As redes-em-chip (NoCs) surgiram como uma alternativa aos atuais problemas de interconexão decorrentes da redução da escala de tecnologia de fabricação de circuitos integrados. O desenvolvimento de transistores com nanômetros de largura tem permitido a inserção de sistemas altamente complexos em uma única pastilha de silício. Dessa forma, os SoCs (Systems-on-Chip) passaram a constituir inúmeros elementos de processamentos (EPs) e as NoCs têm se apresentado como uma opção eficiente no provimento da interconexão dos mesmos, permitindo maior escalabilidade e paralelismo ao sistema. No entanto, esta conexão não é realizada de forma direta. Todo sistema conectado por uma NoC necessita de interfaces de rede (NIs) para intermediar a conexão dos elementos de processamento aos roteadores da rede. O objetivo desse trabalho é apresentar soluções arquiteturais de interfaces de rede para NoCs que atendam diferentes aplicações de forma genérica. Neste trabalho foram desenvolvidas interfaces de redes reutilizáveis e parametrizáveis, e para atender a estas características, as interfaces de rede possibilitam a configuração de diversos parâmetros arquiteturais, como largura da palavra de dados dos EPs, profundidade das FIFOs das interfaces, profundidade das FIFOs da NoC e largura de dados da rede, possibilitando prover a interconexão de qualquer aplicação com um mínimo de reprojeto. As interfaces de rede, juntamente com a NoC, são responsáveis pelo desempenho da comunicação da aplicação e, para isso, o projeto de uma NI deve ser capaz de atender aos requisitos do sistema, por isso, a importância de se obter um projeto de NIs flexível. Para validar as arquiteturas das NIs desenvolvidas, os módulos do decodificador de vídeo no contexto do padrão H.264 foram conectados à NoC através das interfaces projetadas. A partir dessa implementação, puderam-se levantar diversas necessidades que devem ser atendidas pelas NIs. Por fim, foram analisados os resultados de síntese das NIs para diferentes configurações. Também foram verificados os resultados de síntese e desempenho do decodificador de vídeo H.264 conectado pelas NIs à NoC. Com relação aos resultados de síntese em FPGA, a implementação do decodificador de vídeo com NoC e NIs não apresentou um grande aumento em área quando comparada a implementação com conexão ponto-a-ponto. Além disso, para diferentes configurações das NIs, a NoC pode ser utilizada atendendo aos requisitos de desempenho exigidos pela aplicação, sem a necessidade de operar na sua máxima taxa de operação para a resolução QCIF. / Networks-on-Chip (NoCs) have emerged as an alternative to the current interconnection problems arising from the scaling technology for manufacturing integrated circuits. The development of transistors with nanometer-wide has enabled the integration of highly complex systems on a single silicon wafer. Thus, SoCs (Systemson- Chip) have integrated numerous processing elements (EPs) and NoCs have been presented as an effective option in providing the interconnection of these elements, allowing scalability and parallelism to the system. However, this connection is not done directly. Every system connected by NoC needs network interfaces to intermediate the connection of processing elements to network routers. The goal of this thesis is to present architectural solutions for network interfaces for applications in general. In this work we developed a generic, reusable and configurable network interface. The proposed network interface enables the configuration of several architectural parameters, such as data width of the packets, FIFOs depth of the interfaces, FIFO depth and data width of the NoC, and thus, being able to provide the interconnection of any application with a minimal redesign. Network interfaces, together with the NoC, are responsible for application performance and, therefore, the design of an NI should be able to support the system requirements. To validate the architecture of developed NI, the modules of H.264 decoder were connected to NoC through designed interface. From this implementation, one could raise several needs that must be supported by the NIs. Finally, we analyzed the results of synthesis of the NIs for different configurations. It was also analyzed the results of synthesis and performance of H.264 video decoder connected by NIs to NoC. According to results for FPGA synthesis, the implementation of video decoder with NoC and NIs did not show a large increase in area when compared with the implementation of peer-to-peer. Moreover, for different configurations, the NoC can be used according to time requisitions required by the application, without the need to operate at its maximum operation frequency for QCIF resolution.

