|
|
Fault tolerant systems design automation
Lojda, Jakub ; Plíva, Zdeněk (referee) ; Steininger, Andreas (referee) ; Sekanina, Lukáš (advisor)
Pokud je požadováno, aby digitální systém dosáhl vysoké úrovně spolehlivosti, musí zachovat funkčnost i v případě přítomnosti přirozeně se objevujících poruch. Mnoho takových systémů využívá hradlová pole FPGA (z angl. Field Programmable Gate Array). Jedním z přístupů ke zvýšení spolehlivosti systému je začlenění mechanismů odolnosti proti poruchám (OPP; angl. Fault Tolerance). Není však snadné navrhovat systémy tak, aby byly OPP. V této disertační práci je navržen, prozkoumán a popsán automatický způsob transformace popisu systému do jeho podoby zvyšující OPP. Prezentovaný výzkum klade důraz na obecnost tohoto procesu, který umožňuje znovupoužitelnost metod mezi odlišnými formáty popisu, různými jazyky a úrovněmi abstrakce. Tato práce zkoumá navrhovanou metodu a její hlavní aspekty: metody úpravy zdrojového kódu, strategie návrhu OPP a akceleraci měření dosažené úrovně OPP. V neposlední řadě práce prezentuje postup návrhu, který cílí na minimalizaci požadovaných měření parametrů, což výrazně urychluje automatický návrh systému OPP. Během výzkumu prezentovaného v této práci bylo experimentálně studováno několik případů. Různé obvody popsané v odlišných jazycích byly optimalizovány dle rozdílných metrik spolehlivosti tak, aby během výzkumu bylo pokryto více scénářů. První kroky ve výzkumu využívají řídicí jednotku robota napsanou v C++ jako cíl pro vyhodnocení manipulace se zdrojovým kódem. Optimalizace se zaměřuje na procentuální zastoupení tzv. kritických bitů (z angl. critical bits) na FPGA. Následně byly místo řídicí jednotky robota použity naše testovací obvody, rovněž popsané v C++. K automatickému přiřazení nejvhodnějších mechanismů OPP (např. třímodulové redundance, z angl. Triple Modular Redundancy - TMR; nebo N-modular Redundancy - NMR) byla nejprve použita strategie založená na Multiple-choice Knapsack Problem (MCKP). Navrhovaná strategie nalezla řešení snižující počet kritických bitů o 18 % a zároveň snížila velikost obvodu (obojí ve srovnání s předchozím přístupem se statickou alokací mechanismů OPP). Poté byly implementovány prostředky pro vkládání mechanismů OPP do VHDL kódů. Testovací obvody popsané ve VHDL byly použity rovněž se strategií MCKP k nalezení řešení s nejlepším mediánem času do selhání (též známým jako t50). Pro tuto případovou studii bylo dosaženo cca 25% úspory velikosti obvodu ve srovnání s referenčním návrhem, ve kterém byly mechanismy OPP přiřazeny staticky a ručně. Prezentovaná metoda totiž umožňuje uživateli omezit oblast na čipu, která je pro daný systém dostupná a získat výsledek o optimální spolehlivosti pro tuto danou oblast (za předpokladů blíže specifikovaných v této práci). Rovněž byla testována obnova systému, která dále zlepšila výsledky t50 o 70 %. Nakonec byla provedena komplexní případová studie na reálném obvodu - řadiči rekonfigurace FPGA. V této případové studii se v praxi představuje způsob nalezení Paretovy fronty optimálních obvodů zohledňujících více kritérií, tj. spotřeba energie, velikost a střední doba do poruchy (z angl. Mean Time to Failure - MTTF). Metoda také umí využít principů dynamické částečné rekonfigurace FPGA pro obnovu systémů.
