'instructions et de données à traiter dans un même paquet. Nous proposons également un système de mémorisation de trames à adressage indirecte, capable de gérer dynamiquement plusieurs trames image de différentes sources d'image. Cet adressage indirect est réalisé par l'intermédiaire d'une couche d'abstraction matérielle qui se charge de traduire des requêtes de lecture et d'écriture, réalisées suivant des indicateurs de la trame requise (source de l'image, indice temporel et dernière opération effectuée). Afin de valider notre proposition, nous définissons une nouvelle architecture, appelée Multi Data Flow Ring (MDFR) basée sur notre réseau avec une topologie en anneau. Les performances de cette architecture, en temps et en surface, ont été évaluées dans le cadre d'une implémentation sur une cible FPGA / Modern portable vision systems include several types of image sensors such as colour, low-light or infrared sensor. Such system has to support heterogeneous image sources with different spatial resolutions, pixel granularities and working frequencies. This trend to multiply sensors is motivated by needs to complete sensor sensibilities with image fusion processing techniques, or sensor positions in the system. Moreover, portable vision systems implement image applications which require several images sources with a growing computing complexity. To face those challenges in integrating such a variety of functionalities, the embedded electronic computing system has to adapt permanently to preserve application timing performance in latency and processing, and to respect area and low-power constraints. In this thesis, we propose a new Network-On-Chip (NoC) adapted for a System-On-Chip (SoC) dedicated to image applications. This NoC can manage several pixel streams in parallel by adapting dynamically the datapatah between processing elements and memories. The new header packet structure enables adaptation mechanisms in routers by combining instructions and data in a same packet. To manage efficiently the frames storage required for an application, we propose a frame buffer system with an indirect frame addressing, which is able to manage several frames from different sensors. It features a hardware abstraction layer which is in charge to collect reading and writing requests, according to specific frame indicators such as the image source ID. The NoC has been validated in a complete processing architecture called Multi Data Flow Ring (MDFR) with a ring topology. The MDFR performances in time and area has been demonstrated for an FPGA target

L'augmentation continue de la puissance de calcul requise par les applications telles que la cryptographie, la simulation, ou le traitement du signal a fait évoluer la structure interne des processeurs vers des architectures massivement parallèles (dites « many-core »). Ces architectures peuvent contenir des centaines, voire des milliers de cœurs afin de fournir une puissance de calcul importante avec une consommation énergétique raisonnable. Néanmoins, l'importante densité de transistors fait que ces architectures sont très susceptibles aux pannes matérielles. L'augmentation dans la variabilité du processus de fabrication, et dans les facteurs de stress des transistors, dégrade à la fois le rendement de fabrication, et leur durée de vie. Nous proposons donc un mécanisme complet de tolérance aux pannes franches, permettant les architectures « many-core » à mémoire partagée cohérente de fonctionner dans un mode dégradé. Ce mécanisme s'appuie sur un logiciel embarqué et distribué dans des mémoires sur puce (« firmware »), qui est exécuté par les cœurs à chaque démarrage du processeur. Ce logiciel implémente plusieurs algorithmes distribués permettant de localiser les composants défaillants (cœurs, bancs mémoires, et routeurs des réseaux sur puce), de reconfigurer l'architecture matérielle, et de fournir une cartographie de l'infrastructure matérielle fonctionnelle au système d'exploitation. Le mécanisme supporte aussi bien des défauts de fabrication, que des pannes de vieillissement après que la puce est en service dans l'équipement. Notre proposition est évaluée en utilisant un prototype virtuel précis au cycle d'une architecture « many-core » existante. / The always increasing performance demands of applications such as cryptography, scientific simulation, network packets dispatching, signal processing or even general-purpose computing has made of many-core architectures a necessary trend in the processor design. These architectures can have hundreds or thousands of processor cores, so as to provide important computational throughputs with a reasonable power consumption. However, their important transistor density makes many-core architectures more prone to hardware failures. There is an augmentation in the fabrication process variability, and in the stress factors of transistors, which impacts both the manufacturing yield and lifetime. A potential solution to this problem is the introduction of fault-tolerance mechanisms allowing the processor to function in a degraded mode despite the presence of defective internal components. We propose a complete in-the-field reconfiguration-based permanent failure recovery mechanism for shared-memory many-core processors. This mechanism is based on a firmware (stored in distributed on-chip read-only memories) executed at each hardware reset by the internal processor cores without any external intervention. It consists in distributed software procedures, which locate the faulty components (cores, memory banks, and network-on-chip routers), reconfigure the hardware architecture, and provide a description of the functional hardware infrastructure to the operating system. Our proposal is evaluated using a cycle-accurate SystemC virtual prototype of an existing many-core architecture. We evaluate both its latency, and its silicon cost.

