Ετερογενή ψηφιακά συστήματα
Το ΠΕ αφορά την αξιόπιστη λειτουργία νανομετρικών κυκλωμάτων/συστημάτων, τον έλεγχο και ασφάλεια συστημάτων σε ολοκληρωμένο κύκλωμα την ανάπτυξη ηλεκτρονικών συστημάτων, την ανάπτυξη εφαρμογών ρομποτικής και τέλος την ανάπτυξη πλήρως παραμετροποιήσιμων μοντέλων που απαιτούνται κατά την διάρκεια της σχεδίασης ολοκληρωμένων κυκλωμάτων ώστε να διερευνηθεί ο χώρος σχεδίασης (design space).
Η ομάδα εργασίας για το ΠΕ1.2 αποτελείται από μέλη ΔΕΠ, από μια μεταδιδάτορα, ένα μηχανικό και υποψήφιους διδάκτορες.
Τμήμα Μηχανικών Ηλεκτρονικών Υπολογιστών και Πληροφορικής
Α. Ευθυμίου, Χ. Καβουσιανός, Γ. Σφήκας, Β. Τενέντες, Γ. Τσιατούχα
Τμήμα Πληροφορικής και Τηλεπικοινωνιών
Φ. Βαρτζιώτη
Τμήματος Φυσικής
Ν. Μάνθο, Κ. Φουντά και Β. Χριστοφιλάκη
Μεταδιδάκτορας, Μηχανικός και Υποψήφιοι Διδάκτορες
- Ε-Μ Δούναβη
- Γ. Παπαθεοδώρου
- Κ. Λέβεντος, Κ. Αδαμίδης, Ι. Μπεστιντζιάνος και Α. Σακκάς
Επιστημονική δραστηριότητα και αποτελέσματα των δράσεων του ΠΕ1.3
Παρακάτω περιγράφονται οι δράσεις του πακέτου εργασίας και στο σύνδεσμο Δημοσιεύσεις θα βρείτε τα ερευνητικά αποτελέσματα.
Δημοσιεύσεις
Η δράση Δ1.3.1, εκτός άλλων, περιλαμβάνει σχεδίαση, προσομοίωση για επιβεβαίωση της ορθής λειτουργίας ενδεχόμενη τροποποίηση της σχεδίασης και υλοποίηση νανο-μετρικών συστημάτων που σχεδιάσθηκαν και επιβεβαιώθηκε η ορθή λειτουργία τους. Μετά την υλοποίηση έλεγχος σε πραγματικές συνθήκες και επιβεβαίωση της ορθής λειτουργίας.
Στα πλαίσια της δράσης σχεδιάσθηκε πλακέτα, γεωμετρίας ATCA που περιλαμβάνει ως νανομετρικό σύστημα ταχύ FPGA Xilinx Virtex Ultrascale+ και πολλαπλές οπτικές ζεύξεις υψηλών ταχυτήτων. Συγκεκριμένα το FPGA είναι η XCVU13P-1FLGA2577E και οι οπτικές ζεύξεις είναι τύπου FireFly της Samtec που έχουν πολύ καλό λόγο επιφανειακής κάλυψης δηλ. αριθμού ζεύξεων ως προς την καλυπτόμενη επιφάνεια. Ειδικότερα το οπτικό σύστημα περιλαμβάνει 40 ζεύξεις αποστολής (Tx), 40 ζεύξεις λήψης (Rx) στα 25Gbps, και 80 ζεύξεις λήψης και 36 αποστολής στα 16 Gbps. To συνολικό εύρος ζώνης είναι 3.8 Tbps. Επιπρόσθετα αναπτύχθηκαν όλα τα επί μέρους συστήματα: α) το τροφοδοτικό παροχής υψηλής ισχύος (7 φάσεις με φέρουσα ικανότητα μεγαλύτερη των 300 Α για την βασική φάση του FPGA, και τα άλλα περιφερειακά) και χαμηλού θορύβου. β) Τα δίκτυα επικοινωνίας της κάρτας (Gbit Ethernet, I2C, SMBus, κλπ) καθώς και το δίκτυο μεταφοράς χρονισμού υπερ-υψηλής ακριβείας (~50fs) κρίσιμο για την λειτουργία των οπτικών ζεύξεων. Το δίκτυο μεταφοράς χρονισμού αποτελείται από 30 διαφορετικά σήματα. γ) Σύστημα σειριακού επεξεργαστή (Quad Core Arm, Xilinx Zynq Ultrascale+) για τον έλεγχο της κάρτας, του βασικού FPGA, και των περιφερειακών συστημάτων. Ο επεξεργαστής φέρει λειτουργικό σύστημα για να επικοινωνεί με όλα τα συστήματα της κάρτας σε υψηλό επίπεδο και επιτρέπει την επικοινωνία με το περιβάλλον της κάρτας.
