Este trabalho apresenta uma arquitetura de hardware para a predição intra-quadro do padrão emergente HEVC de codificação de vídeo. O padrão HEVC está sendo desenvolvido tendo como principal objetivo o aumento em 50% na eficiência de compressão, quando comparado com o padrão H.264/AVC, atual padrão estado da arte na codificação de vídeos. Para atingir este objetivo, várias novas ferramentas de codificação foram desenvolvidas para serem introduzidas no novo padrão HEVC. Embora essas novas ferramentas tenham obtido êxito em aumentar a eficiência de compressão do novo padrão HEVC, elas também colaboraram para o aumento da complexidade computacional no processo de codificação. Analisando somente os avanços na predição intra-quadro, em comparação com o padrão H.264/AVC, é possível perceber que vários novos modos direcionais de codificação foram inseridos no processo de predição. Além disso, existem mais tamanhos de blocos que podem ser considerados pela predição intra-quadro. Nesse contexto, este trabalho propõe o uso de duas abordagens para melhorar o desempenho da predição intra-quadro em codificadores HEVC. Primeiramente, foram desenvolvidos algoritmos rápidos de decisão de modo, baseados em heurísticas, para a predição intra-quadro. Os resultados mostraram que é possível reduzir a complexidade computacional do processo de predição intra-quadro com pequenas perdas na eficiência de compressão (taxa de bits e qualidade visual). No pior caso, a perda foi de 6.9% na taxa de bits e de 0.12dB na qualidade, para uma redução de 35% no tempo de processamento. Em seguida, utilizando um dos algoritmos desenvolvidos, uma arquitetura de hardware para a predição intra-quadro foi desenvolvida. Além da redução de complexidade proporcionada pelo uso do algoritmo desenvolvido, técnicas de desenvolvido de hardware, tais como aumento no nível de paralelismo e uso de pipeline, também foram utilizadas para melhorar o desempenho da arquitetura desenvolvida. Os resultados de síntese da arquitetura para a tecnologia IBM 0,65um mostram que ela é capaz de operar a 500MHz, atingindo uma taxa de processamento suficiente para realizar a predição intra-quadro de mais de 30 quadros por segundo para resoluções como Full HD (1920x1080pixels). / This work presents an intra-frame prediction hardware architecture targeting the emerging HEVC video coding standard. The HEVC standard is being developed with the main goal of increase the compression efficiency in 50% when compared to the latest H.264/AVC video coding standard. To achieve such a goal, several new video coding strategies were developed to be used in the HEVC. Although these strategies have increased the compression efficiency of the emerging HEVC standard, it also increased the computational complexity of the encoding process. Looking only to the intra prediction process, several new directional modes are used to perform the prediction. Besides, there are more block sizes that can be supported by the intra prediction process. This work proposes to use two different approaches to improve the HEVC intra prediction performance. First we developed fast intra mode decision algorithms, showing that it is possible to decrease the intra prediction computational complexity with negligible loss in the compression performance (bit-rate and video quality). In the worst case, the bit-rate loss was 6.99% and the PSNR loss was 0.12dB in average allowing reducing the encoding time up to 35%. Then, using the developed fast algorithms as base, this work proposes an intra prediction hardware architecture. The designed architecture was specifically based on one of the developed fast intra mode decision algorithms. Besides, hardware techniques such as increase the parallelism level and pipeline were also used to improve the intra prediction performance. The synthesis results for the IBM 0.65nm have shown that the architecture is able to achieve 500MHz as maximum operation frequency. This way, the architecture throughput is enough to perform the intra prediction process for more than 30 frames per second considering high resolution digital videos, such as Full HD (1920x1080).