As próximas gerações de processadores many-core exigem que novas abordagens no projeto de arquitetura de processadores sejam propostas. Neste novo contexto, as redes de comunicação intra-chip são importantes para garantir o desempenho dos programas. Soluções tradicionais de interconexão possuem limites físicos que comprometem a escalabilidade e o desempenho no processamento de aplicações paralelas de diversos tipos. A alternativa apontada pelo estado da arte é a Network-on-Chip (NoC) composta por roteadores e outros elementos de rede capazes de prover comunicação escalável e de alto desempenho. No entanto, as cargas de trabalho geram padrões de comunicação diferentes que podem influenciar no desempenho da rede. Existem pesquisas que abordam metodologias de projeto dedicado de NoCs em função de domínios de aplicações específicos. Apesar de uma NoC dedicada possuir um alto desempenho, cargas de trabalho paralelas geram padrões de comunicação coletiva que mudam dinamicamente. Com o objetivo de aumentar a flexibilidade de redes-em-chip, trabalhos correlatos utilizam conceitos de computação reconfigurável para aumentar a capacidade da arquitetura da NoC se adaptar em função de padrões de comunicação. Alguns trabalhos focam na programação de FPGAs e outros em ASICs polimórficos. O objetivo desta tese é propor uma arquitetura de Network-on-Chip que suporte múltiplos clusters de núcleos de processamento através de roteadores programáveis e de topologias reconfiguráveis. Cada roteador é composto por uma chave crossbar reconfigurável capaz de implementar topologias dinamicamente através do uso de um segundo nível de reconfiguração. Os roteadores possuem processadores de rede que aumentam a flexibilidade e a capacidade da NoC se adaptar ao padrão de comunicação através de programas que monitoram e gerenciam a rede. Portanto, a contribuição da tese é a Arquitetura de NoC Programável Baseada em Múltiplos Clusters de Cores. Os resultados baseados em modelos analíticos e de simulação, e cargas de trabalho artificiais e naturais, mostram que a arquitetura da NoC possui um alto desempenho e vazão de pacotes, proporcionados pela adaptação de topologias e redução da influência da rede na comunicação. A ocupação em FPGA mostra que os roteadores programáveis possuem tamanho similares a NoCs com arquiteturas tradicionais para gerenciamento de mesma quantidade de núcleos. A menor utilização de buffers de entrada resulta em uma melhor eficiência no consumo de potência e energia. Portanto, através dos modelos de projeto e avaliação foi possível verificar através dos resultados que a arquitetura da MCNoC é uma alternativa para suportar padrões de comunicações coletivas. / For the next generation of many-core processors, new design methodologies must be proposed. In this context, on-chip interconnections are important to assure the program performance. Traditional approaches of interconnections have physical constraints that reduce the scalability and performance to process parallel applications. The state-of-theart points out to the Network-on-Chip (NoC), which consists of routers and other network devices capable of increasing the communication scalability and performance. However, workloads produce different types of communication patterns, which can influence the network performance. There are research works that explore applicationspecific NoC design to response the demand on specific workloads. Although a dedicated NoC has a high performance, parallel workloads have different collective communication patterns. In order to increase the flexibility of NoCs, related works use concepts of reconfigurable computing to add architecture adaptability to support dynamic communication patterns. Some works focus on FPGA-based reconfiguration and others on polymorphic ASICs. The goal of this thesis is to propose an alternative Programmable Multi-Cluster NoC architecture. Each router consists of a reconfigurable crossbar switch capable of implementing dynamic topologies through a second reconfiguration level. The routers have network processors that increase the flexibility and the NoC adaptability through management programs in order to support different workloads. Therefore, the contribution of this thesis is the following: A Programmable Multi-Cluster NoC (MCNoC) architecture. Based on analytical and simulation models, and artificial and natural workloads, results show the high performance and throughput for the proposed NoC architecture, due to the adaptable topologies and low network latency impact. Results based on FPGA shows a similar component utilization considering the proposed programmable NoC relative to conventional NoC architectures for the same number of processing cores. The low utilization of input buffers improves the efficiency of power and energy consumption. Therefore, through design and evaluation models, the NoC proposal was verified and the results point out the MCNoC as an alternative architecture to support collective communication patterns.

Essa dissertação apresenta a implementação de um algoritmo genético paralelo utilizando o modelo de granularidade grossa, também conhecido como modelo das ilhas, para sistemas embutidos multiprocessados. Os sistemas embutidos multiprocessados estão tornando-se cada vez mais complexos, pressionados pela demanda por maior poder computacional requerido pelas aplicações, principalmente de multimídia, Internet e comunicações sem fio, que são executadas nesses sistemas. Algumas das referidas aplicações estão começando a utilizar algoritmos genéticos, que podem ser beneficiados pelas vantagens proporcionadas pelo processamento paralelo disponível em sistemas embutidos multiprocessados. No algoritmo genético paralelo do modelo das ilhas, cada processador do sistema embutido é responsável pela evolução de uma população de forma independente dos demais. A fim de acelerar o processo evolutivo, o operador de migração é executado em intervalos definidos para realizar a migração dos melhores indivíduos entre as ilhas. Diferentes topologias lógicas, tais como anel, vizinhança e broadcast, são analisadas na fase de migração de indivíduos. Resultados experimentais são gerados para a otimização de três funções encontradas na literatura. / This dissertation presents an implementation of a parallel genetic algorithm using the coarse grained model, also known as the islands model, targeted to MPSoCs systems. MPSoC systems are becoming more and more complex, due to the greater computational power demanded by applications, mainly those that deal with multimedia, Internet and wireless communications, which are executed within these systems. Some of these applications are starting to use genetic algorithms, that can benefit from the parallel processing offered by MPSoC. In the island model for parallel genetic algorithm, each processor is responsible for evolving the corresponding population independently from the others. Aiming at accelerating the evolutionary process, the migration operator is executed periodically in order to migrate the best individuals among islands. Different logic topologies, such as ring, neighborhood and broadcast, are analyzed during the migration step. Experimental results are generated for the optimization of three functions found in the literature.