Το σύστημα προσομοιώθηκε με τον προσομοιωτή ηλεκτρομαγνητικών πεδίων Ansys HFSS 3D και τον Ansys SiWave ως προς α) την βελτιστοποίηση στην τοποθέτηση των ζεύξεων στην πλακέτα β) την γεωμετρία των διαφορικών ζευγών, γ) την βελτιστοποίηση της τοποθέτησης του δικτύου τροφοδοσίας και δ) γενικά την επιλογή της αρχιτεκτονικής των επιπέδων του χαλκού διηλεκτρικού στην πολυεπίπεδη ηλεκτρονική πλακέτα και την επιλογή του διηλεκτρικού υλικού ανάλογα με τις ηλεκτρικές ιδιότητές του. Τέλος μελετήθηκε ο ρυθμός των σφαλμάτων στα μεταδιδόμενα μπιτ (Bit Error Rate, BER) των ζεύξεων, το περιθώριο λειτουργίας (Rx Margin) και ο επαγόμενος θόρυβος σε γειτονικά κανάλια λόγω γειτνίασης (NEXT, FET)
Κατά την διάρκεια της διερεύνησης κατασκευής της κάρτας λόγω της πολυπλοκότητας προέκυψαν αρκετές δυστοκίες που αξιολογήθηκαν και το σχέδιό της απεστάλη σε έναν κατασκευαστή από τον οποίο αναμένεται σύντομα η ολοκλήρωση της κατασκευή της. Θα ακολουθήσει το στάδιο της συναρμολόγησης και το στάδιο του ελέγχου.
Επίσης, σχεδιάσθηκε και αναπτύχθηκε νανομετρικό υλικο-λογισμικό κύκλωμα μεταφοράς και λήψης δεδομένων για XILINX Ultrascale+ FPGA καθώς και το αντίστοιχο λογισμικό ελέγχου για την ορθή λειτουργία του πρωτοκόλλου μεταφοράς. Το πρωτόκολλο ονομάζεται Hermes και η ανάπτυξη πραγματοποιήθηκε στην γλώσσα περιγραφής κυκλωμάτων υλικού, VHDL. Το κύκλωμα (δοκιμαστική κάρτα) χρησιμοποιήθηκε στο πείραμα CMS στον LHC στο CERN της Ελβετίας και έγινε αξιολόγηση της ορθής λήψης δεδομένων με οπτική ίνα σε ταχύτητα 4.8 Gbps μεταξύ ταχέων FPGAs. Το πρωτόκολλο μεταφοράς προσαρμόσθηκε για ευρεία χρήση στον σκανδαλισμό 1ου επιπέδου (Level-1 trigger) του CMS και η έκδοση πήρε την ονομασία CMS Standard Trigger Link Protocol και λειτουργεί μέχρι ρυθμό μετάδοσης δεδομένων 28 Gbps. Οι δοκιμές ταχείας μεταφοράς δεδομένων έγινε σε αλυσίδα τριών καρτών στις οποίες το λινκ των δύο πρώτων λειτουργεί στα 4.8 Gbps και των δύο άλλων σε 16.3 Gbps. Από την ανάπτυξη και τα αποτελέσματα προέκυψε δημοσίευση “Hermes - A robust, low latency, optical link protocol for synchronous data transfer at commercial asynchronous line rates” που απεστάλη για δημοσίευση και έγινε αποδεκτή στο Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A.
