Thermal characterization and optimization of systems-on-chip through FPGA-based emulation

Abstract

Tablets and smartphones are some of the many intelligent devices that dominate the consumer electronics market. These systems are complex to design as they must execute multiple applications (e.g.: real-time video processing, 3D games, or wireless communications), while meeting additional design constraints, such as low energy consumption, reduced implementation size and, of course, a short time-to-market. Internally, they rely on Multi-processor Systems on Chip (MPSoCs) as their main processing cores, to meet the tight design constraints: performance, size, power consumption, etc. In a bad design, the high logic density may generate hotspots that compromise the chip reliability. This thesis introduces a FPGA-based emulation framework for easy exploration of SoC design alternatives. It provides fast and accurate estimations of performance, power, temperature, and reliability in one unified flow, to help designers tune their system architecture before going to silicon.

El estado del arte, en lo que a diseño de chips para empotrados se refiere, se encuentra dominado por los multi-procesadores en chip, o MPSoCs. Son complejos de diseñar y presentan problemas de disipación de potencia, de temperatura, y de fiabilidad. En este contexto, esta tesis propone una nueva plataforma de emulación para facilitar la exploración del enorme espacio de diseño. La plataforma utiliza una FPGA de propósito general para acelerar la emulación, lo cual le da una ventaja competitiva frente a los simuladores arquitectónicos software, que son mucho más lentos. Los datos obtenidos de la ejecución en la FPGA son enviados a un PC que contiene bibliotecas (modelos) SW para calcular el comportamiento (e.g.: la temperatura, el rendimiento, etc...) que tendría el chip final. La parte experimental está enfocada a dos puntos: por un lado, a verificar que el sistema funciona correctamente y, por otro, a demostrar la utilidad del entorno para realizar exploraciones que muestren los efectos a largo plazo que suceden dentro del chip, como puede ser la evolución de la temperatura, que es un fenómeno lento que normalmente requiere de costosas simulaciones software.