Cette thèse s'inscrit dans un contexte où chaque saut technologique, voit apparaitre des circuits intégrés produits de plus en plus tôt dans la phase de qualification et où la technologie de ces circuits intégrés se rapproche de plus en plus des limitations physiques de la matière. Malgré des contre-mesures technologiques, on se retrouve devant un taux de défaillance grandissant ce qui crée des conditions favorables au retour des techniques de tolérance aux fautes sur les circuits intégrés non critiques.La densité d'intégration atteinte aujourd'hui nous permet de considérer les réseaux reconfigurables de processeur comme des architectures SoC d'avenir. En effet, l'homogénéité de ces architectures laisse entrevoir des reconfigurations possibles de la plateforme qui permettraient d'assurer une qualité de service et donc une fiabilité minimum en présence de défauts. Ainsi, de nouvelles solutions de protection doivent être proposées pour garantir le bon fonctionnement des circuits non plus uniquement au niveau de quelques sous-fonctionnalités critiques mais au niveau architecture système lui-même.En s'appuyant sur ces prérogatives, nous présentons une méthode de protection distribuée et dynamique innovatrice, D-Scale. La méthode consiste à détecter, isoler et recouvrir les systèmes en présence d'erreurs de type « crash ». La détection des erreurs qui ont pour conséquence un « crash » de la plateforme est basée sur un mécanisme de messages de diagnostique échangés entre les unités de traitement. La phase de recouvrement est quant à elle basée sur un mécanisme permettant la reconfiguration de la plateforme de manière autonome. Une implémentation de cette protection matérielle et logicielle est proposée. Le coût de protection est réduit afin d'être intégré dans de futures architectures multiprocesseurs. Finalement, un outil d'évaluation d'impacte des fautes sur la plateforme est aussi étudié afin de valider l'efficacité de la protection. / This thesis is placed in a context where, for each technology node, integrated circuits are design at an earlier stage in the qualification process and where the CMOS technology appears to be closer to the silicon physical limitations. Despite technological countermeasure, we face an increase in the failure rate which creates conditions in favor of the return of fault-tolerant techniques for non-critical integrated circuits.Nowadays, we have reached such an integration density that we can consider the reconfigurable processor array as future SoC architectures. Indeed, these homogenous architectures suggest possible platform reconfigurations that would ensure quality of service and consequently a minimum reliability in presence of defects. Thus, new protection solutions must be proposed to ensure circuit smooth operations not only for sub-critical functionalities but at the system architecture level itself.Based on these prerogatives, we present an innovative dynamical and distributed protection method, named D-Scale. This method consists in detecting, isolating and recovering the systems in the presence of error which lead to a "crash" of the platform. The crash error detection is based on heartbeat specific messages exchanged between PEs. The recovery phase is based on an autonomous mechanism which reconfigures the platform.A hardware/software implementation was proposed and evaluated. The protection cost is reduced in order to be integrated within future multi-processor SoC architectures. Finally, a fault effect analysis tool is studied in order to validate the fault-tolerant method robustness.

Les réseaux sur puce (NoC : Network on Chip) et les architectures GALS (Globalement Asynchrone – Localement Synchrone) sont deux nouveaux paradigmes de communication pour les systèmes sur puce (SoC : System on Chip). Ces paradigmes ont conduit à la création de réseaux sur puce asynchrones. Cependant, faute de méthodologies et d'outils de test adaptés, le test de production des réseaux sur puce asynchrones constitue un grand défi pour la mise sur le marché de ces systèmes. L'objectif de cette thèse est de proposer une nouvelle méthode de test pour les réseaux sur puce asynchrones. Afin de faciliter le test de l'infrastructure du réseau, nous avons tout d'abord proposé une architecture DfT (Design-for-Test) dans laquelle chaque routeur du réseau est entouré d'un wrapper de test asynchrone qui améliore sa contrôlabilité et son observabilité. Cette architecture DfT a été modélisée, implémentée en logique asynchrone QDI (Quasi-Delay Insensitive), et validée avec un réseau sur puce asynchrone ANOC développée au CEA-LETI. La génération des vecteurs de test a été alors faite en analysant les fonctionnalités et l'implémentation structurelle du routeur et de ses interconnexions. Ensuite, nous avons également introduit une stratégie pour tester un réseau complet. La méthode de test complète développée dans cette thèse permet une couverture de faute de 99,86% pour le réseau ANOC en utilisant un modèle de faute de collage simple.