Με οδηγό την βιβλιογραφία και νέες τεχνολογίες αιχμής, σχεδιάστηκε, προσομοιώθηκε, και υλοποιήθηκε μια επαναπροσδιοριζόμενη ασύρματη ηλεκτρονική νανομετρική διάταξη μετάδοσης ψηφιακής πληροφορίας. Η επαναπροσδιοριζόμενη ηλεκτρονική διάταξη βασίστηκε σε ημιαγώγιμο στοιχείο, ώστε να μπορεί η συχνότητα συντονισμού να μεταβάλλεται εύκολα και αυτόματα μέσω λογισμικού ελέγχοντας μόνο μια ηλεκτρονική παράμετρο στην είσοδο του στοιχείου. Η κεντρική μονάδα της ηλεκτρονικής διάταξης απαρτίζεται από έναν μικροεπεξεργαστή καθώς και έναν ανιχνευτή ισχύος σήματος. Στον μικροεπεξεργαστή και σε πραγματικό χρόνο, λαμβάνεται μέσω κατάλληλου μετατροπέα σε υψηλή ανάλυση η τιμή της ισχύος του σήματος, και αποθηκεύεται μαζί με πληροφορίες ημερομηνίας, ώρας τόσο τοπικά, όσο και σε απομακρυσμένη βάση δεδομένων. Ο ηλεκτρονικός έλεγχος του ημιαγώγιμου στοιχείου ήταν εφικτός μέσω ενός περιφερειακού μετατροπέα ψηφιακού σήματος σε αναλογικό. Όλα τα περιφερειακά συστήματα της κεντρικής μονάδας βρίσκονται συνδεδεμένα σε έναν δίαυλο SPI. Στο άμεσο μέλλον προγραμματίζεται η συνολική αποτίμηση της διάταξης καθώς και διορθωτικές παρεμβάσεις.
Σχετικά με την αξιοπιστία ολοκληρωμένων κυκλωμάτων/συστημάτων σε νανομετρικές τεχνολογίες επί του πυριτίου εγκαινιάσθηκε η ανάπτυξη μεθόδων και τεχνικών που αποκαθιστούν την αξιόπιστη λειτουργία των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων/συστημάτων υπό την παρουσία φαινομένων γήρανσης, απώλειας ακεραιότητας σήματος ή ανεπιθύμητων εξωγενών παραγόντων, δηλαδή εξασφαλίζουν την προστασία, ανοχή ή αυτο-ίαση των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων/συστημάτων. Με την κλιμάκωση των τρανζίστορ, φαινόμενα όπως η αστάθεια πόλωσης-θερμοκρασίας (bias-temperature instability - BTI), η έγχυση θερμών φορέων (hot-carrier injection - HCI), η χρονο-εξαρτώμενη διάτρηση του διηλεκτρικού (time dependent dielectric breakdown - TDDB), η ηλεκτρο-μετανάστευση (electromigration), καθώς επίσης και εξωγενείς παράγοντες όπως η διαφόρων ειδών ακτινοβολία, ο θόρυβος, οι διακυμάνσεις της θερμοκρασίας, οι διαταραχές της τροφοδοσίας κ.α. οδηγούν τα τρανζίστορ σε πρόωρη γήρανση και σημαντική μείωση της αξιόπιστης λειτουργίας τους. Επιπρόσθετα, οριακές σχεδιαστικές επιλογές ενισχύουν συχνά το εν λόγω πρόβλημα.