As próximas gerações de processadores many-core exigem que novas abordagens no projeto de arquitetura de processadores sejam propostas. Neste novo contexto, as redes de comunicação intra-chip são importantes para garantir o desempenho dos programas. Soluções tradicionais de interconexão possuem limites físicos que comprometem a escalabilidade e o desempenho no processamento de aplicações paralelas de diversos tipos. A alternativa apontada pelo estado da arte é a Network-on-Chip (NoC) composta por roteadores e outros elementos de rede capazes de prover comunicação escalável e de alto desempenho. No entanto, as cargas de trabalho geram padrões de comunicação diferentes que podem influenciar no desempenho da rede. Existem pesquisas que abordam metodologias de projeto dedicado de NoCs em função de domínios de aplicações específicos. Apesar de uma NoC dedicada possuir um alto desempenho, cargas de trabalho paralelas geram padrões de comunicação coletiva que mudam dinamicamente. Com o objetivo de aumentar a flexibilidade de redes-em-chip, trabalhos correlatos utilizam conceitos de computação reconfigurável para aumentar a capacidade da arquitetura da NoC se adaptar em função de padrões de comunicação. Alguns trabalhos focam na programação de FPGAs e outros em ASICs polimórficos. O objetivo desta tese é propor uma arquitetura de Network-on-Chip que suporte múltiplos clusters de núcleos de processamento através de roteadores programáveis e de topologias reconfiguráveis. Cada roteador é composto por uma chave crossbar reconfigurável capaz de implementar topologias dinamicamente através do uso de um segundo nível de reconfiguração. Os roteadores possuem processadores de rede que aumentam a flexibilidade e a capacidade da NoC se adaptar ao padrão de comunicação através de programas que monitoram e gerenciam a rede. Portanto, a contribuição da tese é a Arquitetura de NoC Programável Baseada em Múltiplos Clusters de Cores. Os resultados baseados em modelos analíticos e de simulação, e cargas de trabalho artificiais e naturais, mostram que a arquitetura da NoC possui um alto desempenho e vazão de pacotes, proporcionados pela adaptação de topologias e redução da influência da rede na comunicação. A ocupação em FPGA mostra que os roteadores programáveis possuem tamanho similares a NoCs com arquiteturas tradicionais para gerenciamento de mesma quantidade de núcleos. A menor utilização de buffers de entrada resulta em uma melhor eficiência no consumo de potência e energia. Portanto, através dos modelos de projeto e avaliação foi possível verificar através dos resultados que a arquitetura da MCNoC é uma alternativa para suportar padrões de comunicações coletivas. / For the next generation of many-core processors, new design methodologies must be proposed. In this context, on-chip interconnections are important to assure the program performance. Traditional approaches of interconnections have physical constraints that reduce the scalability and performance to process parallel applications. The state-of-theart points out to the Network-on-Chip (NoC), which consists of routers and other network devices capable of increasing the communication scalability and performance. However, workloads produce different types of communication patterns, which can influence the network performance. There are research works that explore applicationspecific NoC design to response the demand on specific workloads. Although a dedicated NoC has a high performance, parallel workloads have different collective communication patterns. In order to increase the flexibility of NoCs, related works use concepts of reconfigurable computing to add architecture adaptability to support dynamic communication patterns. Some works focus on FPGA-based reconfiguration and others on polymorphic ASICs. The goal of this thesis is to propose an alternative Programmable Multi-Cluster NoC architecture. Each router consists of a reconfigurable crossbar switch capable of implementing dynamic topologies through a second reconfiguration level. The routers have network processors that increase the flexibility and the NoC adaptability through management programs in order to support different workloads. Therefore, the contribution of this thesis is the following: A Programmable Multi-Cluster NoC (MCNoC) architecture. Based on analytical and simulation models, and artificial and natural workloads, results show the high performance and throughput for the proposed NoC architecture, due to the adaptable topologies and low network latency impact. Results based on FPGA shows a similar component utilization considering the proposed programmable NoC relative to conventional NoC architectures for the same number of processing cores. The low utilization of input buffers improves the efficiency of power and energy consumption. Therefore, through design and evaluation models, the NoC proposal was verified and the results point out the MCNoC as an alternative architecture to support collective communication patterns.

