Este trabalho propõe e avalia uma nova abordagem para projeto de circuitos dedicados utilizando matrizes pré-difundidas. A principal vantagem desta abordagem, denominada Marcela, reside na decomposição lógica do circuito a ser implementado em termos de primitivas disponíveis na matriz escolhida. Aplicando-se tal procedimento, alcança-se grande flexibilidade em termos de posicionamento e roteamento, levando a uma melhor taxa de ocupação. Primeiramente, é feito um levantamento das abordagens para pré-difundidos correntemente encontradas e uma taxonomia baseada nas características mais relevantes é definida. As principais características da metodologia TRANCA são também mostradas. Leiautes gerados com os módulos TRAMO e TRAGO são analisados e algumas modificações na metodologia são sugeridas, visando uma exploração mais eficiente dos dois níveis de metal. As bases para o desenvolvimento da abordagem Marcela são então descritas. A abordagem consiste de uma nova arquitetura para pré-difundidos e uma estratégia específica de ocupação. As principais características da matriz de propósito geral Marcela, primeira a ser definida, são a ausência de canais de roteamento, com as conexões sendo realizadas sobre as células, e a utilização de quatro tipos de células básicas, cada uma dedicada à implementação de uma função lógica primitiva. As células básicas estão organizadas em unidades básicas, as quais são repetidas regularmente para formar a matriz, numa abordagem denominada mar de células. O problema do assinalamento de células e suas particularidades são solucionados utilizando-se uma combinação entre alocação sequencial e técnicas de particionamento. Primeiro, é alocada a mínima superfície da matriz capaz de comportar o circuito em questão, numa fase chamada pré-assinalamento. Na fase de otimização, partições são geradas respeitando a integridade das unidades básicas e trocas de células são realizadas entre os blocos de cada nova partição, em dois passos: trocas individuais, enquanto o bloco de destino não estiver cheio, e trocas de pares. Para o roteamento, foi desenvolvida no CPGCC/UFRGS uma ferramenta específica para ser utilizada em leiautes gerados segundo a metodologia TRANCA. Esta ferramenta, denominada MARTE [JOH 92a][JOH 92b], emprega o algoritmo de Lee básico com algumas modificações, tal como a geração de doglegs para trocas entre trilhas adjacentes. Com a finalidade de validar a abordagem, foram implementados alguns circuitos utilizando a abordagem Marcela e uma abordagem sea-of-gates tradicional. Para circuitos pequenos, tal como um flip-flop D, Marcela produziu uma melhor distribuição de conexões, a qual resulta em aumento da transparência. Porém, a taxa de ocupação encontrada foi menor do que a do circuito projetado com sea-of-gates. Por outro lado, para circuitos de complexidade maior, a área ocupada pode resultar bem menor do que no caso de se usar sea-of-gates, desde que sejam realizadas transformações lógicas apropriadas sobre a descrição equivalente Marcela ou uma matriz conveniente seja escolhida. Exemplos de leiautes desenvolvidos mostram que taxas de ocupação tão altas quanto 75% são atingidas. Finalmente, da observação de circuitos gerados automaticamente, foram tiradas conclusões sobre modificações na arquitetura da matriz e nos algoritmos, de forma a melhorar as taxas de ocupação para qualquer tipo de circuito. / This work proposes and evaluates a new approach for the design of ASICs using prediffused masterslices. The main advantage of this approach, called Marcela, relles on logic decomposition of the circuit to be implemented into the chosen masterslice available primitives. By applying this procedure, a great placement and routing flexibility is achieved, thus leading to a better transistor utilization rate. First, a survey on current prediffused approaches is done and an specific taxonomy is defined based on the main important features encountered. Also the main features of TRANCA methodology are shown. Layouts generated using TRAGO and TRAMO modules are analyzed and some modifications in the methodology are suggested, in order to better exploit both first and second metal layers. Marcela approach development basis are described. The approach consists of a new prediffused architecture and an specific occupation strategy. The main architectural features of the general purpose Marcela masterslice are the absence of routing channels, with the connections running over the cells, and the utilization of four types of basic cells, each of them dedicated to perform one primitive logic function. Basic cells are organized into basic units, which are spread a11 over the masterslice, in a so called sea-of-cells approach. The assignment problem and its peculiarities are solved by using a combination of sequential cell allocation and quadrature partition techniques. But first of all, a minimum masterslice area is allocated in a phase called preassignment. In the optimization phase, partitions are generated respecting basic units integrity and cell interchanges are applied to each new partition, following two steps: individual changes, while the target block is not, full. and pairwise interchange. For the routing problem, an specific tool has been developed at CPGCC/UFRGS for any module generator in which TRANCA methodology is applied. This tool, called MARTE [JOH 92a][JOH 92b], employs a basic Lee algorithm with some modifications as dogleg generation for changes between adjacent tracks. In order to validate the approach, some circuits have been implemented using a traditional sea-of-gates and Marcela approaches. For small circuits, as a D flip-flop, Marcela approach has produced a better wiring distribution, which results in increase of transparency. But the occupation rate was found to be smaller than that of the sea-of-gates approach. On the other hand, for more complex circuits the amount of used area can be smaller than that of sea-of-gates case, since appropriate logic transformations are applied to the Marcela logic equivalent or a well suit masterslice is used. Implemented examples show that utilization rates as high as 0.75 are achieved. Finally, from the observation of automatically generated layouts some modifications in masterslice architecture and in the algorithms are figured out.