Esta tese objetiva propor algorítmos para a redução do tamanho dos fios em circuitos VLSI considerando elementos críticos dos circuitos. O problema é abordado em duas perspectivas diferentes: posicionamento e roteamento. Na abordagem de posicionamento, a tese explora métodos para realizar posicionamento de um tipo particular de circuito VLSI, que são conhecidos como circuitos 3D. Diferente de trabalhos anteriores, este tese aborda o problema considerando as conexões verticais (chamadas 3D-Vias) e as limitações impostas pelas mesmas. Foi realizado um fluxo completo, iniciando no tratamento de pinos de entrada e saída (E/S), posicionamento global, posicionamento detalhado e posicionamento das 3D-Vias. A primeira etapa espalha os pinos de E/S de maneira equilibrada objetivando auxiliar o posicionamento para obter uma quantidade reduzida de 3D-Vias. O mecanismo de posicionamento global baseado no algorítmo de Quadratic Placement considera informações da tecnologia e requerimento de espaçamento de 3D-Vias para reduzir o comprimento das conexões e equilibrar a distrubuição das células em 3D. Conexes críticas podem ser tratadas através da insercão de redes artificiais que auxiliam a evitar que 3D-Vias sejam usadas em conexões críticas do circuito. Finalmente, 3D-Vias são posicionadas por um algorítmo rápido baseado na legalizaçãao Tetris. O framework completo reforça os potenciais benefícios dos circuitos 3D para a melhora do comprimento das conexões e apresenta algorítmos eficientes projetados para circutos 3D podendo estes serem incorporados em novas ferramentas. Na abordagem de roteamento, um novo algorítmo para obtenção de árvores de Steiner chamado AMAZE é proposto, combinando métodos existentes com novos métodos que são efetivos para produzir fios curtos e de baixo atraso para elementos críticos. Um técnica de biasing atua na redução do tamanho dos fios, obtendo resultados próximos da solução ótima enquanto que dois fatores de timing chamados path-length factor e sharing factor propiciam melhora do atraso para conexões sabidas como críticas. Enquanto que AMAZE apresenta melhorias significativas em um algorítmo padrão na indústria de CAD (Maze Routers), ele produz árvores de roteamento com uso de CPU comparável com algorítmos heurísticos de árvore de Steiner e menor atraso. / This thesis targets the wire length improvement of VLSI circuits considering critical elements of a circuit. It considers the problem from two different perspectives: placement and routing. On placement, it explores methods to perform placement of 3D circuits considering issues related to vertical interconnects (3D-Vias). A complete flow, starting from the I/O pins handling, global placement, detailed placement and 3D-Via placement is presented. The I/O pins algorithm spreads the I/Os evenly and aids the placer to obtain a reduced number of 3D-Vias. The global placement engine based on Quadratic algorithm considers the technology information and 3D-Via pitch to reduce wire length and balance the cells distribution on 3D. Critical connections can be handled by insertion of artificial nets that lead to 3D-Via avoidance for those nets. Finally, 3D-Vias are placed by a fast algorithm based on Tetris legalization. The whole framework enforces the potential benefits of 3DCircuits on wire length improvement and demonstrates efficient algorithms designed for 3D placement that can be incorporated in new tools. On routing, a new flexible Steiner tree algorithm called AMAZE is proposed, combining existing and new methods that are very effective to produce short wire length and low delay to critical elements. A biasing technique provides close to optimal wire lengths while a path length factor and a sharing factor enables a very wide delay and wire length trade-off. While AMAZE presents significant improvements on a industry standard routing algorithm (Maze Routers), it produces routing trees with comparable speed and beter delay than heuristic Steiner tree algorithms such as AHHK and P-Trees.

