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Technology-Accurate Variability-Aware Performance Macromodels for On-Chip Communication Synthesis

Bacinschi, Petru Bogdan :
Technology-Accurate Variability-Aware Performance Macromodels for On-Chip Communication Synthesis.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2010)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Technology-Accurate Variability-Aware Performance Macromodels for On-Chip Communication Synthesis
Language: English
Abstract:

A major challenge in the design of multi-processor systems-on-chip (MPSoCs) is to provide an adequate on-chip communication architecture. Hereby, a series of parameters must be considered, including communication data size, speed, power consumption, and topology, to name only a few. Additionally, variable data flows, as well as increasing process and environmental parameter variations lead to undesired effects, such as reduced yield or increased leakage power levels. The main objective of this thesis is to provide a methodology for the parametrized joint optimization of delay and energy consumption during the communication architecture synthesis, by performing a statistical analysis and optimization of parametric yield under the influence of parameter variations. Moreover, in order to increase the accuracy of the proposed methodology, circuit-level models for the communication activities and technology-accurate models for the interconnection segments are developed. In order to accurately specify statistical parameter distributions in the application profile and process parameter variations, this thesis develops a complete methodology for variability description and propagation across performance macromodel expressions. For this purpose, a generalized random variable model is developed, capable of representing non-standard estimated distributions using discretized pdfs with adjustable accuracy. Another important contribution represents the development of a propagation method for statistical distributions across the modeling expressions using analytic implementations of the most often used operators as well as the introduction of a fast generalized method for implementing statistical operators with a precision comparable to Monte Carlo at a very small fraction of the execution time. Based upon this methodology, statistical performance macromodels for delay and energy consumption are constructed. Since the use of different signaling methods has a strong impact on communication performance, a further important contribution is the inclusion of signaling techniques in the communication synthesis in the form of circuit-level communication models. First, a technology-dependent statistical transistor model is derived, which supports variability descriptions for all process-dependent parameters and employs the previously-developed statistical operators to propagate the parameter distributions throughout the model expressions. Furthermore, pulsed current-mode and voltage-mode signaling circuits are analyzed and modeled using the statistical transistor model, equivalent circuit models, and analytic expressions of the current and voltage signals. Within this context, the impact of voltage scaling and body biasing on the circuit performance are also analyzed. Afterwards, the circuit-level models are employed for modeling entire communication segments and the segment models are included within the system-level performance macromodels for the communication synthesis. The accuracy of communication segment models is further enhanced through a wide-bandwidth characterization method for arbitrary interconnect segments. The method relies on an initial set of parameter extractions, designed to reflect the particularities of a given manufacturing process, and applies a sequence of incremental extrapolations to construct the model of a specified segment. Accuracy evaluations show a performance close to industry-standard field simulators. Finally, synthesis results in the context of delay-driven and energy-driven optimizations show the efficiency of pulsed current-mode signaling on long communication segments and the advantages of voltage-mode signaling on short links. In addition, it is shown that voltage scaling and body biasing can be integrated effectively in the communication synthesis to reduce energy consumption.