Ce travail de thèse porte sur la conception de l'interconnexion entre les nombreux composants IP (Intellectual Property) d'un système électronique sur puce (SoC pour System on Chip).<br />Notre étude repose sur une solution émergente qui est celle des réseaux sur puce (NoC pour Network-on-chip), celle-ci est inspirée des réseaux de communication entre ordinateurs.<br />Un NoC offre de nombreuses possibilités et un large espace de conception. La maîtrise des choix des paramètres d'un NoC vis à vis des contraintes d'une application n'est pas triviale et nécessite de la méthode.<br />Cette thèse propose un flot de conception afin de déterminer ces paramètres automatiquement.<br />Le problème de l'horloge dans les circuits de grande taille, ainsi que l'aspect sécurité sont également traités.<br />Ce travail a conduit au développement de l'outil µSpider, qui est un environnement de conception composé d'outils de décisions et d'un générateur de code (VHDL synthétisable).<br />Ce travail a été validé avec des applications dans les domaines du traitement du signal, de l'image et des télécommunications.

Le domaine de l'electronique embarquee est une dimension essentielle des technologies de<br />l'information et de la communication. Le terme systemes enfouis désigne son intégration sous<br />forme de composants d'un système plus complexe issus des domaines de l'avionique, de l'automobile,<br />des objets mobiles communiquants, du multimedia etc. Leur realisation sous la forme<br />de systemes sur silicium (SOC) souligne la complexite et l'heterogeneité qui les caractérisent<br />desormais. La maitrise de la conception des SOC représente un enjeu économique majeur a la<br />hauteur de la place qu'ils occupent dans tous les secteurs d'activites (industriel, loisirs, domestique).<br />Les outils et méthodes pour la conception de SOC constituent un domaine de recherche<br />multi-formes dont le but global est de concevoir rapidement des systemes qui soient fiables,<br />performants et efficaces d'un point de vue energétique.<br />Ce document est une synthese de mes recherches effectues dans le domaine général des<br />outils et methodes de conception de SOC. Plus précisément, les travaux detailles ici traitent des<br />differents aspects d'un domaine unique a savoir l'exploration de l'espace de conception des SOC<br />eventuellement reconfigurables. Ces travaux de recherche s'articulent principalement autour de<br />six projets menes depuis la these de doctorat. Il s'agit de l'exploration de la hierarchie memoire,<br />du projet Design Trotter pour l'exploration des solutions architecturales de la specification<br />algorithmique jusqu'au niveau tache au sens temps réel. Dans le domaine de la gestion des<br />entrees/sortie les projets presentes traitent d'un exemple d'interface reseau / flux multimédia<br />et d'un environnement μSpider de synthese et de dimensionnement de Network On Chip. Enfin,<br />le document présente le projet en cours dans le domaine des architectures auto-reconfigurables.

