Haute performance tridimensionnelle à base de FPGA Arborescents Architecture à l'aide de la technologie 3D processus

Les FPGAs (Field Programmable Gate Arrays) sont aujourd'hui des acteurs fondamen-taux dans le domaine des calculateurs qui etait auparavant domin par les microprocesseurs et les ASICs. Le principal enjeu de la conception de FPGA est de trouver le bon compromis entre les performances et la exibilite. Les caractristiques d'un FPGA dependent de trois facteurs : la qualite de l'architecture, la qualite des outils permettant d'implantes l'application sur le FPGA et la technologie utilisee. Le but de cette thse est de proposer une methodologie de conception pour la realisation physique de FPGA en technologie 3 dimensions (3D) ainsi que les outils d'exploration architecturale pour l'empilement en 3D du FPGA arborescent an d'ameliorer lses performances en terme de surface, densite, consommation et vitesse.La premiere partie du manuscrit etudie les dierentes variantes des architectures 2D du FPGA arborescent et l'impact de la migration vers la technologie 3D sur leur topologie. Nous presentons de nombreuses etudes montrant les caracteristiques des reseaux d'interconnexion arborescents, comment ils se comportent en terme de surface et per- formances et comment ils tiennent compte des particularites de l'applicationablee. Mal- heureusement, nous n'avons jamais vu d'avancees en ce qui concerne l'optimisation de telles topologies an d'exploiter leur avantage en terme de surface et consommation, ou encore de resoudre le probleme de longueur des ls qui entrave leurs performances. Tout au long de ce travail, nous avons compris qu'il ne serait pas possible d'optimiser la vitesse sans s'attaquer a la structure m^eme du reseau d'interconnexion arborescent pour l'exploiter a nouveau gr^ace a la technologie 3D. Ce type de technologie peut reduire les problemes de delai du reseau d'interconnexion en orant davantage de exibilite a la conception, au placement et au routage. Un ensemble d'outil d'exploration d'architectures 3D de FPGA a ete developpe pour valider les avancees en terme de performances et surface.La seconde contribution de cette these est le developpement d'une methodologie de conception de circuits FPGA 3D ainsi que l'utilisation des outils de conception classiques (en 2D) pour la realisation physique d'un FPGA arborescent 3D. Tout au long du processus de conception, nous avons ete confrontes aux nombreux problemes que rencontrent les concepteurs 3D en utilisant des outils qui ne sont pas connus pour leurs besoins. De plus, l'utilisation de la technologie 3D risque d'aggraver les performances thermiques. Nous examinons alors precisement l'evolution du comportement thermique lie a l'integration 3D et nous avons montrons comment le contrler en utilisant des techniques de conception tenant compte de la temprature.Today, FPGAs (Field Programmable Gate Arrays) has 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 trade-o 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 technology design. This dissertation aims at exploring a development of Three- dimensional (3D) physical design methodology and exploration tools for 3D Tree-based stacked FPGA architecture to improve area, density, power and performances. The first part of the dissertation is to study the existing variants of 2D Tree-based FPGA architecture and the impact of 3D migration on its topology. We have seen numerous studies showing the characteristics of Tree-based interconnect networks, how they scale in terms of area and performance, and empirically how they relate to particular designs. Nevertheless we never had any breakthrough in optimizing these network topologies to exploit the advantages in area and power consumption and how to deal with the larger wire-length issues that impede performance of Tree-based FPGA architecture. Through the course of the work, we understand that, we would not be able to optimize the speed, unless we break the very backbone of the Tree-based interconnect network and resurrect again by using 3D technology. The 3D-ICs can alleviate interconnect delay issues by ofering exibility in system design, placement and routing. A new set of 3D FPGA architecture exploration tools and technologies developed to validate the advance in performance and area.The second contribution of this thesis is the development 3D physical design methodology and tools using existing 2D CAD tools for the implementation of 3D Tree-based FPGA demonstrator. During the course of design process, we addressed many specic issues that 3D designers will encounter dealing with tools that are not specically designed to meet their needs. In contrast, the thermal performance is expected to worsen with the use of 3D integration. We examined precisely how thermal behavior scales in 3D integration and determine how the temperature can be controlled using thermal design techniques