Cette thèse présente l'approche multi-compartiment, qui autorise un co-hébergement sécurisé et flexible de plusieurs piles logicielles autonomes au sein d'un même système multiprocesseur intégré sur puce. Dans le marché des appareils orientés multimédia, ces piles logicielles autonomes représentent généralement les intérêts des différentes parties prenantes. Ces parties prenantes sont multiples (fabricants, fournisseurs d'accès, fournisseurs de contenu, utilisateurs, etc.) et ne se font pas forcément confiance entre elles, d'où la nécessité de trouver une manière de les exécuter ensemble mais avec une certaine garantie d'isolation. Les puces multimédia étant matériellement fortement hétérogènes -- peu de processeurs généralistes sont assistés par une multitude de processeurs ou coprocesseurs spécialisés -- et à mémoire partagée, il est difficile voire impossible de résoudre cette problématique uniquement avec les récentes techniques de co-hébergement (virtualisation). L'approche multi-compartiment consiste en un nouveau modèle de confiance, plus flexible et générique que l'existant, qui permet à des piles logicielles variées de s'exécuter simultanément et de façon sécurisée sur des plateformes matérielles hétérogènes. Le cœur de l'approche est notamment composé d'un mécanisme global de protection, responsable du partage sécurisé de l'unique espace d'adressage et logiquement placé dans le réseau d'interconnexion afin de garantir le meilleur contrôle. Cette approche présente également des solutions pour le partage des périphériques, notamment des périphériques ayant une capacité DMA, entre ces piles logicielles. Enfin, l'approche propose des solutions pour le problème de redirection des interruptions matérielles, un aspect collatéral au partage des périphériques. Les principaux composants des solutions matérielles et logicielles proposées sont mis en œuvre lors de la conception d'une plateforme d'expérimentation, sous la forme d'un prototype virtuel. Outre la validation de l'approche, cette plateforme permet d'en mesurer le coût, en termes de performance et de surface de silicium. Concernant ces deux aspects, les résultats obtenus montrent que le coût est négligeable.

Avec l’augmentation du nombre de cœurs, les problèmes de congestion sont commencé avec les interconnexions conventionnelles. Afin de remédier à ces défis, WiNoCoD projet (Wired RF Network-on-Chip Reconfigurable-on-Demand) a été initié par le financement de l’Agence Nationale de Recherche (ANR). Ce travail de thèse contribue à WiNoCoD projet. Une structure de contrôleur de RF est proposé pour l’interconnexion OFDMA de WiNoCoD et plusieurs algorithmes d’allocation de bande passante efficaces (distribués et centralisés) sont développés, concernant les demandes et contraintes très spécifiques de l’environnement sur-puce. Un protocole innovante pour l’arbitrage des sous-porteuses pour des longueurs bimodales de paquets sur-puce, qui ne nécessite aucun signalisation supplémentaire est introduit. Utilisation des ordres de modulation élevés avec plus grande consommation d’énergie est évaluée. / With rapidly increasing number of cores on a single chip, scalability problems have arised due to congestion and latency with conventional interconnects. In order to address these issues, WiNoCoD project (Wired RF Network-on-Chip Reconfigurable-on-Demand) has been initiated by the support of French National Research Agency (ANR). This thesis work contributes to WiNoCoD project. A special RF controller structure has been proposed for the OFDMA based wired RF interconnect of WiNoCoD. Based on this architecture, effective bandwidth allocation algorithms have been presented, concerning very specific requirements and constraints of on-chip environment. An innovative subcarrier allocation protocol for bimodal packet lengths of cache coherency traffic has been presented, which is proven to decrease average latency significantly. In addition to these, effective modulation order selection policies for this interconnect have been introduced, which seeks the optimal delay-power trade-off.

Ces dernières années, les fournisseurs de cloud et les centres de données ont intégrés les FPGA dans leur environnement à des fins d'accélération. Cela est dû au fait que les accélérateurs à base de FPGA sont connus pour leur faible puissance et leurs bonnes performances par watt. En outre, l'introduction de la capacité de reconfiguration partielle dynamique (DPR) de certains FPGA incite les chercheurs de l'industrie et des universitaires à proposer des services de cloud FPGA virtualisés baser sur DPR. Dans la plupart des travaux existants, l'interconnexion entre les vFPGA repose soit sur les réseaux BUS ou OpenFlow. Cependant le bus et OpenFlow ne sont pas des solutions optimales pour la virtualisation.Dans cette thèse, nous avons proposé un NoC évolutif à l'exécution pour les accélérateurs basés sur FPGA virtualisés dans un cloud computing. Les composants NoC s'adapteront dynamiquement aux nombres d'accélérateurs virtualisés actifs en ajoutant et en supprimant des sous-noC. Pour minimiser la complexité de la conception de l'architecture NoC à un niveau inférieur (implémentation HDL), nous avons proposé un langage de modélisation unifié de haut niveau (UML) basé sur une ingénierie dirigée par les modèles. Une approche basée sur UML / MARTE et IP-XACT est utilisée pour définir les composants de la topologie NoC de haut niveau et générer les fichiers HDL requis. Les résultats des expériences montrent que le NoC évolutif à l'exécution peut réduire la consommation d'énergie de 17%. La caractérisation NoC sur la modélisation de haut niveau basée sur MDE réduit également le temps de conception de 25%. / In the last few years, cloud providers and data centers have been integrating FPGAs in their environment for acceleration purpose. This is due to the fact that FPGA based accelerator are known for their lower power and good performance per watt. Moreover, the introduction of the ability for dynamic partial reconfiguration (DPR) of some FPGAs trigger researchers in both industry and academics to propose DPR based virtualized FPGA (vFPGA) cloud services. In most of the existing works, the interconnection between the vFPGAs relies either on BUS or OpenFlow networks. However, both the bus and OpenFlow are not virtualization-aware and optimal solutions. In this thesis, we have proposed a virtualization-aware dynamically scalable NoC for virtualized FPGA accelerators in cloud computing. The NoC components will adapt to the number of active virtualized accelerator dynamically by adding and removing sub-NoCs. To minimize the complexity of NoC architecture design at a low level (HDL implementation), we have proposed a Model-Driven Engineering (MDE) based high-level unified modeling language (UML). A UML/MARTE and IP-XACT based approach are used to define the NoC Topology components at a high-level and generate the required HDL files. Experiment results show that the dynamically scalable NoC can reduce the power consumption by 17%. The MDE based high-level modeling based NoC characterization also reduce the design time by 25%.