abstract: Digital architectures for data encryption, processing, clock synthesis, data transfer, etc. are susceptible to radiation induced soft errors due to charge collection in complementary metal oxide semiconductor (CMOS) integrated circuits (ICs). Radiation hardening by design (RHBD) techniques such as double modular redundancy (DMR) and triple modular redundancy (TMR) are used for error detection and correction respectively in such architectures. Multiple node charge collection (MNCC) causes domain crossing errors (DCE) which can render the redundancy ineffectual. This dissertation describes techniques to ensure DCE mitigation with statistical confidence for various designs. Both sequential and combinatorial logic are separated using these custom and computer aided design (CAD) methodologies. Radiation vulnerability and design overhead are studied on VLSI sub-systems including an advanced encryption standard (AES) which is DCE mitigated using module level coarse separation on a 90-nm process with 99.999% DCE mitigation. A radiation hardened microprocessor (HERMES2) is implemented in both 90-nm and 55-nm technologies with an interleaved separation methodology with 99.99% DCE mitigation while achieving 4.9% increased cell density, 28.5 % reduced routing and 5.6% reduced power dissipation over the module fences implementation. A DMR register-file (RF) is implemented in 55 nm process and used in the HERMES2 microprocessor. The RF array custom design and the decoders APR designed are explored with a focus on design cycle time. Quality of results (QOR) is studied from power, performance, area and reliability (PPAR) perspective to ascertain the improvement over other design techniques. A radiation hardened all-digital multiplying pulsed digital delay line (DDL) is designed for double data rate (DDR2/3) applications for data eye centering during high speed off-chip data transfer. The effect of noise, radiation particle strikes and statistical variation on the designed DDL are studied in detail. The design achieves the best in class 22.4 ps peak-to-peak jitter, 100-850 MHz range at 14 pJ/cycle energy consumption. Vulnerability of the non-hardened design is characterized and portions of the redundant DDL are separated in custom and auto-place and route (APR). Thus, a range of designs for mission critical applications are implemented using methodologies proposed in this work and their potential PPAR benefits explored in detail. / Dissertation/Thesis / Doctoral Dissertation Electrical Engineering 2017

abstract: The aging mechanism in devices is prone to uncertainties due to dynamic stress conditions. In AMS circuits these can lead to momentary fluctuations in circuit voltage that may be missed by a compact model and hence cause unpredictable failure. Firstly, multiple aging effects in the devices may have underlying correlations. The generation of new traps during TDDB may significantly accelerate BTI, since these traps are close to the dielectric-Si interface in scaled technology. Secondly, the prevalent reliability analysis lacks a direct validation of the lifetime of devices and circuits. The aging mechanism of BTI causes gradual degradation of the device leading to threshold voltage shift and increasing the failure rate. In the 28nm HKMG technology, contribution of BTI to NMOS degradation has become significant at high temperature as compared to Channel Hot Carrier (CHC). This requires revising the End of Lifetime (EOL) calculation based on contribution from induvial aging effects especially in feedback loops. Conventionally, aging in devices is extrapolated from a short-term measurement, but this practice results in unreliable prediction of EOL caused by variability in initial parameters and stress conditions. To mitigate the extrapolation issues and improve predictability, this work aims at providing a new approach to test the device to EOL in a fast and controllable manner. The contributions of this thesis include: (1) based on stochastic trapping/de-trapping mechanism, new compact BTI models are developed and verified with 14nm FinFET and 28nm HKMG data. Moreover, these models are implemented into circuit simulation, illustrating a significant increase in failure rate due to accelerated BTI, (2) developing a model to predict accelerated aging under special conditions like feedback loops and stacked inverters, (3) introducing a feedback loop based test methodology called Adaptive Accelerated Aging (AAA) that can generate accurate aging data till EOL, (4) presenting simulation and experimental data for the models and providing test setup for multiple stress conditions, including those for achieving EOL in 1 hour device as well as ring oscillator (RO) circuit for validation of the proposed methodology, and (5) scaling these models for finding a guard band for VLSI design circuits that can provide realistic aging impact. / Dissertation/Thesis / Masters Thesis Electrical Engineering 2017