Este trabalho apresenta uma arquitetura de hardware para a predição intra-quadro do padrão emergente HEVC de codificação de vídeo. O padrão HEVC está sendo desenvolvido tendo como principal objetivo o aumento em 50% na eficiência de compressão, quando comparado com o padrão H.264/AVC, atual padrão estado da arte na codificação de vídeos. Para atingir este objetivo, várias novas ferramentas de codificação foram desenvolvidas para serem introduzidas no novo padrão HEVC. Embora essas novas ferramentas tenham obtido êxito em aumentar a eficiência de compressão do novo padrão HEVC, elas também colaboraram para o aumento da complexidade computacional no processo de codificação. Analisando somente os avanços na predição intra-quadro, em comparação com o padrão H.264/AVC, é possível perceber que vários novos modos direcionais de codificação foram inseridos no processo de predição. Além disso, existem mais tamanhos de blocos que podem ser considerados pela predição intra-quadro. Nesse contexto, este trabalho propõe o uso de duas abordagens para melhorar o desempenho da predição intra-quadro em codificadores HEVC. Primeiramente, foram desenvolvidos algoritmos rápidos de decisão de modo, baseados em heurísticas, para a predição intra-quadro. Os resultados mostraram que é possível reduzir a complexidade computacional do processo de predição intra-quadro com pequenas perdas na eficiência de compressão (taxa de bits e qualidade visual). No pior caso, a perda foi de 6.9% na taxa de bits e de 0.12dB na qualidade, para uma redução de 35% no tempo de processamento. Em seguida, utilizando um dos algoritmos desenvolvidos, uma arquitetura de hardware para a predição intra-quadro foi desenvolvida. Além da redução de complexidade proporcionada pelo uso do algoritmo desenvolvido, técnicas de desenvolvido de hardware, tais como aumento no nível de paralelismo e uso de pipeline, também foram utilizadas para melhorar o desempenho da arquitetura desenvolvida. Os resultados de síntese da arquitetura para a tecnologia IBM 0,65um mostram que ela é capaz de operar a 500MHz, atingindo uma taxa de processamento suficiente para realizar a predição intra-quadro de mais de 30 quadros por segundo para resoluções como Full HD (1920x1080pixels). / This work presents an intra-frame prediction hardware architecture targeting the emerging HEVC video coding standard. The HEVC standard is being developed with the main goal of increase the compression efficiency in 50% when compared to the latest H.264/AVC video coding standard. To achieve such a goal, several new video coding strategies were developed to be used in the HEVC. Although these strategies have increased the compression efficiency of the emerging HEVC standard, it also increased the computational complexity of the encoding process. Looking only to the intra prediction process, several new directional modes are used to perform the prediction. Besides, there are more block sizes that can be supported by the intra prediction process. This work proposes to use two different approaches to improve the HEVC intra prediction performance. First we developed fast intra mode decision algorithms, showing that it is possible to decrease the intra prediction computational complexity with negligible loss in the compression performance (bit-rate and video quality). In the worst case, the bit-rate loss was 6.99% and the PSNR loss was 0.12dB in average allowing reducing the encoding time up to 35%. Then, using the developed fast algorithms as base, this work proposes an intra prediction hardware architecture. The designed architecture was specifically based on one of the developed fast intra mode decision algorithms. Besides, hardware techniques such as increase the parallelism level and pipeline were also used to improve the intra prediction performance. The synthesis results for the IBM 0.65nm have shown that the architecture is able to achieve 500MHz as maximum operation frequency. This way, the architecture throughput is enough to perform the intra prediction process for more than 30 frames per second considering high resolution digital videos, such as Full HD (1920x1080).