|
|
|
OPTIMIZATION OF ALGORITHMS AND DATA STRUCTURES FOR REGULAR EXPRESSION MATCHING USING FPGA TECHNOLOGY
Kaštil, Jan ; Plíva, Zdeněk (referee) ; Vlček, Karel (referee) ; Kotásek, Zdeněk (advisor)
Disertační práce se zabývá rychlým vyhledáváním regulárních výrazů v síťovém provozu s použitím technologie FPGA. Vyhledávání regulárních výrazů v síťovém provozu je výpočetně náročnou operací využívanou převážně v oblasti síťové bezpečnosti a v oblasti monitorování provozu vysokorychlostních počítačových sítí. Současná řešení neumožňují dosáhnout požadovaných multigigabitových propustností při dodržení všech požadavků, které jsou na vyhledávací jednotky kladeny. Nejvyšších propustností dosahují implementace založené na využití inovativních hardwarových architektur implementovaných v FPGA případně v ASIC. Tato disertační práce popisuje nové architektury vyhledávací jednotky, které jsou vhodné pro implementaci jak v FPGA tak v ASIC. Základní myšlenkou navržených architektur je využití perfektní hashovací funkce pro implementaci přechodové tabulky konečného automatu. Dále byla navržena architektura, která umožňuje uživateli zanést malou pravděpodobnost chyby při vyhledávání a tím snížit paměťové nároky vyhledávací jednotky. Disertační práce analyzuje vliv pravděpodobnosti této chyby na celkovou spolehlivost systému a srovnává ji s řešením používaným v současnosti. V rámci disertační práce byla provedena měření vlastností regulárních výrazů používaných při analýze provozu moderních počítačových sítí. Z provedené analýzy vyplývá, že velká část regulárních výrazů je vhodná pro implementaci pomocí navržených architektur. Pro dosažení vysoké propustnosti vyhledávací jednotky práce navrhuje nový algoritmus transformace abecedy, který umožňuje, aby vyhledávací jednotka zpracovala více znaků v jednom kroku. Na rozdíl od současných metod, navržený algoritmus umožňuje konstrukci automatu zpracovávajícího libovolný počet symbolů v jednom taktu. Implementované architektury dosahují v porovnání se současnými metodami úspory paměti zlepšení až 200MB.
|
|
|
Polymorphic circuits synthesis and optimization
Crha, Adam ; Plíva, Zdeněk (referee) ; Fišer, Petr (referee) ; Růžička, Richard (advisor)
Tato práce se zabývá metodami logické syntézy a optimalizací pro polymorfní obvody. V práci jsou jak diskutovány existující metody pro konvenční obvody, tak i představeny nové metody, aplikovatelné na polymorfní elektroniku. Hlavním přínosem práce je představení nových metod optimalizace a logické syntézy pro polymorfní obvody. Přesto, že v minulých letech byly představeny metody pro návrh polymorfních obvodů, jsou tyto metody založené na evolučních technikách nebo nejsou dobře škálovatelné. Z toho vyplývá, že stále neexistuje stabilní metodika pro návrh složitějších polymorfních obvodů. Tato práce představuje zejména reprezentaci polymorgních obvodů a metodiku pro jejich návrh založenou na And-Inverter grafech. Na polymorfní obvody reprezentované pomocí AIG je možné aplikovat známé techniky jako například přepisování [rewriting]. Nasazením techniky přepisování na polymorfní AIG získáme obvod, obsahující polymorfní prvky uvnitř obvodu, a je možné dosáhnout značných úspor prostředků, které mohou být sdíleny mezi dvěma funkcemi současně. Ověření návrhové metodiky pro polymorfní obvody bylo provedeno nad sadou veřejně dostupných obvodů, čímž je demonstrována efektivita metodiky.
|
|
|
Test Application Methodology Based On the Identification of Testable blocks
Herrman, Tomáš ; Plíva, Zdeněk (referee) ; Racek, Stanislav (referee) ; Kotásek, Zdeněk (advisor)
The PhD thesis deals with the analysis of digital systems described on RT level. The methodology of data paths analysis is decribed, the data path controller analysis is not solved in the thesis. The methodology is built on the concept of Testable Block (TB) which allows to divide digital component to such segments which can be tested through their inputs/outputs, border registers and primary inputs/outputs are used for this purpose. As a result, lower number of registers is needed to be included into scan chain - border registers are the only ones which are scanned. The segmentation allows also to reduce the volume of test vectors, tests are generated for segments, not for the complete component. To identify TBs, two evolutionary algorithms are used, they operate on TB formal model which is also defined in the thesis.