Les systèmes parallèles de type multi/pluri-cœurs permettant d'obtenir une grande puissance de calcul à bas coût énergétique sont de nos jours une réalité. Néanmoins, l'exploitation des performances de ces architectures dépend de l'efficacité du système à gérer les accès aux données. Le but de nos travaux est d'améliorer l'efficacité de ces accès en exploitant les caractéristiques de l'architecture matérielle.Dans une première partie, nous proposons une nouvelle organisation de la hiérarchie des mémoires caches qui maximise l'utilisation de l'espace de stockage disponible à chaque niveau. Cette solution, basée sur les architectures à accès non uniforme au cache (NUCA), supporte les transferts inter et intra-niveau de la hiérarchie. Elle requiert un protocole de cohérence de cache qui s'adapte à ses spécifications.Certes, le transfert des données au niveau de la hiérarchie est aussi un déterminant de la performance du système. Dans une seconde partie, nous prenons en compte les besoins de communication spécifiques du protocole. Nous proposons un réseau virtualisé comme support de communication ad-hoc afin de gérer le trafic de cohérence à moindre coût. Ce dernier relie les caches d'un même niveau pour supporter les transferts intra-niveaux, qui sont une spécificité de notre protocole, en vue de réduire la latence moyenne d'accès. / Multi/many-cores parallel systems for high-power computing at low energy costs are nowadays a reality. However, exploiting the performance of these architectures depends on the efficiency of the system in managing data accesses. The aim of our work is to improve the efficiency of these accesses by exploiting the hardware architecture characteristics.In a first part, we propose a new cache hierarchy organization that aims at maximizing the use of the available storage space at each level. This solution, based on non-uniform cache access architectures (NUCA), supports inter and intra-level transfers of the hierarchy. It requires a cache coherency protocol that suits its specifications.Obviously, the transfer of data in the hierarchy is also a determinant of the system performance. In a second part, we consider the specific communication needs of the protocol. We suggest the use of a virtualized network as an ad-hoc communication medium to manage consistency traffic at a lower cost. It links the caches of the same level to support intra-level transfers, which are a specificity of our protocol, in order to reduce the average access latency.

Les architectures pluri-coeurs sont plus intéressantes pour concevoir des systèmes en temps réel que les systèmes multi-coeurs car il est possible de les maîtriser plus facilement et d’intégrer un plus grand nombre d’applications, potentiellement de différents niveau de criticité. Dans les systèmes temps réel embarqués, ces architectures peuvent être utilisées comme des éléments de traitement au sein d’un réseau fédérateur car ils fournissent un grand nombre d’interfaces Entrées/Sorties telles que les contrôleurs Ethernet et les interfaces de la mémoire DDR-SDRAM. Aussi, il est possible d’y allouer des applications ayant différents niveaux de criticités. Ces applications communiquent entre elles à travers le réseau sur puce (NoC) du pluri coeur et avec des capteurs et des actionneurs via l’interface Ethernet. Afin de garantir les contraintes temps réel de ces applications, les délais de transmission pire cas (WCTT) doivent être calculés pour les flux entre les coeurs ("inter-core") et les flux entre les coeurs et les interfaces entrées/sorties ("core-to-I/O"). Plusieurs réseaux sur puce (NoCs) ciblant les systèmes en temps réel dur ont été conçus en s’appuyant sur des extensions matérielles spécifiques. Cependant, aucune de ces extensions ne sont actuellement disponibles dans les architectures de réseaux sur puce commercialisés, qui se basent sur la commutation wormhole avec la stratégie d’arbitrage par tourniquet. En utilisant cette stratégie de commutation, différents types d’interférences peuvent se produire sur le réseau sur puce entre les flux. De plus, le placement de tâches des applications critiques et non critiques a un impact sur les contentions que peut subir les flux "core-to-I/O". Ces flux "core-to-I/O" parcourent deux réseaux de vitesses différentes: le NoC et Ethernet. Sur le NoC, la taille des paquets autorisés est beaucoup plus petite que la taille des trames Ethernet. Ainsi, lorsque la trame Ethernet est transmise sur le NoC, elle est divisée en plusieurs paquets. La trame sera supprimée de la mémoire tampon de l’interface Ethernet uniquement lorsque la totalité des données aura été transmise. Malheureusement, la congestion du NoC ajoute des délais supplémentaires à la transmission des paquets et la taille de la mémoire tampon de l’interface Ethernet est limitée. En