Este trabalho propõe uma estratégia para projeto de circuitos VLSI operando em amplo ajuste de tensão e frequência (VFS), desde o regime em Near-threshold, onde uma tensão de VDD caracteriza-se por permitir o funcionamento do circuito com o mínimo dispêndio de energia por operação (MEP), até tensões nominais, dependendo da carga de trabalho exigida pela aplicação. Nesta dissertação é proposto o dimensionamento de transistores para três bibliotecas de células utilizando MOSFETs com tensões de limiar distintas: Regular-VT (RVT), High-VT (HVT) e Low-VT (LVT). Tais bibliotecas possuem cinco células combinacionais: INV, NAND, NOR, OAI21 e AOI22 em múltiplos strengths. A regra para dimensionamento dos transistores das células lógicas foi adaptada de trabalhos relacionados, e fundamenta-se na equalização dos tempos de subida e descida na saída de cada célula, objetivando à redução dos efeitos de variabilidade em baixas tensões de operação. Dois registradores também foram incluídos na biblioteca RVT e sua caracterização foi realizada considerando os parâmetros de processo CMOS 65 nm typical, fast e slow; nas temperaturas de operação de -40°C, 25°C e 125°C, e para tensões variando de 200 mV até 1,2V, para incluir a região de interesse, próxima ao MEP. Os experimentos foram realizados utilizando dez circuitos VLSI de teste: filtro digital notch, um núcleo compatível com o micro-controlador 8051, quatro circuitos combinacionais e quatro sequenciais do benchmark ISCAS. Em termos de economia de energia, operar no MEP resulta em uma redução média de 54,46% em relação ao regime de sub-limiar e até 99,01% quando comparado com a tensão nominal, para a temperatura de 25°C e processo típico. Em relação ao desempenho, operar em regime de VFS muito amplo propicia frequências máximas que variam de centenas de kHz até a faixa de centenas de MHz a GHz, para as temperaturas de -40°C e 25°C, e de MHz até GHz em 125°C. Os resultados desta dissertação, quando comparados a trabalhos relacionados, demonstraram, em média, redução de energia e ganho de desempenho de 24,1% e 152,68%, respectivamente, considerando os mesmos circuitos de teste, operando no ponto de mínima energia (MEP). / This work proposes a strategy for designing VLSI circuits to operate in a very-wide Voltage-Frequency Scaling (VFS) range , from the supply voltage at which the minimum energy per operation (MEP) is achieved, at the Near-Threshold regime, up to the nominal supply voltage for the processes, if so demanded by applications workload. This master thesis proposes the sizing of transistors for three library cells using MOSFETs with different threshold voltages: Regular-VT (RVT), High-VT (HVT), and Low-VT (LVT). These libraries have five combinational cells: INV, NAND, NOR, OAI21, and AOI22 with multiple strengths. The sizing rule for the transistors of the digital cells was an adapted version from related works and it is directly driven by requiring equal rise and fall times at the output for each cell in order to attenuate variability effects in the low supply voltage regime. Two registers were also included in the RVT library cell. This library cell was characterized for typical, fast, and slow processes conditions of a CMOS 65nm technology; for operation at -40ºC, 25ºC, and 125ºC temperatures, and for supply voltages varying from 200 mV up to 1.2V, to include the region of interest, for VDD near the MEP. Experiments were performed with ten VLSI circuit benchmarks: notch filter, 8051 compatible core, four combinational and four sequential ISCAS benchmark circuits. From the energy savings point of view, to operate in MEP results on average reduction of 54.46% and 99.01% when compared with the sub-threshold and nominal supply voltages, respectively. This analysis was performed for 25⁰C and typical process. When considered the performance, the very-wide VFS regime enables maximum operating frequencies varying from hundreds of kHz up to MHz/GHz at -40ºC and 25ºC, and from MHz up to GHz at 125ºC. This master thesis results, when compared with related works, showed on average an energy reduction and performance gain of 24.1% and 152.68%, respectively, for the same circuit benchmarks operating with VDD at the minimum energy point (MEP).

