Asynchronous Architecture for Power Efficiency and Yield Enhancement in the Decananometric Technologies: Application to a Multi-Core System-on-Chip
Architecture Asynchrone pour L'Efficacité Energétique et L'Amélioration du Rendement en Fabrication dans les Technologies Décananométriques:...
Résumé
Continuous scaling of CMOS technology push circuit designs towards multi-core complex SoCs. Moreover, with the nanometric technologies, the integrated system performances after fabrication will not be fully predictable. Indeed, the process variations really become huge at the chip scale. Therefore the design of such complex SoCs in the nanoscale technologies is now constrained by many parameters such as the energy consumption and the robustness to process variability. This implies the need of efficient algorithms and built-in circuitry able to adapt the system behavior to the workload variations and, at the same time, to cope with the parameter variations which cannot be predicted or accurately modeled at design time. In this context, this thesis work addresses the design of GALS-based NoC architectures in the upcoming CMOS technologies. A novel methodology to dynamically control the speed of different voltage-frequency NoC islands according to the process variability impact on each domain is proposed. This control technique can improve the performances, the energy consumption, and the yield of future SoC architectures in a synergistic manner. The control methodology is based on the design of an asynchronous programmable self-timed ring where the controller takes into account the dynamic workload and the process variability effects. The controller especially considers the operating frequency limit which does not exceed the maximum locally allowed value for a given clock domain. With such an approach, it is no more required to separately guaranty the performance for each node. This drastically relaxes the fabrication constraints and helps the yield enhancement.
La réduction continuelle des dimensions dans les technologies CMOS a ouvert la porte à la conception de circuits complexes multi-cœurs (SoC). Malheureusement dans les technologies nanométriques, les performances des systèmes intégrés après fabrication ne sont pas complètement prédictibles. En effet, les variations des procédés de fabrication sont très importantes aux échelles des puces. Par conséquent, la conception de tels systèmes dans les technologies nanométriques est désormais contrainte par de nombreux paramètres tels que la robustesse aux variations des procédés de fabrication et la consommation d'énergie. Ceci implique de disposer d'algorithmes efficaces, intégrés dans la puce, susceptibles d'adapter le comportement du système aux variations des charges des processeurs tout en faisant face simultanément aux variations des paramètres qui ne peuvent pas être prédits ou modélisées avec précision au moment de la conception. Dans ce contexte, ce travail de thèse porte sur la conception de systèmes dit « GALS » (Globally Asynchronous Locally Synchronous) conçus autour d'un réseau de communication intégré à la puce (Network-on-Chip ou NoC) exploitant les nouvelles générations de technologie CMOS. Une nouvelle méthode permettant de contrôler dynamiquement la vitesse des différents îlots du NoC grâce à un contrôle de la tension et de la fréquence en fonction de la qualité locale des procédés de fabrication sur chaque îlot est proposée. Cette technique de contrôle permet d'améliorer les performances du système en consommation, et d'augmenter son rendement en fabrication grâce à l'utilisation des synergies au sein du système intégré. La méthode de contrôle est basée sur l'utilisation d'un anneau asynchrone programmable capable de prendre en compte la charge de travail dynamique et les effets de la variabilité des procédés de fabrication. Le contrôleur évalue en particulier la limite supérieure de fréquence de fonctionnement pour chaque domaine d'horloge. Ainsi, il n'est plus nécessaire de garantir les performances temporelles de chaque nœud au moment de la conception. Cela relâche considérablement les contraintes de fabrication et permet du même coup l'amélioration du rendement.
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