conséquence, ce comportement peut aboutir au rejet des trames Ethernet. L’idée donc est de pouvoir analyser les délais de transmission pire cas sur les NoC et de réduire leurs délais afin d’éviter ce problème de rejet. Dans cette thèse, nous montrons que le pessimisme de méthodes existantes de calcul de WCTT et les stratégies de placements existantes conduisent à rejeter des trames Ethernet en raison d’une congestion interne sur le NoC. Des propriétés des réseaux utilisant la commutation "wormhole" ont été définies et validées afin de mieux prendre en compte les conflits entre les flux. Une stratégie de placement de tâches qui prend en compte les communications avec les I/O a été ensuite proposée. Cette stratégie vise à diminuer les contentions des flux qui proviennent de l’I/O et donc de réduire leurs WCTTs. Les résultats obtenus par la méthode de calcul définie au cours de cette thèse montrent que les valeurs du WCTT des flux peuvent être réduites jusqu’à 50% par rapport aux valeurs de WCTT obtenues par les méthodes de calcul existantes. En outre, les résultats expérimentaux sur des applications avioniques réelles montrent des améliorations significatives des délais de transmission des flux "core-to-I/O", jusqu’à 94%, sans impact significatif sur ceux des flux "intercore". Ces améliorations sont dues à la stratégie d’allocation définie qui place les applications de manière à réduire l’impact des flux non critiques sur les flux critiques. Ces réductions de WCTT des flux "core-to-I/O" évitent le rejet des trames Ethernet. / Many-core architectures are more promising hardware to design real-time systems than multi-core systems as they should enable an easier mastered integration of a higher number of applications, potentially of different level of criticalities. In embedded real-time systems, these architectures will be integrated within backbone Ethernet networks, as they mostly provide Ethernet controllers as Input/Output(I/O) interfaces. Thus, a number of applications of different level of criticalities could be allocated on the Network-on-Chip (NoC) and required to communicate with sensors and actuators. However, the worst-case behavior of NoC for both inter-core and core-to-I/O communications must be established. Several NoCs targeting hard real-time systems, made of specific hardware extensions, have been designed. However, none of these extensions are currently available in commercially available NoC-based many-core architectures, that instead rely on wormhole switching with round-robin arbitration. Using this switching strategy, interference patterns can occur between direct and indirect flows on many-cores. Besides, the mapping over the NoC of both critical and non-critical applications has an impact on the network contention these core-to-I/O communications exhibit. These core-to-I/O flows (coming from the Ethernet interface of the NoC) cross two networks of different speeds: NoC and Ethernet. On the NoC, the size of allowed packets is much smaller than the size of Ethernet frames. Thus, once an Ethernet frame is transmitted over the NoC, it will be divided into many packets. When all the data corresponding to this frame are received by the DDR-SDRAM memory on the NoC, the frame is removed from the buffer of the Ethernet interface. In addition, the congestion on the NoC, due to wormhole switching, can delay these flows. Besides, the buffer in the Ethernet interface has a limited capacity. Then, this behavior may lead to a problem of dropping Ethernet frames. The idea is therefore to analyze the worst case transmission delays on the NoC and reduce the delays of the core-to-I/O flows. In this thesis, we show that the pessimism of the existing Worst-Case Traversal Time (WCTT) computing methods and the existing mapping strategies lead to drop Ethernet frames due to an internal congestion in the NoC. Thus, we demonstrate properties of such NoC-based wormhole networks to reduce the pessimism when modeling flows in contentions. Then, we propose a mapping strategy that minimizes the contention of core-to-I/O flows in order to solve this problem. We show that the WCTT values can be reduced up to 50% compared to current state-of-the-art real-time packet schedulability analysis. These results are due to the modeling of the real impact of the flows in contention in our proposed computing method. Besides, experimental results on real avionics applications show significant improvements of core-to-I/O flows transmission delays, up to 94%, without significantly impacting transmission delays of core-to-core flows. These improvements are due to our mapping strategy that allocates the applications in such a way to reduce the impact of non-critical flows on critical flows. These reductions on the WCTT of the core-to-I/O flows avoid the drop of Ethernet frames.