Στα πλαίσια αυτά, έγινε εστίαση στον προσδιορισμό των απαιτήσεων αξιοπιστίας στις σύγχρονες νανοτεχνολογίες και πραγματοποιήθηκε εκτεταμένη επισκόπηση της σχετικής βιβλιογραφίας για την ανάλυση όλων των νεότερων δεδομένων στον χώρο της αξιόπιστης λειτουργίας των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων/συστημάτων. Στη συνέχεια, έγινε εις βάθος μελέτη των μηχανισμών απώλειας αξιοπιστίας και ανάλυση της επίδρασής τους στη λειτουργία των κυκλωμάτων.
Αναλύθηκαν οι μηχανισμοί που επηρεάζουν την αξιοπιστία των λογικών κυκλωμάτων, όσον αφορά την ηλεκτρική συμπεριφορά τους, σε σχέση με την επίδραση των φαινομένων απώλειας αξιοπιστίας, στις στάθμες των σημάτων, στην ταχύτητα λειτουργίας και στην κατανάλωση ενέργειας. Επίσης, ακολούθησε ανάλυση της διαδικασίας διάδοσης των λαθών που δημιουργούνται μέσα σε ένα κύκλωμα/σύστημα και πώς εν τέλει επέρχεται η αστοχία στη λειτουργία (failure). Στη συνέχεια, έγινε ανάλυση των μηχανισμών που μειώνουν την αξιοπιστία των κυκλωμάτων μνήμης. Η στόχευση εδώ αφορά μεταξύ άλλων κυρίως τις μεταβολές που επέρχονται, στα περιθώρια θορύβου ανάγνωσης και διατήρησης, στο περιθώριο εγγραφής, στον χρόνο πρόσβασης και στην ελάχιστη επιτρεπτή τάση λειτουργίας.
Σύμφωνα με την εκτενή μελέτη που πραγματοποιήθηκε, η έρευνα στράφηκε προς την ανάπτυξη τεχνικών για μνήμες SRAM (Static Random Access Memory) και πιο συγκεκριμένα για τους αποκωδικοποιητές διευθύνσεων που επηρεάζονται σημαντικά από φαινόμενα BTI και HCI και υποβαθμίζουν την απόδοση της μνήμης SRAM. Υπό την παρουσία γήρανσης, οι αποκωδικοποιητές διευθύνσεων εμφανίζουν σφάλματα καθυστέρησης κατά τη λειτουργία τους που τείνουν με τη σειρά τους να οδηγούν σε αστοχίες ανάγνωσης ή εγγραφής. Καθώς λοιπόν η γήρανση των αποκωδικοποιητών διευθύνσεων οδηγεί σε καθυστερημένη ενεργοποίηση των κελιών μνήμης και ισοδύναμα σε λανθασμένες ενέργειες εγγραφής ή ανάγνωσης, η ανάπτυξη ενός ενσωματωμένου στη μνήμη κυκλώματος είναι απαραίτητη για την ανίχνευση της γήρανσης πριν την εμφάνιση αστοχιών ώστε να παρέχεται ανθεκτικότητα στη μνήμη και κατ’ επέκταση παράταση στη διάρκεια ζωής της μνήμης. Στα πλαίσια αυτά μελετήθηκε ο σχεδιασμός ενός κυκλώματος παρακολούθησης της γήρανσης που θα παρέχει τη δυνατότητα ανίχνευσης των επιπέδων γήρανσης στους αποκωδικοποιητές διευθύνσεων SRAM, θα προβλέπει επερχόμενες αστοχίες πριν αυτές συμβούν και θα αντιδρά κατάλληλα για τη διατήρηση της αξιόπιστης λειτουργίας της μνήμης.