As redes-em-chip (NoCs) surgiram como uma alternativa aos atuais problemas de interconexão decorrentes da redução da escala de tecnologia de fabricação de circuitos integrados. O desenvolvimento de transistores com nanômetros de largura tem permitido a inserção de sistemas altamente complexos em uma única pastilha de silício. Dessa forma, os SoCs (Systems-on-Chip) passaram a constituir inúmeros elementos de processamentos (EPs) e as NoCs têm se apresentado como uma opção eficiente no provimento da interconexão dos mesmos, permitindo maior escalabilidade e paralelismo ao sistema. No entanto, esta conexão não é realizada de forma direta. Todo sistema conectado por uma NoC necessita de interfaces de rede (NIs) para intermediar a conexão dos elementos de processamento aos roteadores da rede. O objetivo desse trabalho é apresentar soluções arquiteturais de interfaces de rede para NoCs que atendam diferentes aplicações de forma genérica. Neste trabalho foram desenvolvidas interfaces de redes reutilizáveis e parametrizáveis, e para atender a estas características, as interfaces de rede possibilitam a configuração de diversos parâmetros arquiteturais, como largura da palavra de dados dos EPs, profundidade das FIFOs das interfaces, profundidade das FIFOs da NoC e largura de dados da rede, possibilitando prover a interconexão de qualquer aplicação com um mínimo de reprojeto. As interfaces de rede, juntamente com a NoC, são responsáveis pelo desempenho da comunicação da aplicação e, para isso, o projeto de uma NI deve ser capaz de atender aos requisitos do sistema, por isso, a importância de se obter um projeto de NIs flexível. Para validar as arquiteturas das NIs desenvolvidas, os módulos do decodificador de vídeo no contexto do padrão H.264 foram conectados à NoC através das interfaces projetadas. A partir dessa implementação, puderam-se levantar diversas necessidades que devem ser atendidas pelas NIs. Por fim, foram analisados os resultados de síntese das NIs para diferentes configurações. Também foram verificados os resultados de síntese e desempenho do decodificador de vídeo H.264 conectado pelas NIs à NoC. Com relação aos resultados de síntese em FPGA, a implementação do decodificador de vídeo com NoC e NIs não apresentou um grande aumento em área quando comparada a implementação com conexão ponto-a-ponto. Além disso, para diferentes configurações das NIs, a NoC pode ser utilizada atendendo aos requisitos de desempenho exigidos pela aplicação, sem a necessidade de operar na sua máxima taxa de operação para a resolução QCIF. / Networks-on-Chip (NoCs) have emerged as an alternative to the current interconnection problems arising from the scaling technology for manufacturing integrated circuits. The development of transistors with nanometer-wide has enabled the integration of highly complex systems on a single silicon wafer. Thus, SoCs (Systemson- Chip) have integrated numerous processing elements (EPs) and NoCs have been presented as an effective option in providing the interconnection of these elements, allowing scalability and parallelism to the system. However, this connection is not done directly. Every system connected by NoC needs network interfaces to intermediate the connection of processing elements to network routers. The goal of this thesis is to present architectural solutions for network interfaces for applications in general. In this work we developed a generic, reusable and configurable network interface. The proposed network interface enables the configuration of several architectural parameters, such as data width of the packets, FIFOs depth of the interfaces, FIFO depth and data width of the NoC, and thus, being able to provide the interconnection of any application with a minimal redesign. Network interfaces, together with the NoC, are responsible for application performance and, therefore, the design of an NI should be able to support the system requirements. To validate the architecture of developed NI, the modules of H.264 decoder were connected to NoC through designed interface. From this implementation, one could raise several needs that must be supported by the NIs. Finally, we analyzed the results of synthesis of the NIs for different configurations. It was also analyzed the results of synthesis and performance of H.264 video decoder connected by NIs to NoC. According to results for FPGA synthesis, the implementation of video decoder with NoC and NIs did not show a large increase in area when compared with the implementation of peer-to-peer. Moreover, for different configurations, the NoC can be used according to time requisitions required by the application, without the need to operate at its maximum operation frequency for QCIF resolution.

O projeto de sistemas eletrônicos atuais segue o paradigma do reuso de componentes de hardware. Este paradigma reduz a complexidade do projeto de um chip, mas cria novos desafios para o projetista do sistema em relação ao teste do produto final. O acesso aos núcleos profundamente embutidos no sistema, a integração dos diversos métodos de teste e a otimização dos diversos fatores de custo do sistema são alguns dos problemas que precisam ser resolvidos durante o planejamento do teste de produção do novo circuito. Neste contexto, esta tese propõe duas abordagens para o planejamento de teste de sistemas integrados. As abordagens propostas têm como principal objetivo a redução dos custos de teste através do reuso dos recursos de hardware disponíveis no sistema e da integração do planejamento de teste no fluxo de projeto do circuito. A primeira abordagem considera os sistemas cujos componentes se comunicam através de conexões dedicadas ou barramentos funcionais. O método proposto consiste na definição de um mecanismo de acesso aos componentes do circuito e de um algoritmo para exploração do espaço de projeto. O mecanismo de acesso prevê o reuso das conexões funcionais, o uso de barramentos de teste locais, núcleos transparentes e outros modos de passagem do sinal de teste. O algoritmo de escalonamento de teste é definido juntamente com o mecanismo de acesso, de forma que diferentes combinações de custos sejam exploradas. Além disso, restrições de consumo de potência do sistema podem ser consideradas durante o escalonamento dos testes. Os resultados experimentais apresentados para este método mostram claramente a variedade de soluções que podem ser exploradas e a efi- ciência desta abordagem na otimização do teste de um sistema complexo. A segunda abordagem de planejamento de teste propõe o reuso de redes em-chip como mecanismo de acesso aos componentes dos sistemas construídos sobre esta plataforma de comunicação. Um algoritmo de escalonamento de teste que considera as restrições de potência da aplicação é apresentado e a estratégia de teste