O Roteamento Global é responsável pelo planejamento da distribuição dos meios de interconexão dentro da área do circuito. Dentro da fase do projeto de circuitos conhecida como Síntese Física, essa fase situa-se após a etapa de posicionamento, que define uma posição exata para cada célula do circuito, e antes da etapa de roteamento detalhado que irá definir uma posição para cada meio de interconexão. Os roteadores globais utilizam uma versão abstrata e simplificada do circuito, que agrega uma região e toda a capacidade de fios que esta região comporta, trabalhando com o planejamento dessas capacidades em relação a demanda de interconexão entre as células do circuito. Este trabalho, apresenta um conjunto de técnicas para delimitação e tratamento de áreas que possuem alta demanda por meios de interconexão em circuitos VLSI. As técnicas são aplicadas em duas fases do fluxo de rotamento global: a primeira é executada na fase de pré-roteamento, onde são identificadas as regiões que possuem alta demanda por interconexão, isto é, são destino ou origem de um número elevado fios em relação a sua capacidade de alocar meios de interconexão; a segunda etapa ocorre dentro da fase de roteamento iterativo, identificando e protegendo aquelas que regiões que possuem os níveis mais elevados de congestionamento. Para avaliar os impactos da aplicação das técnicas propostas, foi feita a implementação em um fluxo de roteamento global existente. A avaliação foi partir da extração de quatro métricas de roteamento global comumente utilizadas na literatura de síntese física, para análise de roteamento global: comprimento dos fios, valor total de congestionamento, máximo congestionamento de aresta e tempo de execução. A partir da execução de experimentos utilizando as técnicas, foi possível verificar ganhos de até 11% em redução do congestionamento total no circuito, em benchmarks para os quais ainda não se tem soluções válidas na literatura. Os tempos de execução obtiveram um redução de até 35%, quando comparados com a implementação usada como referência para aplicação das técnicas, o roteador GR-WL. Um dos efeitos colaterais da aplicação de técnicas de calibração de custos é o aumento do comprimento médio dos fios. Os resultados dos experimentos mostram que as técnicas propostas conseguem reduzir este efeito colateral para, no máximo, 1.39% de acordo com os benchmarks executados. / Global routing phase is responsible for the interconnect planning and distribution across the circuit area. During the integrated circuit project flow, the global routing is contained in the Physical Synthesis, after the placement, that is when the position of all circuit cells are defined, and before the detailed routing, when the position of all interonnection wires is realized. A simplified and abstrate version of the circuit routing area is used by the global router, that will agregate in a single vertex, an specific region of the circuit, that represents a bunch of interconnection with their total capacity. This work presents a set of techniques to delimit and threat areas that have high interconnection demand in VLSI circuits. These techniques are applied in two steps of the global routing flow: the first is executed during the initial routing, where the high interconnection demanding regions are identified. the second step is executed during the iterative routing, where the top offender regions are identified and heva their costs pre-allocated. In order to evaluate the impact of the proposed techniques, they are implemented in an existing global routing flow, and four metrics are collected: total wirelenght, execution time, total overflow and maximum overflow. Tha last two metrics will be different from zero just for the circuits that not have a valid solution. After the execution of the experiments it was possible to verify a reduction up to 11% in wirelenght, in some benchmarks that the literature do no have a valid solution. Furthermore, it was possible to verify a reduction up to 35% in the execution time, when compared to the reference implementation. Once we are including constraints in form of cost pre-allocation, it is possible to verify an wirelength increase in some cases. In this work, it was possible to observe a small presence of these side-effects, up to 1.39%, according to the executed benchmarks.

