Elastic circuits in FPGA

Abstract

O avanço da microeletrônica nas últimas décadas trouxe maior densidade aos circuitos integrados, possibilitando a implementação de funções de alta complexidade em uma menor área de silício. Como efeito desta integração em larga escala, as latências dos fios passaram a representar uma maior fração do atraso de propagação de dados em um design, tornando a tarefa de “timing closure” mais desafiadora e demandando mais iterações entre etapas do design. Por meio de uma revisão na teoria dos circuitos insensíveis a latência (Latency-Insensitive theory), este trabalho explora a metodologia de designs elásticos (Elastic Design methodology) em circuitos síncronos, com o objetivo de solucionar o impacto que a latência adicional dos fios insere no fluxo de design de circuitos integrados, sem demandar uma grande mudança de paradigma por parte dos designers. A fim de exemplificar o processo de “elasticização”, foi implementada uma versão síncrona da arquitetura do microprocessador Neander que posteriormente foi convertida a um Circuito Elástico utilizando um protocolo insensível a latência nas transferências de dados entre os processos computacionais do design. Ambas as versões do Neander foram validadas em uma plataforma FPGA utilizando ferramentas e fluxo de design síncrono bem estabelecidos. A comparação das características de timing e área entre os designs demonstra que a versão Elástica pode apresentar ganhos de performance para sistemas complexos ao custo de um aumento da área necessária. Estes resultados mostram que a metodologia de designs elásticos é uma boa candidata para projetar circuitos integrados complexos sem demandar custosas iterações entre fases de design e reutilizando as já estabelecidas ferramentas de design síncrono, resultando em uma alternativa economicamente vantajosa para os designers.

The advance of microelectronics brought increased density to integrated circuits, allowing high complexity functions to be implemented in smaller silicon areas. As a side effect of this large-scale integration, the wire latencies became a higher fraction of a design’s data propagation latency, turning timing closure into a challenging task that often demand several iterations among design phases. By reviewing the Latency-Insensitive theory, this work presents the exploration of the Elastic Design methodology in synchronous circuits, with the objective of solving the increased wire latency impact on integrated circuits design flow without requiring a big paradigm change for designers. To exemplify the elasticization process, the educational Neander microprocessor architecture is synchronously implemented and turned into an Elastic Circuit by using a latency-insensitive protocol in the design’s computational processes data transfers. Both designs are validated in an FPGA platform, using well known synchronous design tools and flow. The timing and area comparison between the designs demonstrates that the Elastic version can present performance advantages for more complex systems at the price of increased area. These results show that the Elastic Design methodology is a good candidate for designing complex integrated circuits without costly iterations between design phases. This methodology also leverages the reuse of the mostly adopted synchronous design tools, resulting in a cost-effective alternative for designers.