é avaliada para diferentes configurações do sistema. Os resultados experimentais mostram que a capacidade de paralelização da rede em-chip pode ser explorada para reduzir o tempo de teste do sistema, enquanto os custos de área e pinos de teste são drasticamente minimizados. Neste manuscrito, os principais problemas relacionados ao teste dos sistemas integrados baseados em componentes virtuais são identificados e as soluções já apresentadas na literatura são discutidas. Em seguida, os problemas tratados por este traballho são listados e as abordagens propostas são detalhadas. Ambas as técnicas são validadas através dos sistemas disponíveis no ITC’02 SoC Test Benchmarks. As técnicas propostas são ainda comparadas com outras abordagens de teste apresentadas recentemente. Esta comparação confirma a eficácia dos métodos desenvolvidos nesta tese. / Electronic applications are currently developed under the reuse-based paradigm. This design methodology presents several advantages for the reduction of the design complexity, but brings new challenges for the test of the final circuit. The access to embedded cores, the integration of several test methods, and the optimization of the several cost factors are just a few of the several problems that need to be tackled during test planning. Within this context, this thesis proposes two test planning approaches that aim at reducing the test costs of a core-based system by means of hardware reuse and integration of the test planning into the design flow. The first approach considers systems whose cores are connected directly or through a functional bus. The test planning method consists of a comprehensive model that includes the definition of a multi-mode access mechanism inside the chip and a search algorithm for the exploration of the design space. The access mechanism model considers the reuse of functional connections as well as partial test buses, cores transparency, and other bypass modes. The test schedule is defined in conjunction with the access mechanism so that good trade-offs among the costs of pins, area, and test time can be sought. Furthermore, system power constraints are also considered. This expansion of concerns makes it possible an efficient, yet fine-grained search, in the huge design space of a reuse-based environment. Experimental results clearly show the variety of trade-offs that can be explored using the proposed model, and its effectiveness on optimizing the system test plan. Networks-on-chip are likely to become the main communication platform of systemson- chip. Thus, the second approach presented in this work proposes the reuse of the on-chip network for the test of the cores embedded into the systems that use this communication platform. A power-aware test scheduling algorithm aiming at exploiting the network characteristics to minimize the system test time is presented. The reuse strategy is evaluated considering a number of system configurations, such as different positions of the cores in the network, power consumption constraints and number of interfaces with the tester. Experimental results show that the parallelization capability of the network can be exploited to reduce the system test time, whereas area and pin overhead are strongly minimized. In this manuscript, the main problems of the test of core-based systems are firstly identified and the current solutions are discussed. The problems being tackled by this thesis are then listed and the test planning approaches are detailed. Both test planning techniques are validated for the recently released ITC’02 SoC Test Benchmarks, and further compared to other test planning methods of the literature. This comparison confirms the efficiency of the proposed methods.

Les réseaux sur puces (SoCs - Networks-on-chip) sont apparus durant la dernière décennie en tant que solution flexible et efficace pour interconnecter le nombre toujours croissant d'éléments inclus dans les systèmes sur puces (SoCs - Systems-on-chip). Les réseaux sur puces sont en mesure de répondre aux besoins grandissants en bande-passante et en scalabilité tout en respectant des contraintes fortes de performances. Cependant, ils sont habituellement caractérisés par un grand nombre de paramètres architecturaux et d'implémentation qui forment un vaste espace de conception. Dans ces conditions, trouver une architecture de NoC adaptée aux besoins d'une plateforme précise est un problème difficile. De plus, la plupart des grands choix architecturaux (topologie, routage, qualité de service) sont généralement faits au niveau architectural durant les premières étapes du flot de conception, mais mesurer les effets de ces décisions majeures sur les performances finales du système est complexe à un tel niveau d'abstraction. Les analyses statiques (méthodes non basées sur des simulations) sont apparues pour répondre à ce besoin en méthodes d'estimations des performances des SoCs fiables et disponibles rapidement dans le flot de conception. Au vu du haut niveau d'abstraction utilisé, il est irréaliste de s'attendre à une estimation précise des performances et coûts de la puce finale. L'objectif principal est alors la fidélité (caractérisation des grandes tendances d'une métrique permettant une comparaison équitable des alternatives) plutôt que la précision. Cette thèse propose une méthodologie de modélisation pour concevoir des analyses statiques des coûts des composants des NoCs. La méthode proposée est principalement orientée vers la généralité. En particulier, aucune hypothèse n'est faite ni sur le nombre de paramètres des composants ni sur la nature des dépendances de la métrique considérée sur ces mêmes paramètres. Nous sommes alors en mesure de modéliser des composants proposant des millions de possibilités de configurations (ordre de 1e+30 possibilités de configurations) et d'estimer le coût de réseaux sur puce composés d'un grand nombre de ces composants au niveau architectural. Il est complexe de modéliser ce type de composants avec des modèles analytiques expérimentaux à cause du trop grand nombre de possibilités de configurations. Nous proposons donc un flot entièrement automatisé qui peut être appliqué tel quel à n'importe quelles architectures et technologies. Le flot produit des prédicteurs de coûts des composants des réseaux sur puce capables d'estimer les différentes métriques pour n'importe quelles configurations de l'espace de conception en quelques secondes. Le flot conçoit des modèles analytiques à grains fins sur la base de résultats obtenus au niveau porte et d'une méthode d'apprentissage automatique. Il est alors capable de concevoir des modèles présentant une meilleure fidélité que les méthodes basées uniquement sur des théories mathématiques tout en conservant leurs qualités principales (basse