Este trabalho trata da aplicação de técnicas de minimização de consumo de potência para blocos digitais para o algoritmo de SAD e o decodificador H.264/AVC Intra-Only. Na descrição de hardware são acrescidas as técnicas de paralelismo e pipeline. Na síntese física e lógica, incluem-se as técnicas de inativação do relógio ( clock gating), múltiplas tensões de threshold, diferentes tecnologias e diferentes tensões de alimentação. A síntese é feita nas ferramentas da CadenceTM com exploração arquitetural e apresenta uma menor energia por operação, quando exigido desempenho equivalente (isoperformance ) para SAD, em baixa frequência, alto paralelismo e, principalmente, com um estágio de pipeline. Além disso, tecnologias CMOS mais avançadas diminuem o consumo de potência dinâmica e, em alguns casos, também diminuem a potência estática por gate equivalente, se utilizadas células High-VT e tensão de alimentação a menor possível. Outro fator a ser destacado é o uso do clock gating que no caso das arquiteturas de SAD, em vez de diminuir, aumenta o consumo de potência dinâmica. Neste trabalho foi realizada a síntese do decodificador Intra-Only. O decodificador com clock gating apresenta um menor consumo de potência, mostrando um caso em que esta técnica é benéfica. Além disso, a utilização de uma tecnologia CMOS 65 nm e, consequentemente, tensão de alimentação menor, levou a uma sensível diminuição no consumo de potência em relação a outros trabalhos similares. / This work presents low-power techniques applications to digital blocks in the SAD algorithm and in the Intra-Only H.264/AVC decoder. In the hardware description, we add parallelism and pipeline techniques. In the logical and physical synthesis exploration, includes the clock gating, multiple threshold voltage, different technologies and multiple supply voltage. The synthesis are done in the CadenceTM tools and show a smaller energy per operation in isoperformance for SAD at low frequency, high parallelism and, mainly, with one pipeline stage. In addition to that, more advanced CMOS technologies decrease the dynamic power consumption and, also, decrease the static power for equivalent gates, if using High-VT cells and lowest possible power supply. Another factor is the clock gating use that in the SAD architecture, instead of decreasing, increases the dynamic power consumption. In this work the design of an Intra-Only H.264/AVC Decoder was performed. This design with clock gating presents lower power consumption, showing a case in which this technique is beneficial in terms of dynamic power. Besides that, the 65 nm CMOS technology uses a lower power supply, resulting in lower power consumption in comparison to other related works.

Este trabalho visa explorar técnicas de projeto de células que possibilitem a minimização dos efeitos da variabilidade de processo sobre o comportamento elétrico dos circuitos integrados. Para este trabalho foram abordados aspectos de regularidade, principalmente na camada de polisilício. A técnica de folding foi explorada em conjunto com a regularidade como possível metodologia de projeto voltada para a minimização dos efeitos da variabilidade de processo. Leiautes de portas lógicas complexas e básicas foram criadas utilizando tecnologia em 65nm. Os netlists dos leiautes extraídos foram simulados utilizando modelos que refletiam os efeitos da variabilidade sobre os parâmetros tecnológicos mais afetados pela variabilidade de processo. Os parâmetros selecionados para este experimento foram a largura (W) e comprimento (L) do canal do transistor, espessura do óxido de porta (Tox) e a mobilidade (μ0) das cargas. Os dados referentes ao pior caso envolvendo atraso e potência consumida de cada porta foram utilizados como métricas de comparação. Os resultados encontrados demonstram que a utilização da técnica de folding juntamente com aspectos de regularidade tornaram os experimentos menos sensíveis às variações do processos de manufatura de circuitos integrados. Essas reduções de sensibilidade chegaram em algumas situações à 33.22% para as portas básicas e de 28.96% para as portas complexas. A adição de folding e regularidade da camada de polisilício, trazem desvantagens significativas em área e potência consumida de cada porta. Pelos experimentos realizados é possível verificar aumento superior a 100% em área de algumas portas e de até 20.54% de aumento em potência. A união destas duas técnicas pode ser utilizada para tornar, por exemplo, o caminho crítico de um circuito integrado mais robusto quanto as variações de temporização e de potência. / This paper aims to explore for design techniques that allow the minimization of the effects of process variability on the electrical behavior of integrated circuits. To this work were discussed aspects of regularity, especially in poly-silicon layer. The technique of it folding was explored in conjunction with the regularity as possible design methodology aimed to minimizing the effects of process variability. Complex and basic layouts logic gates were built using 65nm technology. The it netlists extracted from layouts of the gates were simulated using models that reflected the effects of variability on the main technological parameters such as W, L, Tx, mu0 of the charges. The worst delay of each port and power consumption parameters were used for comparison in this work. The results show that using the it folding with regularity aspects of the experiments turns the layout gates less sensitive to process variations. These sensitivity reductions reached in some situations to 33.22 % for the basic gates and 28.96 % for the complex gates created. This techniques brings significant disadvantages in size and power consumption. For the experiments you can check increase of over 100% in area and up than 20,54% increase in power. These techniques should be used with discretion, especially on projects where there are area or consumption restrictions.