Este trabalho propõe uma estratégia para projeto de circuitos VLSI operando em amplo ajuste de tensão e frequência (VFS), desde o regime em Near-threshold, onde uma tensão de VDD caracteriza-se por permitir o funcionamento do circuito com o mínimo dispêndio de energia por operação (MEP), até tensões nominais, dependendo da carga de trabalho exigida pela aplicação. Nesta dissertação é proposto o dimensionamento de transistores para três bibliotecas de células utilizando MOSFETs com tensões de limiar distintas: Regular-VT (RVT), High-VT (HVT) e Low-VT (LVT). Tais bibliotecas possuem cinco células combinacionais: INV, NAND, NOR, OAI21 e AOI22 em múltiplos strengths. A regra para dimensionamento dos transistores das células lógicas foi adaptada de trabalhos relacionados, e fundamenta-se na equalização dos tempos de subida e descida na saída de cada célula, objetivando à redução dos efeitos de variabilidade em baixas tensões de operação. Dois registradores também foram incluídos na biblioteca RVT e sua caracterização foi realizada considerando os parâmetros de processo CMOS 65 nm typical, fast e slow; nas temperaturas de operação de -40°C, 25°C e 125°C, e para tensões variando de 200 mV até 1,2V, para incluir a região de interesse, próxima ao MEP. Os experimentos foram realizados utilizando dez circuitos VLSI de teste: filtro digital notch, um núcleo compatível com o micro-controlador 8051, quatro circuitos combinacionais e quatro sequenciais do benchmark ISCAS. Em termos de economia de energia, operar no MEP resulta em uma redução média de 54,46% em relação ao regime de sub-limiar e até 99,01% quando comparado com a tensão nominal, para a temperatura de 25°C e processo típico. Em relação ao desempenho, operar em regime de VFS muito amplo propicia frequências máximas que variam de centenas de kHz até a faixa de centenas de MHz a GHz, para as temperaturas de -40°C e 25°C, e de MHz até GHz em 125°C. Os resultados desta dissertação, quando comparados a trabalhos relacionados, demonstraram, em média, redução de energia e ganho de desempenho de 24,1% e 152,68%, respectivamente, considerando os mesmos circuitos de teste, operando no ponto de mínima energia (MEP). / This work proposes a strategy for designing VLSI circuits to operate in a very-wide Voltage-Frequency Scaling (VFS) range , from the supply voltage at which the minimum energy per operation (MEP) is achieved, at the Near-Threshold regime, up to the nominal supply voltage for the processes, if so demanded by applications workload. This master thesis proposes the sizing of transistors for three library cells using MOSFETs with different threshold voltages: Regular-VT (RVT), High-VT (HVT), and Low-VT (LVT). These libraries have five combinational cells: INV, NAND, NOR, OAI21, and AOI22 with multiple strengths. The sizing rule for the transistors of the digital cells was an adapted version from related works and it is directly driven by requiring equal rise and fall times at the output for each cell in order to attenuate variability effects in the low supply voltage regime. Two registers were also included in the RVT library cell. This library cell was characterized for typical, fast, and slow processes conditions of a CMOS 65nm technology; for operation at -40ºC, 25ºC, and 125ºC temperatures, and for supply voltages varying from 200 mV up to 1.2V, to include the region of interest, for VDD near the MEP. Experiments were performed with ten VLSI circuit benchmarks: notch filter, 8051 compatible core, four combinational and four sequential ISCAS benchmark circuits. From the energy savings point of view, to operate in MEP results on average reduction of 54.46% and 99.01% when compared with the sub-threshold and nominal supply voltages, respectively. This analysis was performed for 25⁰C and typical process. When considered the performance, the very-wide VFS regime enables maximum operating frequencies varying from hundreds of kHz up to MHz/GHz at -40ºC and 25ºC, and from MHz up to GHz at 125ºC. This master thesis results, when compared with related works, showed on average an energy reduction and performance gain of 24.1% and 152.68%, respectively, for the same circuit benchmarks operating with VDD at the minimum energy point (MEP).