complexité, disponibilité précoce). Nous proposons d'utiliser une méthode d'interpolation basée sur la théorie de Kriging. La théorie de Kriging permet de minimiser le nombre d'exécutions du flot d'implémentation nécessaires à la modélisation tout en caractérisant le comportement des métriques à la fois localement et globalement dans l'espace. La méthode est appliquée pour modéliser la surface logique des composants clés des réseaux sur puces. L'inclusion du trafic dans la méthode est ensuite traitée et un modèle de puissance statique et dynamique moyenne des routeurs est conçu sur cette base. / In the last decade, Networks-on-chip (NoCs) have emerged as an efficient and flexible interconnect solution to handle the increasing number of processing elements included in Systems-on-chip (SoCs). NoCs are able to handle high-bandwidth and scalability needs under tight performance constraints. However, they are usually characterized by a large number of architectural and implementation parameters, resulting in a vast design space. In these conditions, finding a suitable NoC architecture for specific platform needs is a challenging issue. Moreover, most of main design decisions (e.g. topology, routing scheme, quality of service) are usually made at architectural-level during the first steps of the design flow, but measuring the effects of these decisions on the final implementation at such high level of abstraction is complex. Static analysis (i.e. non-simulation-based methods) has emerged to fulfill this need of reliable performance and cost estimation methods available early in the design flow. As the level of abstraction of static analysis is high, it is unrealistic to expect an accurate estimation of the performance or cost of the chip. Fidelity (i.e. characterization of the main tendencies of a metric) is thus the main objective rather than accuracy. This thesis proposes a modeling methodology to design static cost analysis of NoC components. The proposed method is mainly oriented towards generality. In particular, no assumption is made neither on the number of parameters of the components nor on the dependences of the modeled metric on these parameters. We are then able to address components with millions of configurations possibilities (order of 1e+30 configuration possibilities) and to estimate cost of complex NoCs composed of a large number of these components at architectural-level. It is difficult to model that kind of components with experimental analytical models due to the huge number of configuration possibilities. We thus propose a fully-automated modeling flow which can be applied directly to any architecture and technology. The output of the flow is a NoC component cost predictor able to estimate a metric of interest for any configuration of the design space in few seconds. The flow builds fine-grained analytical models on the basis of gate-level results and a machine-learning method. It is then able to design models with a better fidelity than purely-mathematical methods while preserving their main qualities (i.e. low complexity, early availability). Moreover, it is also able to take into account the effects of the technology on the performance. We propose to use an interpolation method based on Kriging theory. By using Kriging methodology, the number of implementation flow runs required in the modeling process is minimized and the main characteristics of the metrics in space are modeled both globally and locally. The method is applied to model logic area of key NoC components. The inclusion of traffic is then addressed and a NoC router leakage and average dynamic power model is designed on this basis.

Les progrès dans les technologies à base de semi-conducteurs et la demande croissante de puissance de calcul poussent vers une intégration dans une même puce de plus en plus de processeurs intégrés. Par conséquent les réseaux sur puce remplacent progressivement les bus de communication, ceux-ci offrant plus de débit et permettant une mise à l'échelle simplifiée. Parallèlement, la réduction de la finesse de gravure entraine une augmentation de la sensibilité des circuits au processus de fabrication et à son environnement d'utilisation. Les défauts de fabrication et le taux de défaillances pendant la durée de vie du circuit augmentent lorsque l'on passe d'une technologie à une autre. Intégrer des techniques de tolérance aux fautes dans un circuit devient indispensable, en particulier pour les circuits évoluant dans un environnement très sensible (aérospatial, automobile, santé, ...). Nous présentons dans ce travail de thèse, des techniques permettant d'améliorer la tolérance aux fautes des micro-réseaux intégrés dans des circuits évoluant dans un environnement difficile. Le NoC doit ainsi être capable de s'affranchir de la présence de nombreuses fautes. Les travaux publiés jusqu'ici proposaient des solutions pour un seul type de faute. En considérant les contraintes de surface et de consommation du domaine de l'embarqué, nous avons proposé un algorithme de routage adaptatif tolérant à la fois les fautes intermittentes, transitoires et permanentes. En combinant et adaptant des techniques existantes de retransmission de flits, de fragmentation et de regroupement de paquet, notre approche permet de s'affranchir de nombreuses fautes statiques et dynamiques. Les très nombreuses simulations réalisées ont permis de montrer entre autre que, l'algorithme proposé permet d'atteindre un taux de livraison de paquets de 97,68% pour un NoC 16x16 en maille 2D en présence de 384 liens défectueux simultanés, et 93,40% lorsque 103 routeurs sont défaillants. Nous avons étendu l'algorithme aux topologies de type tore avec des résultats bien meilleurs.Une autre originalité de cette thèse est que nous avons inclus dans cet algorithme une fonction de gestion de la congestion. Pour cela nous avons défini une nouvelle métrique de mesure de la congestion (Flit Remain) plus pertinente que les métriques utilisées et publiées jusqu'ici. Les expériences ont montré que l'utilisation de cette métrique permet de réduire la latence (au niveau du pic de saturation) de 2,5 % à 16,1 %, selon le type de trafic généré, par rapport à la plus efficace des métriques existante. La combinaison du routage adaptatif tolérant les fautes statiques et dynamiques et la gestion de la congestion offrent une solution qui permet d'avoir un NoC et par extension un circuit beaucoup plus résilient. / The quest for higher-performance and low-power consumption has driven the microelectronics' industry race towards aggressive technology scaling and multicore chip designs. In this many-core era, the Network-on-chip (NoCs) becomes the most promising solution for on-chip communication because of its performance scaling with the number of IPs integrated