| Abstract: | Due to the evolution of deep submicron technologies for semiconductor fabrication, it is possible nowadays to manufacture increasingly complex systems inside a single sili-con die. However, this evolution in some cases mandates the abandonment of traditional design techniques. The development of purely synchronous complex systems begins to be influenced by relatively long intrachip distances as well as by parasitic effects in wires with growingly small cross-sections. Besides, it is important to enable the design of devices with enhanced processing capabilities to fulfill the demand for multiple applications in re-search and industry environments, while at the same time improving energy efficiency. This is motivated by the significant increase on the demand for multifunctional portable equipments like tablets and smart phones that must everyday become faster and yet present reasonable battery life. In view of these facts, new paradigms for the design of globally asynchronous locally synchronous (GALS) systems come to the forefront in the construction of multiprocessor systems on chip (MPSoCs). This work has as main strateg-ic objective to explore GALS MPSoC architectures that target the control of power dissipa-tion. The decision to work with MPSoCs comes from the natural need to increase the number of processing elements in current designs, as a way to take full advantage of the silicon technological evolution. During the development of this work five distinct contribu-tions are worth mentioning. First, the architectures of the Hermes-GLP NoC router and of the HeMPS MPSoC were subject to a set of corrections and modifications, to provide these modules with better support to the implementation of GALS systems. This allowed the proposition of a new MPSoCs, called HeMPS-GLP. Second, a set of changes in the embedded processor microkernel of the HeMPS MPSoC enabled the smooth interconnec-tion and configuration of new hardware structures to the system processors. Third, a new high-level language verification environment for the HeMPS-GLP MPSoC was made avail-able, which supports up to 256 distinct operating frequencies for the NoC, together with the independent definition of each processing element´s clock. Fourth, there is the propo-sition of a new local clock generator targeting minimum area, low power dissipation, oper-ating frequency stability and insensitivity to process, voltage and temperature variations. Finally, this work provides a simulation and code generation environment for silicon im-plementations of the HeMPS-GLP MPSoC. This environment emulates the local clock ge-nerators, based on the designed local clock generator.
Devido à evolução das tecnologias nanométricas profundas em semicondutores, hoje é possível a fabricação de sistemas cada vez mais complexos em um único chip. Entretanto, esta evolução está inviabilizando, em alguns casos, práticas de projeto tradi-cionais. O desenvolvimento de sistemas complexos puramente síncronos começa a ser influenciado por distâncias intrachip relativamente longas, bem como por efeitos parasitas em fios com áreas de secção reta cada vez menores. Adicionalmente, ganha destaque em pesquisa e na indústria a necessidade de projetar dispositivos com elevada capacida-de de processamento para atender a demanda de múltiplas aplicações, enquanto aprimo-ram-se os níveis de eficiência energética. Isto é motivado pelo significativo aumento da procura por equipamentos portáteis multifunções como tablets e celulares inteligentes mais velozes e com durabilidade de bateria razoável. À luz destes fatos, novos paradig-mas de projeto de sistemas globalmente assíncronos e localmente síncronos (GALS) ga-nham destaque para construir sistemas multiprocessados em chip (MPSoCs). Este traba-lho tem como principal objetivo estratégico explorar arquiteturas GALS para MPSoCs com alvo no controle da potência dissipada. Escolhe-se trabalhar sobre MPSoCs devido ao aumento significativo de módulos de processamento em projetos atuais como uma forma de tirar vantagem plena da evolução das tecnologias de fabricação baseadas em silício. Ao longo das atividades, cinco contribuições podem ser destacadas oriundas cada uma de um conjunto de trabalhos práticos desenvolvidos. Primeiro, propôs-se um conjunto de correções e modificações nas arquiteturas do roteador da NoC Hermes-GLP e do MPSoC HeMPS, visando transformar estes em um melhor suporte à implementação de sistemas GALS. Isto produziu uma nova arquitetura de MPSoC, denominado HeMPS-GLP. Segun-do, alterações na estrutura do microkernel embarcado dos processadores do MPSoC HeMPS possibilitaram a interconexão e configuração corretas de novas estruturas em hardware aos processadores em questão. Terceiro, disponibilizou-se um ambiente de ve-rificação em linguagem de alto nível para o MPSoC HeMPS-GLP, com suporte a até 256 níveis distintos de frequência para a rede, bem como a definição do relógio de cada IP de processamento de forma independente. Em quarto lugar, foram realizados o estudo e o projeto de um gerador local de relógio visando obter área mínima, baixa dissipação de potência, estabilidade em frequência e insensibilidade a variações de processo, tensão de alimentação e temperatura. Quinto e último, foi desenvolvido um ambiente de simulação e geração de código sintetizável em silício para o MPSoC HeMPS-GLP. Este provê a emu-lação do sistema de geração local de relógio, baseado no gerador local projetado. |