|
|
|
Novel approach to polymorphism in gate-level digital circuits
Nevoral, Jan ; Plíva, Zdeněk (referee) ; Stopjaková,, Viera (referee) ; Růžička, Richard (advisor)
Před necelými dvaceti lety byl představen nekonvenční přístup k implementaci multifunkčních obvodů, tzv. polymorfní elektronika. Polymorfní elektronika umožňuje implementovat jedním obvodem dvě nebo více funkcí, přičemž aktuálně funkce závisí na stavu okolního prostředí obvodu. Klíčovými komponentami takových obvodů jsou polymorfní hradla. Od představení konceptu polymorfní elektroniky bylo publikováno několik desítek polymorfních hradel. Parametry většiny z nich však neumožňují jejich využití v reálných aplikacích. Bez dostatečného množství polymorfních hradel s dobrými parametry však nejspíše zůstane v aplikacích založených na multifunkčním chování nebo rekonfiguraci konvenční elektronika preferována před tou polymorfní. Tato disertační práce představuje nový přístup k polymorfní elektronice. Je založen na hradlech, jejichž funkce závisí na polaritě napájecích přívodů. Cílem této disertační práce je ukázat, že takový přístup umožňuje navrhnout hradla s výrazně lepšími parametry. Aby bylo možné systematicky navrhovat na úrovni tranzistorů takováto hradla, byla navržena evoluční metoda založená na kartézském genetickém programování (CGP). To umožnilo navrhnout několik sad efektivních polymorfních hradel založených jak na konvenčních MOSFET tranzistorech, tak na double-gate ambipolárních tranzistorech. Z těchto sad hradel byla vytvořena knihovna, která je v současné době volně dostupná pro ostatní vědce. Dále byla v této práci navržena řada složitějších obvodů založená na navržených hradlech. Na různých úrovních návrhu obvodů (hradla, RTL, cílová aplikace) je pak ukázáno, že navrhovaný polymorfismus na úrovni hradel představuje velké výhody v porovnání s předchozí generací polymorfních hradel, ale může být také konkurenceschopný nebo výrazně lepší než konvenční řešení takovýchto obvodů.
|
|
|
Fault tolerant systems design automation
Lojda, Jakub ; Plíva, Zdeněk (referee) ; Steininger, Andreas (referee) ; Sekanina, Lukáš (advisor)
Pokud je požadováno, aby digitální systém dosáhl vysoké úrovně spolehlivosti, musí zachovat funkčnost i v případě přítomnosti přirozeně se objevujících poruch. Mnoho takových systémů využívá hradlová pole FPGA (z angl. Field Programmable Gate Array). Jedním z přístupů ke zvýšení spolehlivosti systému je začlenění mechanismů odolnosti proti poruchám (OPP; angl. Fault Tolerance). Není však snadné navrhovat systémy tak, aby byly OPP. V této disertační práci je navržen, prozkoumán a popsán automatický způsob transformace popisu systému do jeho podoby zvyšující OPP. Prezentovaný výzkum klade důraz na obecnost tohoto procesu, který umožňuje znovupoužitelnost metod mezi odlišnými formáty popisu, různými jazyky a úrovněmi abstrakce. Tato práce zkoumá navrhovanou metodu a její hlavní aspekty: metody úpravy zdrojového kódu, strategie návrhu OPP a akceleraci měření dosažené úrovně OPP. V neposlední řadě práce prezentuje postup návrhu, který cílí na minimalizaci požadovaných měření parametrů, což výrazně urychluje automatický návrh systému OPP. Během výzkumu prezentovaného v této práci bylo experimentálně studováno několik případů. Různé obvody popsané v odlišných jazycích byly optimalizovány dle rozdílných metrik spolehlivosti tak, aby během výzkumu bylo pokryto více scénářů. První kroky ve výzkumu využívají řídicí jednotku robota napsanou v C++ jako cíl pro vyhodnocení manipulace se zdrojovým kódem. Optimalizace se zaměřuje na procentuální zastoupení tzv. kritických bitů (z angl. critical bits) na FPGA. Následně byly místo řídicí jednotky robota použity naše testovací obvody, rovněž popsané v C++. K automatickému přiřazení nejvhodnějších mechanismů OPP (např. třímodulové redundance, z angl. Triple Modular Redundancy - TMR; nebo N-modular Redundancy - NMR) byla nejprve použita strategie založená na Multiple-choice Knapsack Problem (MCKP). Navrhovaná strategie nalezla řešení snižující počet kritických bitů o 18 % a zároveň snížila velikost obvodu (obojí ve srovnání s předchozím přístupem se statickou alokací mechanismů OPP). Poté byly implementovány prostředky pro vkládání mechanismů OPP do VHDL kódů. Testovací obvody popsané ve VHDL byly použity rovněž se strategií MCKP k nalezení řešení s nejlepším mediánem času do selhání (též známým jako t50). Pro tuto případovou studii bylo dosaženo cca 25% úspory velikosti obvodu ve srovnání s referenčním návrhem, ve kterém byly mechanismy OPP přiřazeny staticky a ručně. Prezentovaná metoda totiž umožňuje uživateli omezit oblast na čipu, která je pro daný systém dostupná a získat výsledek o optimální spolehlivosti pro tuto danou oblast (za předpokladů blíže specifikovaných v této práci). Rovněž byla testována obnova systému, která dále zlepšila výsledky t50 o 70 %. Nakonec byla provedena komplexní případová studie na reálném obvodu - řadiči rekonfigurace FPGA. V této případové studii se v praxi představuje způsob nalezení Paretovy fronty optimálních obvodů zohledňujících více kritérií, tj. spotřeba energie, velikost a střední doba do poruchy (z angl. Mean Time to Failure - MTTF). Metoda také umí využít principů dynamické částečné rekonfigurace FPGA pro obnovu systémů.
