eFPGAs : explorations architecturales, integration système, et une enquête visionnaire industriel des technologies programmables

The thesis work was conducted in French Industrial PhD framework of CIFRE between eFPGA startup company Menta and LIRMM lab of University of Montpellier in 2007-2011. Other than detailed architectural explorations of eFPGA it also covers a unique industrial survey highlighting changing trends, analysis of reasons of several failed attempts in the domain of reconfigurable computing in academia & industry, which is highly interesting for researcher and start-up companies.Rising design complexities and high manufacturing costs of System on Chip (SoCs) in deep submicron nodes (beyond 90nm) have reached levels where dedicated SoCs can no longer be designed for every application. They must have some post manufacturing flexibility to amortize the high development costs to several end markets. The Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) are well known for their flexibility and ease of design modification. With the continuous architectural innovations and Moore's law they have become programmable platforms and in many cases provide a good alternative to implement SoCs directly on them. Unfortunately FPGAs suffer from large silicon gap compared to ASICs/ASSPs. This restricts their use in many high volume applications, and despite enormous benefits of flexibility FPGAs still represent a small niche in industry from revenues stand point compared to ASICs/ASSPs. An obvious choice that comes in mind in such scenario is embedded FPGAs (eFPGAs) to bring benefits of FPGAs right inside SoCs, bridging their challenges for flexibility, product differentiation, time to market etc. However concept of eFPGAs is not new to industry and is historically well known for never succeeding, despite undeniable benefits and potentials. The thesis extensively revolves around embedded FPGAs (eFPGAs). It conducts detailed survey focused on programmable technologies to investigate potentials and challenges of eFPGAs and probable failure reasons of several past attempts of different kinds. Based on survey knowledge, technology independent soft eFPGAs of FPGA-like mesh-based classical architecture with standard RTL programming flow are investigated. Detailed eFPGA architectural explorations (including CAD tools) are conducted to explore silicon-efficient (logic density, power, performance etc.) eFPGA architectures. Among notable innovations achieved is unified switch block with complete removal of connection block and local interconnect of classical mesh-based FPGAs (VPR-like) while maintaining good routing efficiency. All experiments are conducted on 65nm CMOS low power STMicroelectronics process to get practical silicon values and perspectives. Finally eFPGAs in systems (SoCs) potentials and challenges are addressed. A reconfigurable acceleration scenario with ESL exploitation (for programming ease) and full silicon tradeoffs visualization is presented with integration of eFPGA with LEON3 processor (as a functional and co-processor unit, with also highlighting potential flaws of functional unit in industrial perspectives). An interesting case study for perspectives of emerging MRAM memories for eFPGAs is also presented.La thèse s'articule autour du thème des FPGA embarqués(eFPGAs). Ce manuscrit analyse les solutions existantes actuellement et discute les challenges et opportunités de ces technologies; une analyse en profondeur des échecs des tentatives passées est également donnée. Sur la base des solutions existantes dans la littérature, une structure de eFPGA à topologie de type grille est proposée, décrite en langage VHDL RTL. Cette solution comporte également les outils de programmation associés. Sur la base de cette proposition, des explorations sont menées quant à la pertinence des solutions proposées au sens de métriques d'actualité tells que densité logique, performance et consommation. Une des contributions notables de cette thèse repose sur la proposition d'une architecture de switch unifiée éliminant les blocs de connexions ainsi que l'interconnexion locale typique des FPGA actuels(telles que ceux modélisables dans le logiciel VPR) tout en autorisant une bonne routabilité. Toutes les expérimentations ont été menées sur une technologie CMOS 65nm faible puissance du fondeur STMicroelectronics, qui permet de fait d'obtenir des évaluations pertinentes. Une seconde contribution notable repose sur l'exploration de l'intégration de eFPGA dans un contexte système sur puce (SoC). Cette approche repose sur l'adjonction d'un eFPGA au sein d'un système intégré, au côté d'un processeur de type LEON3, la programmation s'effectuant sur la base d'une approche de type ESL. Deux explorations sont ainsi déclinées, comme unité intégrée au sein du processeur et comme coprocesseur. Les résultats présentés permettent ainsi d'analyser sous plusieurs angles les compromis possibles ainsi que les perspectives et limitations de ce type d'approches. Finalement, un cas d'étude est également présenté quant à l'intégration de mémoires de type magnétique (MRAM) au sein-même de l'architecture du eFPGA