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Eine bedeutende Herausforderung für den Entwurf von Multi-Prozessor-Systems-on-Chip (MPSoCs) ist die Erstellung einer geeigneten On-Chip-Kommunikations-Architektur. Dabei soll eine Reihe von Parametern berücksichtigt werden, wie z.B. Kommunikationsdatenmenge, Geschwindigkeit, Stromverbrauch und Topologie, um nur einige zu nennen. Darüber hinaus führen variable Datenflüsse sowie zunehmende Prozess- und Umgebungsparametervariationen zu unerwünschten Wirkungen, wie einer reduzierten Fertigungsausbeute oder einer erhöhten Verlustleistung. Das Hauptziel dieser Dissertation ist es, eine Methode für die parametrisierte gleichzeitige Optimierung von Verzögerung und Energieverbrauch im Rahmen der Kommunikationssynthese zu entwickeln, die sich durch die Durchführung einer statistischen Analyse und Optimierung der parametrischen Ausbeute unter dem Einfluss von Parametervariationen kennzeichnet. Darüber hinaus werden Schaltungsmodelle für die Kommunikation sowie technologiegenaue Modelle für die Verbindungssegmente entwickelt, um die Genauigkeit der vorgeschlagenen Methode zu erhöhen. Um statistische Parameter-Distributionen in dem Anwendungsprofil sowie Prozessparametervariationen genau spezifizieren zu können, wird in dieser Dissertation eine integrierte Methode für die Beschreibung und Übertragung der Variabilität durch Modellgleichungen entwickelt. Zu diesem Zweck wird ein allgemeines Zufallsvariablenmodell entwickelt, das nicht-standardverteilte Distributionen mittels diskretisierter Dichtefunktionen mit einstellbarer Genauigkeit beschreiben kann. Weitere wichtige Beiträge stellen die Entwicklung einer Methode zur Übertragung statistischer Verteilungen durch Modellgleichungen mittels analytischer Implementierungen der am häufigsten verwendeten Operatoren sowie die Einführung einer allgemeinen Methode für die Umsetzung schneller statistischer Operatoren mit Monte-Carlo-ähnlicher Genauigkeit dar. Basierend auf dieser Methode werden statistische Makromodelle für die Verzögerung und den Energieverbrauch erstellt. Da die Verwendung verschiedener Signalübertragungsmethoden einen wichtigen Einfluss auf die Kommunikationsleistung hat, stellt ein weiterer wichtiger Beitrag die Integration der Signalübertragungstechniken in der Kommunikationssynthese als Kommunikationsmodelle auf Schaltungsebene dar. Zunächst wird ein technologieabhängiges statistisches Transistormodell abgeleitet, das Variabilitätsbeschreibungen für alle Prozessparameter unterstützt und die zuvor entwickelten statistischen Operatoren verwendet. Darüber hinaus werden Signaltreiberschaltungen im gepulsten Strom-Modus und Spannung-Modus analysiert. Diese werden mit Hilfe des entworfenen statistischen Transistormodells sowie der Ersatzschaltungsmodelle und analytischer Ausdrücke der Strom-und Spannungssignale modelliert. In diesem Zusammenhang werden die Auswirkungen der Spannungsskalierung und des ``Body Biasing'' (Substratvorspannung) auf das Schaltungsverhalten analysiert. Anschließend werden die Schaltungsmodelle für die Modellierung gesamter Kommunikationssegmente eingesetzt und die Segmentmodelle werden innerhalb der Makromodelle für die Kommunikationsynthese auf Systemebene verwendet. Die Genauigkeit der Modelle für Kommunikationssegmente wird weiter durch eine breitbandige Charakterisierungsmethode für arbiträre Leiterbahnsegmente verbessert. Die Methode basiert auf einer Reihe von Parameterextraktionen, welche die Besonderheiten des spezifischen Herstellungsprozesses abbilden. Nachfolgend wird hierauf basierend und unter Durchführung inkrementeller Extrapolationen ein Modell für ein ausgewähltes Kommunikationssegment erstellt. Genauigkeitsanalysen zeigen, dass die so erzielte Modellgenauigkeit nahe an Ergebnissen liegt, die mit branchenüblichen Feldsimulatoren erreicht werden können. Schließlich zeigen Syntheseergebnisse, die für Verzögerung oder Energieverbrauch optimiert sind, die Effizienz der gepulsten Strom-Modus-Signalübertragung auf langen Kommunikationssegmenten, sowie die Vorteile der Spannung-Modus-Signalübertragung für kurze Verbindungen. Darüber hinaus wird gezeigt, dass Spannungsskalierung und Body Bias wirksam in der Kommunikationssynthese eingesetzt werden können, um den Energieverbrauch zu senken.German
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Integrierte Schaltungen und Systeme
Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Mikroelektronische Systeme
Date Deposited: 20 Jan 2011 12:04
Last Modified: 07 Dec 2012 11:58
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-23484
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Glesner, Prof. Dr. Manfred and Manolescu, Prof. Dr.- Anca and Wehn, Prof. Dr.- Norbert
Refereed: 5 November 2010
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2348
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