|
|
|
Fault tolerant systems design automation
Lojda, Jakub ; Plíva, Zdeněk (referee) ; Steininger, Andreas (referee) ; Sekanina, Lukáš (advisor)
Pokud je požadováno, aby digitální systém dosáhl vysoké úrovně spolehlivosti, musí zachovat funkčnost i v případě přítomnosti přirozeně se objevujících poruch. Mnoho takových systémů využívá hradlová pole FPGA (z angl. Field Programmable Gate Array). Jedním z přístupů ke zvýšení spolehlivosti systému je začlenění mechanismů odolnosti proti poruchám (OPP; angl. Fault Tolerance). Není však snadné navrhovat systémy tak, aby byly OPP. V této disertační práci je navržen, prozkoumán a popsán automatický způsob transformace popisu systému do jeho podoby zvyšující OPP. Prezentovaný výzkum klade důraz na obecnost tohoto procesu, který umožňuje znovupoužitelnost metod mezi odlišnými formáty popisu, různými jazyky a úrovněmi abstrakce. Tato práce zkoumá navrhovanou metodu a její hlavní aspekty: metody úpravy zdrojového kódu, strategie návrhu OPP a akceleraci měření dosažené úrovně OPP. V neposlední řadě práce prezentuje postup návrhu, který cílí na minimalizaci požadovaných měření parametrů, což výrazně urychluje automatický návrh systému OPP. Během výzkumu prezentovaného v této práci bylo experimentálně studováno několik případů. Různé obvody popsané v odlišných jazycích byly optimalizovány dle rozdílných metrik spolehlivosti tak, aby během výzkumu bylo pokryto více scénářů. První kroky ve výzkumu využívají řídicí jednotku robota napsanou v C++ jako cíl pro vyhodnocení manipulace se zdrojovým kódem. Optimalizace se zaměřuje na procentuální zastoupení tzv. kritických bitů (z angl. critical bits) na FPGA. Následně byly místo řídicí jednotky robota použity naše testovací obvody, rovněž popsané v C++. K automatickému přiřazení nejvhodnějších mechanismů OPP (např. třímodulové redundance, z angl. Triple Modular Redundancy - TMR; nebo N-modular Redundancy - NMR) byla nejprve použita strategie založená na Multiple-choice Knapsack Problem (MCKP). Navrhovaná strategie nalezla řešení snižující počet kritických bitů o 18 % a zároveň snížila velikost obvodu (obojí ve srovnání s předchozím přístupem se statickou alokací mechanismů OPP). Poté byly implementovány prostředky pro vkládání mechanismů OPP do VHDL kódů. Testovací obvody popsané ve VHDL byly použity rovněž se strategií MCKP k nalezení řešení s nejlepším mediánem času do selhání (též známým jako t50). Pro tuto případovou studii bylo dosaženo cca 25% úspory velikosti obvodu ve srovnání s referenčním návrhem, ve kterém byly mechanismy OPP přiřazeny staticky a ručně. Prezentovaná metoda totiž umožňuje uživateli omezit oblast na čipu, která je pro daný systém dostupná a získat výsledek o optimální spolehlivosti pro tuto danou oblast (za předpokladů blíže specifikovaných v této práci). Rovněž byla testována obnova systému, která dále zlepšila výsledky t50 o 70 %. Nakonec byla provedena komplexní případová studie na reálném obvodu - řadiči rekonfigurace FPGA. V této případové studii se v praxi představuje způsob nalezení Paretovy fronty optimálních obvodů zohledňujících více kritérií, tj. spotřeba energie, velikost a střední doba do poruchy (z angl. Mean Time to Failure - MTTF). Metoda také umí využít principů dynamické částečné rekonfigurace FPGA pro obnovu systémů.