Essa tese introduz um conjunto de algoritmos baseados em grafos para o mapeamento eficiente de circuitos VLSI com células simples. Os algoritmos propostos se baseiam em minimizar de maneira eficiente o número de elementos lógicos usados na implementação do circuito. Posteriormente, uma quantidade significativa de esforço é aplicada na minimização do número de inversores entre esses elementos lógicos. Por fim, essa representação lógica é mapeada para circuitos compostos somente por células NAND e NOR de duas entradas, juntamente com inversores. Células XOR e XNOR de duas entradas também podem ser consideradas. Como nós também consideramos circuitos sequenciais, flips-flops também são levados em consideração. Com o grande esforço de minimização de elementos lógicos, o circuito gerado pode conter algumas células com um fanout impraticável para os nodos tecnológicos atuais. Para corrigir essas ocorrências, nós propomos um algoritmo de limitação de fanout que considera tanto a área sendo utilizada pelas células quanto a sua profundidade lógica. Os algoritmos propostos foram aplicados sobre um conjunto de circuitos de benchmark e os resultados obtidos demonstram a utilidade dos métodos. Essa tese introduz um conjunto de algoritmos baseados em grafos para o mapeamento eficiente de circuitos VLSI com células simples. Os algoritmos propostos se baseiam em minimizar de maneira eficiente o número de elementos lógicos usados na implementação do circuito. Posteriormente, uma quantidade significativa de esforço é aplicada na minimização do número de inversores entre esses elementos lógicos. Por fim, essa representação lógica é mapeada para circuitos compostos somente por células NAND e NOR de duas entradas, juntamente com inversores. Células XOR e XNOR de duas entradas também podem ser consideradas. Como nós também consideramos circuitos sequenciais, flips-flops também são levados em consideração. Com o grande esforço de minimização de elementos lógicos, o circuito gerado pode conter algumas células com um fanout impraticável para os nodos tecnológicos atuais. Para corrigir essas ocorrências, nós propomos um algoritmo de limitação de fanout que considera tanto a área sendo utilizada pelas células quanto a sua profundidade lógica. Os algoritmos propostos foram aplicados sobre um conjunto de circuitos de benchmark e os resultados obtidos demonstram a utilidade dos métodos. Adicionalmente, algumas aplicações Morethan-Moore, tais como circuitos baseados em eletrônica impressa, também podem ser beneficiadas pela abordagem proposta. / This thesis introduces a set of graph-based algorithms for efficiently mapping VLSI circuits using simple cells. The proposed algorithms are concerned to, first, effectively minimize the number of logic elements implementing the synthesized circuit. Then, we focus a significant effort on minimizing the number of inverters in between these logic elements. Finally, this logic representation is mapped into a circuit comprised of only two-input NANDs and NORS, along with the inverters. Two-input XORs and XNORs can also be optionally considered. As we also consider sequential circuits in this work, flip-flops are taken into account as well. Additionally, with high-effort optimization on the number of logic elements, the generated circuits may contain some cells with unfeasible fanout for current technology nodes. In order to fix these occurrences, we propose an area-oriented, level-aware algorithm for fanout limitation. The proposed algorithms were applied over a set of benchmark circuits and the obtained results have shown the usefulness of the method. We show that efficient implementations in terms of inverter count, transistor count, area, power and delay can be generated from circuits with a reduced number of both simple cells and inverters, combined with XOR/XNOR-based optimizations. The proposed buffering algorithm can handle all unfeasible fanout occurrences, while (i) optimizing the number of added inverters; and (ii) assigning cells to the inverter tree based on their level criticality. When comparing with academic and commercial approaches, we are able to simultaneously reduce the average number of inverters, transistors, area, power dissipation and delay up to 48%, 5%, 5%, 5%, and 53%, respectively. As the adoption of a limited set of simple standard cells have been showing benefits for a variety of modern VLSI circuits constraints, such as layout regularity, routability constraints, and/or ultra low power constraints, the proposed methods can be of special interest for these applications. Additionally, some More-than-Moore applications, such as printed electronics designs, can also take benefit from the proposed approach.