La perspective de technologies nanométriques permet d'envisager l'avènement de processeurs constitués de centaines de coeurs de calcul. Néanmoins, l'utilisation de ces processeurs nécessitera de pallier aux problèmes de fiabilité et de variabilité inhérents à ces procédés de fabrication agressifs. Dans cette thèse, nous présentons un ensemble cohérent de techniques pour l'utilisation de processeurs multi-coeurs massivement parallèles, soumis à de forts taux de variabilité et de défaillance. Tout d' abord, la fiabilité du réseau d'interconnexion est abordée, avec la présentation de plusieurs algorithmes de routage tolérants aux fautes, sans interblocages et sans table de routage pour une meilleure scalabilité. Les différentes variantes de ces algorithmes permettent d'ajuster la complexité du réseau sur puce, en fonction des besoins en fiabilité des applications. A titre d'exemple, le plus performant des algorithmes de routage peut acheminer les paquets tant qu'il existe un chemin sans défaillance, et ce jusqu'à 40% de ressources défectueuses. Plusieurs évolutions ont également été étudiées afin d'améliorer les performances du réseau en présence d'un nombre important de fautes. Ensuite, nous proposons une technique auto-adaptative de gestion des applications parallèles, basée sur un routage tolérant aux fautes. L'affectation dynamique des tâches se base sur la recherche adaptative des noeuds de calcul, afin de diminuer la consommation énergétique de l'application en présence de variabilité. Enfin, nous présentons un modèle de simulation de haut-niveau appelé VOCIS (Versatile On-Chip Interconnect Simulator), développé pendant cette thèse. Il permet l'étude approfondie des réseaux d'interconnexion et des routages tolérants aux fautes dans des conditions complexes, afin de répondre aux contraintes propres à ce travail. Nous décrivons son architecture et ses capacités de visualisation. Finalement, nous analysons et illustrons plusieurs résultats expérimentaux originaux obtenus avec ce modèle. / The perspective of nanometric technologies foreshadows the advent of processors consisting of hundreds of computation cores. However, the exploitation of these processors will require to cope with reliability and variability issues inherent to these aggressive manufacturing processes. In this thesis, we present a coherent set of techniques for the utilization of many-cores processors subject to high defect and variability rates. First, the interconnection network reliability is addressed, with the presentation of several deadlock-free fault-tolerant routing algorithms, without routing tables for improving their scalability. The different variants of these algorithms allow for the tune-up of NoC complexity, depending on applications' reliability requirements. For example, the most performant routing algorithm is able to transmit packets as long as a fault-free path exists, with defect rates as high as 40%. Evolutions have also been studied, in order to improve the interconnect performances in the presence of a large number of faults. Second, we propose a self-adaptive technique for the management of parallel applications, based on a fault-tolerant interconnect. The dynamic tasks mapping is based on the adaptive search of computing nodes, in order to reduce the application's energy consumption in the presnece of variability. Third, we present a high-level simulation model named VOCIS (Versatile On-Chip Interconnect Simulator), developed during this thesis. The model allows in-depth study of interconnection networks and fault-tolerant routings under complex settings, in order to meet the specific constraints of this work. The architecture and visualization features are described. Finally, we analyse and illustrate original experimental results obtained with this model.