in the chip.Fault tolerance becomes mandatory as the CMOS technology continues shrinking down. The yield and the reliability are more and more affected by factors such as manufacturing defects, process variations, environment variations, cosmic radiations, and so on. As a result, the designs should be able to provide full functionality (e.g. critical systems), or at least allow degraded mode in a context of high failure rates. To accomplish this, the systems should be able to adapt to manufacturing and runtime failures.In this thesis, some techniques are proposed to improve the fault tolerance ability of NoC based circuits working in harsh environments. As previous works allow the handling of one type of fault at a time, we propose here a solution where different kinds of faults can be tolerated concurrently.Considering constraints such as area and power consumption, a fault tolerant adaptive routing algorithm was proposed, which can cope with transient, intermittent and permanent faults. Combined with some existing techniques, like flit retransmission and packet fragmentation, this approach allows tolerating numerous static and dynamic faults. Simulations results show that the proposed solution allows a high packet delivery success rate: for a 16x16 2D Mesh NoC, 97.68% in the presence of 384 simultaneous link faults, and 93.40% with the presence of 103 simultaneous router faults. This success rate is even higher when this algorithm is extended to NoCs with Tore topology. Another contribution of this thesis is the inclusion of a congestion management function in the proposed routing algorithm. For this purpose, we introduce a novel metric of congestion measurement named Flit Remain. The experimental results show that using this new congestion metric allows a reduction of the average latency of the Network on Chip from 2.5% to 16.1% when compared to the existing metrics.The combination of static and dynamic fault tolerant and adaptive routing and the congestion management offers a solution, which allows designing a NoC highly resilient.

As redes-em-chip (NoCs) surgiram como uma alternativa aos atuais problemas de interconexão decorrentes da redução da escala de tecnologia de fabricação de circuitos integrados. O desenvolvimento de transistores com nanômetros de largura tem permitido a inserção de sistemas altamente complexos em uma única pastilha de silício. Dessa forma, os SoCs (Systems-on-Chip) passaram a constituir inúmeros elementos de processamentos (EPs) e as NoCs têm se apresentado como uma opção eficiente no provimento da interconexão dos mesmos, permitindo maior escalabilidade e paralelismo ao sistema. No entanto, esta conexão não é realizada de forma direta. Todo sistema conectado por uma NoC necessita de interfaces de rede (NIs) para intermediar a conexão dos elementos de processamento aos roteadores da rede. O objetivo desse trabalho é apresentar soluções arquiteturais de interfaces de rede para NoCs que atendam diferentes aplicações de forma genérica. Neste trabalho foram desenvolvidas interfaces de redes reutilizáveis e parametrizáveis, e para atender a estas características, as interfaces de rede possibilitam a configuração de diversos parâmetros arquiteturais, como largura da palavra de dados dos EPs, profundidade das FIFOs das interfaces, profundidade das FIFOs da NoC e largura de dados da rede, possibilitando prover a interconexão de qualquer aplicação com um mínimo de reprojeto. As interfaces de rede, juntamente com a NoC, são responsáveis pelo desempenho da comunicação da aplicação e, para isso, o projeto de uma NI deve ser capaz de atender aos requisitos do sistema, por isso, a importância de se obter um projeto de NIs flexível. Para validar as arquiteturas das NIs desenvolvidas, os módulos do decodificador de vídeo no contexto do padrão H.264 foram conectados à NoC através das interfaces projetadas. A partir dessa implementação, puderam-se levantar diversas necessidades que devem ser atendidas pelas NIs. Por fim, foram analisados os resultados de síntese das NIs para diferentes configurações. Também foram verificados os resultados de síntese e desempenho do decodificador de vídeo H.264 conectado pelas NIs à NoC. Com relação aos resultados de síntese em FPGA, a implementação do decodificador de vídeo com NoC e NIs não apresentou um grande aumento em área quando comparada a implementação com conexão ponto-a-ponto. Além disso, para diferentes configurações das NIs, a NoC pode ser utilizada atendendo aos requisitos de desempenho exigidos pela aplicação, sem a necessidade de operar na sua máxima taxa de operação para a resolução QCIF. / Networks-on-Chip (NoCs) have emerged as an alternative to the current interconnection problems arising from the scaling technology for manufacturing integrated circuits. The development of transistors with nanometer-wide has enabled the integration of highly complex systems on a single silicon wafer. Thus, SoCs (Systemson- Chip) have integrated numerous processing elements (EPs) and NoCs have been presented as an effective option in providing the interconnection of these elements, allowing scalability and parallelism to the system. However, this connection is not done directly. Every system connected by NoC needs network interfaces to intermediate the connection of processing elements to network routers. The goal of this thesis is to present architectural solutions for network interfaces for applications in general. In this work we developed a generic, reusable and configurable network interface. The proposed network interface enables the configuration of several architectural parameters, such as data width of the packets, FIFOs depth of the interfaces, FIFO depth and data width of the NoC, and thus, being able to provide the interconnection of any application with a minimal redesign. Network interfaces, together with the NoC, are responsible for application performance and, therefore, the design of an NI should be able to support the system requirements. To validate the architecture of developed NI, the modules of H.264 decoder were connected to NoC through designed interface. From this implementation, one could raise several needs that must be supported by the NIs. Finally, we analyzed the results of synthesis of the NIs for different configurations. It was also analyzed the results of synthesis and performance of H.264 video decoder connected by NIs to NoC. According to results for FPGA synthesis, the implementation of video decoder with NoC and NIs did not show a large increase in area when compared with the implementation of peer-to-peer. Moreover, for different configurations, the NoC can be used according to time requisitions required by the application, without the need to operate at its maximum operation frequency for QCIF resolution.