Este trabalho apresenta uma arquitetura de hardware para a predição intra-quadro do padrão emergente HEVC de codificação de vídeo. O padrão HEVC está sendo desenvolvido tendo como principal objetivo o aumento em 50% na eficiência de compressão, quando comparado com o padrão H.264/AVC, atual padrão estado da arte na codificação de vídeos. Para atingir este objetivo, várias novas ferramentas de codificação foram desenvolvidas para serem introduzidas no novo padrão HEVC. Embora essas novas ferramentas tenham obtido êxito em aumentar a eficiência de compressão do novo padrão HEVC, elas também colaboraram para o aumento da complexidade computacional no processo de codificação. Analisando somente os avanços na predição intra-quadro, em comparação com o padrão H.264/AVC, é possível perceber que vários novos modos direcionais de codificação foram inseridos no processo de predição. Além disso, existem mais tamanhos de blocos que podem ser considerados pela predição intra-quadro. Nesse contexto, este trabalho propõe o uso de duas abordagens para melhorar o desempenho da predição intra-quadro em codificadores HEVC. Primeiramente, foram desenvolvidos algoritmos rápidos de decisão de modo, baseados em heurísticas, para a predição intra-quadro. Os resultados mostraram que é possível reduzir a complexidade computacional do processo de predição intra-quadro com pequenas perdas na eficiência de compressão (taxa de bits e qualidade visual). No pior caso, a perda foi de 6.9% na taxa de bits e de 0.12dB na qualidade, para uma redução de 35% no tempo de processamento. Em seguida, utilizando um dos algoritmos desenvolvidos, uma arquitetura de hardware para a predição intra-quadro foi desenvolvida. Além da redução de complexidade proporcionada pelo uso do algoritmo desenvolvido, técnicas de desenvolvido de hardware, tais como aumento no nível de paralelismo e uso de pipeline, também foram utilizadas para melhorar o desempenho da arquitetura desenvolvida. Os resultados de síntese da arquitetura para a tecnologia IBM 0,65um mostram que ela é capaz de operar a 500MHz, atingindo uma taxa de processamento suficiente para realizar a predição intra-quadro de mais de 30 quadros por segundo para resoluções como Full HD (1920x1080pixels). / This work presents an intra-frame prediction hardware architecture targeting the emerging HEVC video coding standard. The HEVC standard is being developed with the main goal of increase the compression efficiency in 50% when compared to the latest H.264/AVC video coding standard. To achieve such a goal, several new video coding strategies were developed to be used in the HEVC. Although these strategies have increased the compression efficiency of the emerging HEVC standard, it also increased the computational complexity of the encoding process. Looking only to the intra prediction process, several new directional modes are used to perform the prediction. Besides, there are more block sizes that can be supported by the intra prediction process. This work proposes to use two different approaches to improve the HEVC intra prediction performance. First we developed fast intra mode decision algorithms, showing that it is possible to decrease the intra prediction computational complexity with negligible loss in the compression performance (bit-rate and video quality). In the worst case, the bit-rate loss was 6.99% and the PSNR loss was 0.12dB in average allowing reducing the encoding time up to 35%. Then, using the developed fast algorithms as base, this work proposes an intra prediction hardware architecture. The designed architecture was specifically based on one of the developed fast intra mode decision algorithms. Besides, hardware techniques such as increase the parallelism level and pipeline were also used to improve the intra prediction performance. The synthesis results for the IBM 0.65nm have shown that the architecture is able to achieve 500MHz as maximum operation frequency. This way, the architecture throughput is enough to perform the intra prediction process for more than 30 frames per second considering high resolution digital videos, such as Full HD (1920x1080).

