Exploration and optimization of tree-based FPGA architectures
Exploration et optimisation d'architectures FPGA arborescentes
Résumé
Today, FPGAs (Field Programmable Gate Arrays) become important actors in the computational devices domain that was originally dominated by microprocessors and ASICs. FPGA design big challenge is to nd a good tradeoff between exibility and performances. Three factors combine to determine the characteristics of an FPGA: quality of its architecture, quality of the CAD tools used to map circuits into the FPGA, and its electrical design. The subject of this dissertation is the exploration of new interconnect topologies and architectures that may play important roles in FPGA performances improvement. In fact interconnect is the dominant factor in terms of area (90%) and power dissipation (60%). The main architectures under exploration have Tree-based or Mesh- Based topology. The main results are the following: We rst explore different Tree-based architectures and we compare them to Meshbased architecture in terms of area. For this purpose we develop an exploration tools platform allowing to implement various benchmark circuits on the target architecture. Using experimental evaluation, we de ne a new Tree-based FPGA architecture and we show that it has good performances and density characteristics.We show, based on total cells area evaluation, that using the proposed topology we achieve a gain of 56% compared to the common Mesh-based FPGA architecture. This is due essentially to the high interconnect utilization achieved by this architecture. We explore the effect of different architecture parameters: Rent's ratio, cluster sizes, and LUTs sizes.We show how they interact and the way to tune them to satisfy different speci c applicative constraints (density, performance and power). Finally, we propose an architecture that takes advantage of both Mesh and Tree strongest points. We unify both structures by building clusters with a Tree-based local interconnect and we connect these clusters by a Mesh-based interconnect.We show that the resulting architecture presents a good tradeoff between layout scalability and area density.
Les circuits FPGAs (Field Programmable Gate Arrays) sont devenus des acteurs importants dans le domaine du traitement numérique qui a été dominé auparavant par les microprocesseurs et les circuits intégrés spéci ques. Le plus grand dé pour les FPGAs aujourd'hui est de présenter un bon compromis entre une grande souplesse et de bonnes performances (vitesse, surface et consommation). La combinaison de trois facteurs dé nit les caractéristiques d'un circuit FPGA: la qualité de l'architecture, la qualité des outils CAO de con guration et la conception électrique du FPGA. L'objet de cette thèse est l'exploration de nouvelles architectures et de structures d'interconnexion qui pourront améliorer les performances de ces circuits. En effet, les ressources d'interconnexion occupent 90% de la surface totale et occasionnent 60% de la consommation électrique. Les architectures étudiées présentent des structures matricielles et arborescentes. Les principaux résultats sont les suivants: Au départ nous explorons différentes topologies arborescentes et nous comparons leurs surfaces à celles des architectures matricielles. Pour cela, nous développons une plateforme d'outils logiciels permettant d'implanter différents circuits logiques sur l'architecture cible. En se basant sur cette étude expérimentale, nous dé nissons une nouvelle architecture arborescente. Nous montrons, en nous appuyant sur un modèle d'estimation de surface, que cette architecture permet de réduire la surface totale de 56% par rapport à une architecture matricielle. Ceci est dû essentiellement à une meilleure utilisation des ressources d'interconnexion. Nous explorons les effets des différents paramètres de l'architecture proposée: le coef cient de Rent, la taille des groupes logiques et le nombre d'entrées par bloc logique. Ceci permet de régler l'architecture pour l'adapter à des domaines d'applications qui ont des contraintes spéci ques en terme de surface, vitesse et consommation. En n, nous proposons une architecture qui rassemble les avantages des structures arborescentes et matricielles. Nous uni ons les deux structures en construisant des groupes de blocs logiques qui ont localement un réseau d'interconnexion arborescent et qui sont connectés entre eux via un réseau matriciel. Nous montrons que l'architecture obtenue présente un bon compromis entre l'évolutivité de la vue physique et la densité de la surface.
Domaines
Architectures Matérielles [cs.AR]
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