A compressão de vídeo é um tema extremamente relevante no cenário atual, principalmente devido ao crescimento significativo da utilização de vídeos digitais. Sem a compressão, é praticamente impossível enviar ou armazenar vídeos digitais devido à sua grande quantidade de informações, inviabilizando aplicações como televisão digital de alta definição, vídeo conferência, vídeo chamada para celulares etc. O problema vem se tornando maior com o crescimento de aplicações de vídeos de alta definição, onde a quantidade de informação é consideravelmente maior. Diversos padrões de compressão de vídeo foram desenvolvidos nos últimos anos, todos eles podem gerar grandes taxas de compressão. Os padrões de compressão de vídeo atuais obtêm a maior parte dos seus ganhos de compressão explorando a redundância temporal, através da estimação de movimento. No entanto, os algoritmos de estimação de movimento utilizados atualmente não consideram as variações nas características dos vídeos de alta definição. Neste trabalho uma avaliação da estimação de movimento em vídeos de alta definição é apresentada, demonstrando que algoritmos rápidos conhecidos, e largamente utilizados pela comunidade científica, não apresentam os mesmos resultados de qualidade com o aumento da resolução dos vídeos. Isto demonstra a importância do desenvolvimento de novos algoritmos focados em vídeos de altíssima definição, superiores à HD 1080p. Esta tese apresenta o desenvolvimento de novos algoritmos rápidos de estimação de movimento, focados na codificação de vídeos de alta definição. Os algoritmos desenvolvidos nesta tese apresentam características que os tornam menos suscetíveis à escolha de mínimos locais, resultando em ganhos significativos de qualidade em relação aos algoritmos rápidos convencionais, quando aplicados a vídeos de alta definição. Além disso, este trabalho também visa o desenvolvimento de arquiteturas de hardware dedicadas para estes novos algoritmos, igualmente dedicadas a vídeos de alta definição. O desenvolvimento arquitetural é extremamente relevante, principalmente para aplicações de tempo real a 30 quadros por segundo, e também para a utilização em dispositivos móveis, onde requisitos de desempenho e potência são críticos. Todos os algoritmos desenvolvidos foram avaliados para um conjunto de 10 sequências de teste HD 1080p, e seus resultados de qualidade e custo computacional foram avaliados e comparados com algoritmos conhecidos da literatura. As arquiteturas de hardware dedicadas, desenvolvidas para os novos algoritmos, foram descritas em VHDL e sintetizadas para FPGAs e ASIC, em standard cells nas tecnologias 0,18μm e 90nm. Os algoritmos desenvolvidos apresentam ganhos de qualidade para vídeos de alta definição em relação a algoritmos rápidos convencionais, e as arquiteturas desenvolvidas possuem altas taxas de processamento com baixo consumo de recursos de hardware e de potência. / Video compression is an extremely relevant theme in today’s scenario, mainly due to the significant growth in digital video applications. Without compression, it is almost impossible to send or store digital videos, due to the large amount of data that they require, making applications such as high definition digital television, video conferences, mobiles video calls, and others unviable. This demand is increasing since there is a strong growth in high definition video applications, where the amount of information is considerably larger. Many video coding standards were developed in the last few years, all of them can achieve excellent compression rates. A significant part of the compression gains in the current video coding standards are obtained through the exploration of the temporal redundancies by means of the motion estimation process. However, the current motion estimation algorithms do not consider the inherent variations that appear in high and ultra-high definition videos. In this work an evaluation of the motion estimation in high definition videos is presented. This evaluation shows that some well know fast algorithms, that are widely used by the scientific community, do not keep the same quality results when applied to high resolution videos. It demonstrates the relevance of new fast algorithms that are focused on high definition videos. This thesis presents the development of new fast motion estimation algorithms focused in high definition video encoding. The algorithms