Esta tese objetiva propor algorítmos para a redução do tamanho dos fios em circuitos VLSI considerando elementos críticos dos circuitos. O problema é abordado em duas perspectivas diferentes: posicionamento e roteamento. Na abordagem de posicionamento, a tese explora métodos para realizar posicionamento de um tipo particular de circuito VLSI, que são conhecidos como circuitos 3D. Diferente de trabalhos anteriores, este tese aborda o problema considerando as conexões verticais (chamadas 3D-Vias) e as limitações impostas pelas mesmas. Foi realizado um fluxo completo, iniciando no tratamento de pinos de entrada e saída (E/S), posicionamento global, posicionamento detalhado e posicionamento das 3D-Vias. A primeira etapa espalha os pinos de E/S de maneira equilibrada objetivando auxiliar o posicionamento para obter uma quantidade reduzida de 3D-Vias. O mecanismo de posicionamento global baseado no algorítmo de Quadratic Placement considera informações da tecnologia e requerimento de espaçamento de 3D-Vias para reduzir o comprimento das conexões e equilibrar a distrubuição das células em 3D. Conexes críticas podem ser tratadas através da insercão de redes artificiais que auxiliam a evitar que 3D-Vias sejam usadas em conexões críticas do circuito. Finalmente, 3D-Vias são posicionadas por um algorítmo rápido baseado na legalizaçãao Tetris. O framework completo reforça os potenciais benefícios dos circuitos 3D para a melhora do comprimento das conexões e apresenta algorítmos eficientes projetados para circutos 3D podendo estes serem incorporados em novas ferramentas. Na abordagem de roteamento, um novo algorítmo para obtenção de árvores de Steiner chamado AMAZE é proposto, combinando métodos existentes com novos métodos que são efetivos para produzir fios curtos e de baixo atraso para elementos críticos. Um técnica de biasing atua na redução do tamanho dos fios, obtendo resultados próximos da solução ótima enquanto que dois fatores de timing chamados path-length factor e sharing factor propiciam melhora do atraso para conexões sabidas como críticas. Enquanto que AMAZE apresenta melhorias significativas em um algorítmo padrão na indústria de CAD (Maze Routers), ele produz árvores de roteamento com uso de CPU comparável com algorítmos heurísticos de árvore de Steiner e menor atraso. / This thesis targets the wire length improvement of VLSI circuits considering critical elements of a circuit. It considers the problem from two different perspectives: placement and routing. On placement, it explores methods to perform placement of 3D circuits considering issues related to vertical interconnects (3D-Vias). A complete flow, starting from the I/O pins handling, global placement, detailed placement and 3D-Via placement is presented. The I/O pins algorithm spreads the I/Os evenly and aids the placer to obtain a reduced number of 3D-Vias. The global placement engine based on Quadratic algorithm considers the technology information and 3D-Via pitch to reduce wire length and balance the cells distribution on 3D. Critical connections can be handled by insertion of artificial nets that lead to 3D-Via avoidance for those nets. Finally, 3D-Vias are placed by a fast algorithm based on Tetris legalization. The whole framework enforces the potential benefits of 3DCircuits on wire length improvement and demonstrates efficient algorithms designed for 3D placement that can be incorporated in new tools. On routing, a new flexible Steiner tree algorithm called AMAZE is proposed, combining existing and new methods that are very effective to produce short wire length and low delay to critical elements. A biasing technique provides close to optimal wire lengths while a path length factor and a sharing factor enables a very wide delay and wire length trade-off. While AMAZE presents significant improvements on a industry standard routing algorithm (Maze Routers), it produces routing trees with comparable speed and beter delay than heuristic Steiner tree algorithms such as AHHK and P-Trees.

Unmanned Aerial Systems (UAS) are becoming more widely used in the new era of evolving technology; increasing performance while decreasing size, weight, and cost. A UAS equipped with a Flight Control System (FCS) that can be used to fly semi- or fully-autonomous is a prime example of a Cyber Physical and Safety Critical system. Current Cyber-Physical defenses against malicious attacks are structured around security standards for best practices involving the development of protocols and the digital software implementation. Thus far, few attempts have been made to embed security into the architecture of the system considering security as a holistic problem. Therefore, a Hierarchical, Embedded, Cyber Attack Detection (HECAD) framework is developed to provide security in a holistic manor, providing resiliency against cyber-attacks as well as introducing strategies for mitigating and dealing with component failures. Traversing the hardware/software barrier, HECAD provides detection of malicious faults at the hardware and software level; verified through the development of an FPGA implementation and tested using a UAS FCS.