Les réseaux-sur-puces (NoCs) utilisés dans les architectures multiprocesseurs-sur-puces posent des défis importants aux approches d'ordonnancement temps réel en ligne (dynamique) et hors-ligne (statique). Un NoC contient un grand nombre de points de contention potentiels, a une capacité de bufferisation limitée et le contrôle réseau fonctionne à l'échelle de petits paquets de données. Par conséquent, l'allocation efficace de ressources nécessite l'utilisation des algorithmes da faible complexité sur des modèles de matériel avec un niveau de détail sans précédent dans l'ordonnancement temps réel. Nous considérons dans cette thèse une approche d'ordonnancement statique sur des architectures massivement parallèles (Massively parallel processor arrays ou MPPAs) caractérisées par un grand nombre (quelques centaines) de c¿urs de calculs. Nous identifions les mécanismes matériels facilitant l'analyse temporelle et l'allocation efficace de ressources dans les MPPAs existants. Nous déterminons que le NoC devrait permettre l'ordonnancement hors-ligne de communications, d'une manière synchronisée avec l'ordonnancement de calculs sur les processeurs. Au niveau logiciel, nous proposons une nouvelle méthode d'allocation et d'ordonnancement capable de synthétiser des ordonnancements globaux de calculs et de communications couvrants toutes les ressources d'exécution, de communication et de la mémoire d'un MPPA. Afin de permettre une utilisation efficace de ressources du matériel, notre méthode prend en compte les spécificités architecturales d'un MPPA et implémente des techniques d'ordonnancement avancées comme la préemption pré-calculée de transmissions de données. Nous avons évalué n / On-chip networks (NoCs) used in multiprocessor systems-on-chips (MPSoCs) pose significant challenges to both on-line (dynamic) and off-line (static) real-time scheduling approaches. They have large numbers of potential contention points, have limited internal buffering capabilities, and network control operates at the scale of small data packets. Therefore, efficient resource allocation requires scalable algorithms working on hardware models with a level of detail that is unprecedented in real-time scheduling. We consider in this thesis a static scheduling approach, and we target massively parallel processor arrays (MPPAs), which are MPSoCs with large numbers (hundreds) of processing cores. We first identify and compare the hardware mechanisms supporting precise timing analysis and efficient resource allocation in existing MPPA platforms. We determine that the NoC should ideally provide the means of enforcing a global communications schedule that is computed off-line (before execution) and which is synchronized with the scheduling of computations on processors. On the software side, we propose a novel allocation and scheduling method capable of synthesizing such global computation and communication schedules covering all the execution, communication, and memory resources in an MPPA. To allow an efficient use of the hardware resources, our method takes into account the specificities of MPPA hardware and implements advanced scheduling techniques such as pre-computed preemption of data transmissions. We evaluate our technique by mapping two signal processing applications, for which we obtain good latency, throughput, and resource use figures.

Depuis son introduction en 1982, la carte auto-organisatrice de Kohonen (Self-Organizing Map : SOM) a prouvé ses capacités de classification et visualisation des données multidimensionnelles dans différents domaines d’application. Les implémentations matérielles de la carte SOM, en exploitant le taux de parallélisme élevé de l’algorithme de Kohonen, permettent d’augmenter les performances de ce modèle neuronal souvent au détriment de la flexibilité. D’autre part, la flexibilité est offerte par les implémentations logicielles qui quant à elles ne sont pas adaptées pour les applications temps réel à cause de leurs performances temporelles limitées. Dans cette thèse nous avons proposé une architecture matérielle distribuée, adaptable, flexible et extensible de la carte SOM à base de NoC dédiée pour une implantation matérielle sur FPGA. A base de cette approche, nous avons également proposé une architecture matérielle innovante d’une carte SOM à structure croissante au cours de la phase d’apprentissage / Since its introduction in 1982, Kohonen’s Self-Organizing Map (SOM) showed its ability to classify and visualize multidimensional data in various application fields. Hardware implementations of SOM, by exploiting the inherent parallelism of the Kohonen algorithm, allow to increase the overall performances of this neuronal network, often at the expense of the flexibility. On the other hand, the flexibility is offered by software implementations which on their side are not suited for real-time applications due to the limited time performances. In this thesis we proposed a distributed, adaptable, flexible and scalable hardware architecture of SOM based on Network-on-Chip (NoC) designed for FPGA implementation. Moreover, based on this approach we also proposed a novel hardware architecture of a growing SOM able to evolve its own structure during the learning phase