Untersuchung der Temperatur-Verlustleistungsbeziehung in FPGA-basierten Systemen

Durch die zunehmende Verkleinerung der Strukturgrößen und höhere Integrationsdichte von CMOS-Schaltungen, spielt das Temperaturmanagement eines Chips eine immer stärkere Rolle. Die statische Verlustleistung einer Schaltung (Leckströme) steigt mit höheren Die-Temperaturen, sodass Methoden entwickelt werden müssen, um diese Temperaturen zu kontrollieren bzw. zu verringern. Neben externer Kühlung oder einer einfachen Reduktion der Taktfrequenz, sind z.B. die Detektion und Migration von sog. Hot-Spots (lokale Erhöhung der Die-Temperatur aufgrund hoher Aktivität) Gegenstand der Forschung.

Auf heutigen FPGAs sind analoge Temperatursensoren zur Überwachung der Die-Temperatur integriert. Da diese nur sehr wenige und lokal statisch sind, können durch spezielle Schaltungen (rückgekoppelte Inverterketten) auch digitale Temperatursensoren in LUTs oder DSPs abgebildet werden. In dieser Arbeit soll der Zusammenhang dieser digitalen Temperatur-Sensoren und der Verlustleistung eines FPGAs untersucht werden.

Das vorgestellte Thema kann sowohl als Bachelor-, als auch als Masterarbeit bearbeitet werden. Die Aufgabenstellung dieser Arbeit als Bachelorarbeit umfasst folgende Aspekte:

•    Einarbeitung in die bestehende Umgebung zur Temperaturmessung mit digitalen Sensoren auf FPGAs
•    Erweiterung der Umgebung um ein Modell zur Korrelation von Temperatur und Verlustleistung, sowie Verifikation durch verschiedene Messungen bei Raumtemperatur und im Klimaschrank
•    Visualisierung der Temperatur- und Verlustleistungsverteilung auf dem FPGA auf Basis von synthetischen und realen Lastschaltungen

Wird die Arbeit als Masterarbeit durchgeführt, erweitert sich die Aufgabenstellung um folgende Punkte:

•    Untersuchung der fertigungsbedingten On-Chip-Variation der FPGA-Architektur, welche sich durch die Differenz des Ringoszillator-Delays an verschiedenen Positionen auf dem Die und durch Vergleich mehrerer FPGAs bemerkbar macht