developed in this thesis show some characteristics that make them more resilient to avoid local minima, when applied to high definition videos. Moreover, this work also aims at the development of dedicated hardware architectures for these new algorithms, focused on high definition videos. The architectural development is extremely relevant, mainly for real time applications at 30 frames per second, and also for mobile applications, where performance and power are critical issues. All developed algorithms were assessed using 10 HD 1080p test video sequences, and the results for quality and computational cost were evaluated and compared against known algorithms from the literature. The dedicated hardware architectures, developed for the new algorithms, were described in VHDL and synthesized for FPGA and ASIC. The ASIC implementation used 0.18μm and 90nm CMOS standard cells technology. The developed algorithms present quality gains in comparison to regular fast algorithms for high definition videos, and the developed architectures presents high processing rate with low hardware resources cost and power consumption.

abstract: This thesis report aims at introducing the background of QR decomposition and its application. QR decomposition using Givens rotations is a efficient method to prevent directly matrix inverse in solving least square minimization problem, which is a typical approach for weight calculation in adaptive beamforming. Furthermore, this thesis introduces Givens rotations algorithm and two general VLSI (very large scale integrated circuit) architectures namely triangular systolic array and linear systolic array for numerically QR decomposition. To fulfill the goal, a 4 input channels triangular systolic array with 16 bits fixed-point format and a 5 input channels linear systolic array are implemented on FPGA (Field programmable gate array). The final result shows that the estimated clock frequencies of 65 MHz and 135 MHz on post-place and route static timing report could be achieved using Xilinx Virtex 6 xc6vlx240t chip. Meanwhile, this report proposes a new method to test the dynamic range of QR-D. The dynamic range of the both architectures can be achieved around 110dB. / Dissertation/Thesis / M.S. Electrical Engineering 2014

Este trabalho objetiva o estudo da avaliação de desempenho de partes de controle de circuitos integrados, em relação ao consumo de área em silício e atraso de propagação de sinais. Para a implementação são adotados dois diferentes estilos de leiaute (PLA e gate matrix). Para ambos os casos foi utilizado um conjunto único de regras de projeto. A análise dos circuitos visando implementação com PLA 6 é feita com base em estimativas de área e atraso deste, sendo definidas as suas células básicas. Para gate matrix, é feita a síntese de leiaute com um gerador automático de leiaute para circuitos em lógica aleatória e o atraso é estimado por modelo simplificado. A avaliação elétrica para calcular o atraso dos sinais é baseada em modelos simplificados de timing, previamente estudados, que levam em conta elementos parasitas das redes de transistores. São analisadas partes de controle de sistemas reais e máquinas de estados finitos hipotéticas. O trabalho visa propor a melhor estratégia de implementação, através da previsão do desempenho dos circuitos, em função do tamanho e complexidade (em número de portas e sinais de interface) do circuito. / The subject of this work is the performance analysis of control parts of integrated circuits, as a function of silicon area and signals propagation delay. Two different layout styles are used for implementation (PLA and gate matrix). Both of them use the same design rules. The analysis of the circuits implemented with PLA is based on area and delay estimation, with the basic cells already defined. For gate matrix, the layout synthesis is made with an automatic layout generator for random logic circuits and the delay is estimated by simplified models. The electrical evaluation to compute the delay signal is based on simplified timing models, previously studied, taking into account parasitic elements of the transistor networks. Control parts of real systems and finite state machines are analysed. This work aims to select the best implementation strategy, based on performance estimation, as a function of the size and complexity (gates and interface signals) of the circuit.