As próximas gerações de processadores many-core exigem que novas abordagens no projeto de arquitetura de processadores sejam propostas. Neste novo contexto, as redes de comunicação intra-chip são importantes para garantir o desempenho dos programas. Soluções tradicionais de interconexão possuem limites físicos que comprometem a escalabilidade e o desempenho no processamento de aplicações paralelas de diversos tipos. A alternativa apontada pelo estado da arte é a Network-on-Chip (NoC) composta por roteadores e outros elementos de rede capazes de prover comunicação escalável e de alto desempenho. No entanto, as cargas de trabalho geram padrões de comunicação diferentes que podem influenciar no desempenho da rede. Existem pesquisas que abordam metodologias de projeto dedicado de NoCs em função de domínios de aplicações específicos. Apesar de uma NoC dedicada possuir um alto desempenho, cargas de trabalho paralelas geram padrões de comunicação coletiva que mudam dinamicamente. Com o objetivo de aumentar a flexibilidade de redes-em-chip, trabalhos correlatos utilizam conceitos de computação reconfigurável para aumentar a capacidade da arquitetura da NoC se adaptar em função de padrões de comunicação. Alguns trabalhos focam na programação de FPGAs e outros em ASICs polimórficos. O objetivo desta tese é propor uma arquitetura de Network-on-Chip que suporte múltiplos clusters de núcleos de processamento através de roteadores programáveis e de topologias reconfiguráveis. Cada roteador é composto por uma chave crossbar reconfigurável capaz de implementar topologias dinamicamente através do uso de um segundo nível de reconfiguração. Os roteadores possuem processadores de rede que aumentam a flexibilidade e a capacidade da NoC se adaptar ao padrão de comunicação através de programas que monitoram e gerenciam a rede. Portanto, a contribuição da tese é a Arquitetura de NoC Programável Baseada em Múltiplos Clusters de Cores. Os resultados baseados em modelos analíticos e de simulação, e cargas de trabalho artificiais e naturais, mostram que a arquitetura da NoC possui um alto desempenho e vazão de pacotes, proporcionados pela adaptação de topologias e redução da influência da rede na comunicação. A ocupação em FPGA mostra que os roteadores programáveis possuem tamanho similares a NoCs com arquiteturas tradicionais para gerenciamento de mesma quantidade de núcleos. A menor utilização de buffers de entrada resulta em uma melhor eficiência no consumo de potência e energia. Portanto, através dos modelos de projeto e avaliação foi possível verificar através dos resultados que a arquitetura da MCNoC é uma alternativa para suportar padrões de comunicações coletivas. / For the next generation of many-core processors, new design methodologies must be proposed. In this context, on-chip interconnections are important to assure the program performance. Traditional approaches of interconnections have physical constraints that reduce the scalability and performance to process parallel applications. The state-of-theart points out to the Network-on-Chip (NoC), which consists of routers and other network devices capable of increasing the communication scalability and performance. However, workloads produce different types of communication patterns, which can influence the network performance. There are research works that explore applicationspecific NoC design to response the demand on specific workloads. Although a dedicated NoC has a high performance, parallel workloads have different collective communication patterns. In order to increase the flexibility of NoCs, related works use concepts of reconfigurable computing to add architecture adaptability to support dynamic communication patterns. Some works focus on FPGA-based reconfiguration and others on polymorphic ASICs. The goal of this thesis is to propose an alternative Programmable Multi-Cluster NoC architecture. Each router consists of a reconfigurable crossbar switch capable of implementing dynamic topologies through a second reconfiguration level. The routers have network processors that increase the flexibility and the NoC adaptability through management programs in order to support different workloads. Therefore, the contribution of this thesis is the following: A Programmable Multi-Cluster NoC (MCNoC) architecture. Based on analytical and simulation models, and artificial and natural workloads, results show the high performance and throughput for the proposed NoC architecture, due to the adaptable topologies and low network latency impact. Results based on FPGA shows a similar component utilization considering the proposed programmable NoC relative to conventional NoC architectures for the same number of processing cores. The low utilization of input buffers improves the efficiency of power and energy consumption. Therefore, through design and evaluation models, the NoC proposal was verified and the results point out the MCNoC as an alternative architecture to support collective communication patterns.