This thesis proposes a novel set of generic and compact biologically plausible VLSI (Very Large Scale Integration) neural circuits, suitable for implementing a parallel VLSI network that closely resembles the function of a small-scale neocortical network. The proposed circuits include a cortical neuron, two different long-term plastic synapses and four different short-term plastic synapses. These circuits operate in accelerated-time, where the time scale of neural responses is approximately three to four orders of magnitude faster than the biological-time scale of the neuronal activities, providing higher computational throughput in computing neural dynamics. Further, a novel biological-time cortical neuron circuit with similar dynamics as of the accelerated-time neuron is proposed to demonstrate the feasibility of migrating accelerated-time circuits into biological-time circuits. The fabricated accelerated-time VLSI neuron circuit is capable of replicating distinct firing patterns such as regular spiking, fast spiking, chattering and intrinsic bursting, by tuning two external voltages. It reproduces biologically plausible action potentials. This neuron circuit is compact and enables implementation of many neurons in a single silicon chip. The circuit consumes extremely low energy per spike (8pJ). Incorporating this neuron circuit in a neural network facilitates diverse non-linear neuron responses, which is an important aspect in neural processing. Two of the proposed long term plastic synapse circuits include spike-time dependent plasticity (STDP) synapse, and dopamine modulated STDP synapse. The short-term plastic synapses include excitatory depressing, inhibitory facilitating, inhibitory depressing, and excitatory facilitating synapses. Many neural parameters of short- and long- term synapses can be modified independently using externally controlled tuning voltages to obtain distinct synaptic properties. Having diverse synaptic dynamics in a network facilitates richer network behaviours such as learning, memory, stability and dynamic gain control, inherent in a biological neural network. To prove the concept in VLSI, different combinations of these accelerated-time neural circuits are fabricated in three integrated circuits (ICs) using a standard 0.35 µm CMOS technology. Using first two ICs, functions of cortical neuron and STDP synapses have been experimentally verified. The third IC, the Cortical Neural Layer (CNL) Chip is designed and fabricated to facilitate cortical network emulations. This IC implements neural circuits with a similar composition to the cortical layer of the neocortex. The CNL chip comprises 120 cortical neurons and 7 560 synapses. Many of these CNL chips can be combined together to form a six-layered VLSI neocortical network to validate the network dynamics and to perform neural processing of small-scale cortical networks. The proposed neuromorphic systems can be used as a simulation acceleration platform to explore the processing principles of biological brains and also move towards realising low power, real-time intelligent computing devices and control systems.

Machine collaboration with the biological body/brain by sending electrical information back and forth is one of the leading research areas in neuro-engineering during the twenty-first century. Hence, Brain-Machine-Brain Interface (BMBI) is a powerful tool for achieving such machine-brain/body collaboration. BMBI generally is a smart device (usually invasive) that can record, store, and analyze neural activities, and generate corresponding responses in the form of electrical pulses to stimulate specific brain regions. The Smart Brain-Machine-Brain-Interface (SBMBI) is a step forward with compared to the traditional BMBI by including smart functions, such as in-electrode local computing capabilities, and availability of cloud connectivity in the system to take the advantage of powerful cloud computation in decision making. In this dissertation work, we designed and developed an innovative form of Smart Brain-Machine-Brain Interface (SBMBI) and studied its feasibility in different biomedical applications. With respect to power management, the SBMBI is a semi-passive platform. The communication module is fully passive—powered by RF harvested energy; whereas, the signal processing core is battery-assisted. The efficiency of the implemented RF energy harvester was measured to be 0.005%. One of potential applications of SBMBI is to configure a Smart Deep-Brain-Stimulator (SDBS) based on the general SBMBI platform. The SDBS consists of brain-implantable smart electrodes and a wireless-connected external controller. The SDBS electrodes operate as completely autonomous electronic implants that are capable of sensing and recording neural activities in real time, performing local processing, and generating arbitrary waveforms for neuro-stimulation. A bidirectional, secure, fully-passive wireless communication backbone was designed and integrated into this smart electrode to maintain contact between the smart electrodes and the controller. The standard EPC-Global protocol has been modified and adopted as the communication protocol in this design. The proposed SDBS, by using a SBMBI platform, was demonstrated and tested through a hardware prototype. Additionally the SBMBI was employed to develop a low-power wireless ECG data acquisition device. This device captures cardiac pulses through a non-invasive magnetic resonance electrode, processes the signal and sends it to the backend computer through the SBMBI interface. Analysis was performed to verify the integrity of received ECG data.