|
|
|
Polymorphic circuits synthesis and optimization
Crha, Adam ; Plíva, Zdeněk (referee) ; Fišer, Petr (referee) ; Růžička, Richard (advisor)
Tato práce se zabývá metodami logické syntézy a optimalizací pro polymorfní obvody. V práci jsou jak diskutovány existující metody pro konvenční obvody, tak i představeny nové metody, aplikovatelné na polymorfní elektroniku. Hlavním přínosem práce je představení nových metod optimalizace a logické syntézy pro polymorfní obvody. Přesto, že v minulých letech byly představeny metody pro návrh polymorfních obvodů, jsou tyto metody založené na evolučních technikách nebo nejsou dobře škálovatelné. Z toho vyplývá, že stále neexistuje stabilní metodika pro návrh složitějších polymorfních obvodů. Tato práce představuje zejména reprezentaci polymorgních obvodů a metodiku pro jejich návrh založenou na And-Inverter grafech. Na polymorfní obvody reprezentované pomocí AIG je možné aplikovat známé techniky jako například přepisování [rewriting]. Nasazením techniky přepisování na polymorfní AIG získáme obvod, obsahující polymorfní prvky uvnitř obvodu, a je možné dosáhnout značných úspor prostředků, které mohou být sdíleny mezi dvěma funkcemi současně. Ověření návrhové metodiky pro polymorfní obvody bylo provedeno nad sadou veřejně dostupných obvodů, čímž je demonstrována efektivita metodiky.
|
|
|
Novel approach to polymorphism in gate-level digital circuits
Nevoral, Jan ; Plíva, Zdeněk (referee) ; Stopjaková,, Viera (referee) ; Růžička, Richard (advisor)
Před necelými dvaceti lety byl představen nekonvenční přístup k implementaci multifunkčních obvodů, tzv. polymorfní elektronika. Polymorfní elektronika umožňuje implementovat jedním obvodem dvě nebo více funkcí, přičemž aktuálně funkce závisí na stavu okolního prostředí obvodu. Klíčovými komponentami takových obvodů jsou polymorfní hradla. Od představení konceptu polymorfní elektroniky bylo publikováno několik desítek polymorfních hradel. Parametry většiny z nich však neumožňují jejich využití v reálných aplikacích. Bez dostatečného množství polymorfních hradel s dobrými parametry však nejspíše zůstane v aplikacích založených na multifunkčním chování nebo rekonfiguraci konvenční elektronika preferována před tou polymorfní. Tato disertační práce představuje nový přístup k polymorfní elektronice. Je založen na hradlech, jejichž funkce závisí na polaritě napájecích přívodů. Cílem této disertační práce je ukázat, že takový přístup umožňuje navrhnout hradla s výrazně lepšími parametry. Aby bylo možné systematicky navrhovat na úrovni tranzistorů takováto hradla, byla navržena evoluční metoda založená na kartézském genetickém programování (CGP). To umožnilo navrhnout několik sad efektivních polymorfních hradel založených jak na konvenčních MOSFET tranzistorech, tak na double-gate ambipolárních tranzistorech. Z těchto sad hradel byla vytvořena knihovna, která je v současné době volně dostupná pro ostatní vědce. Dále byla v této práci navržena řada složitějších obvodů založená na navržených hradlech. Na různých úrovních návrhu obvodů (hradla, RTL, cílová aplikace) je pak ukázáno, že navrhovaný polymorfismus na úrovni hradel představuje velké výhody v porovnání s předchozí generací polymorfních hradel, ale může být také konkurenceschopný nebo výrazně lepší než konvenční řešení takovýchto obvodů.
|
|
|
Test Application Methodology Based On the Identification of Testable blocks
Herrman, Tomáš ; Plíva, Zdeněk (referee) ; Racek, Stanislav (referee) ; Kotásek, Zdeněk (advisor)
The PhD thesis deals with the analysis of digital systems described on RT level. The methodology of data paths analysis is decribed, the data path controller analysis is not solved in the thesis. The methodology is built on the concept of Testable Block (TB) which allows to divide digital component to such segments which can be tested through their inputs/outputs, border registers and primary inputs/outputs are used for this purpose. As a result, lower number of registers is needed to be included into scan chain - border registers are the only ones which are scanned. The segmentation allows also to reduce the volume of test vectors, tests are generated for segments, not for the complete component. To identify TBs, two evolutionary algorithms are used, they operate on TB formal model which is also defined in the thesis.
|
guest ::