Στα επόμενα στάδια, θα πραγματοποιηθούν προσομοιώσεις με σκοπό την επικύρωση της ικανότητας του κυκλώματος για έγκαιρη ανίχνευση της γήρανσης και κατάλληλη απόκριση για την αντιμετώπισή των επιδράσεών της. Θα ακολουθήσει η εξαγωγή των σχετικών συμπερασμάτων που εν συνεχεία θα χρησιμοποιηθούν ώστε να προταθούν βέλτιστες λύσεις.
Στα πλαίσια της δράσης σχεδιάσθηκε πλακέτα, γεωμετρίας ATCA που περιλαμβάνει ως νανομετρικό σύστημα ταχύ FPGA Xilinx Virtex Ultrascale+ και πολλαπλές οπτικές ζεύξεις υψηλών ταχυτήτων. Συγκεκριμένα το FPGA είναι η XCVU13P-1FLGA2577E και οι οπτικές ζεύξεις είναι τύπου FireFly της Samtec που έχουν πολύ καλό λόγο επιφανειακής κάλυψης δηλ. αριθμού ζεύξεων ως προς την καλυπτόμενη επιφάνεια. Ειδικότερα το οπτικό σύστημα περιλαμβάνει 40 ζεύξεις αποστολής (Tx), 40 ζεύξεις λήψης (Rx) στα 25Gbps, και 80 ζεύξεις λήψης και 36 αποστολής στα 16 Gbps. To συνολικό εύρος ζώνης είναι 3.8 Tbps. Επιπρόσθετα αναπτύχθηκαν όλα τα επί μέρους συστήματα: α) το τροφοδοτικό παροχής υψηλής ισχύος (7 φάσεις με φέρουσα ικανότητα μεγαλύτερη των 300 Α για την βασική φάση του FPGA, και τα άλλα περιφερειακά) και χαμηλού θορύβου. β) Τα δίκτυα επικοινωνίας της κάρτας (Gbit Ethernet, I2C, SMBus, κλπ) καθώς και το δίκτυο μεταφοράς χρονισμού υπερ-υψηλής ακριβείας (~50fs) κρίσιμο για την λειτουργία των οπτικών ζεύξεων. Το δίκτυο μεταφοράς χρονισμού αποτελείται από 30 διαφορετικά σήματα. γ) Σύστημα σειριακού επεξεργαστή (Quad Core Arm, Xilinx Zynq Ultrascale+) για τον έλεγχο της κάρτας, του βασικού FPGA, και των περιφερειακών συστημάτων. Ο επεξεργαστής φέρει λειτουργικό σύστημα για να επικοινωνεί με όλα τα συστήματα της κάρτας σε υψηλό επίπεδο και επιτρέπει την επικοινωνία με το περιβάλλον της κάρτας.
Το σύστημα προσομοιώθηκε με τον προσομοιωτή ηλεκτρομαγνητικών πεδίων Ansys HFSS 3D και τον Ansys SiWave ως προς α) την βελτιστοποίηση στην τοποθέτηση των ζεύξεων στην πλακέτα β) την γεωμετρία των διαφορικών ζευγών, γ) την βελτιστοποίηση της τοποθέτησης του δικτύου τροφοδοσίας και δ) γενικά την επιλογή της αρχιτεκτονικής των επιπέδων του χαλκού διηλεκτρικού στην πολυεπίπεδη ηλεκτρονική πλακέτα και την επιλογή του διηλεκτρικού υλικού ανάλογα με τις ηλεκτρικές ιδιότητές του. Τέλος μελετήθηκε ο ρυθμός των σφαλμάτων στα μεταδιδόμενα μπιτ (Bit Error Rate, BER) των ζεύξεων, το περιθώριο λειτουργίας (Rx Margin) και ο επαγόμενος θόρυβος σε γειτονικά κανάλια λόγω γειτνίασης (NEXT, FET)
Κατά την διάρκεια της διερεύνησης κατασκευής της κάρτας λόγω της πολυπλοκότητας προέκυψαν αρκετές δυστοκίες που αξιολογήθηκαν και το σχέδιό της απεστάλη σε έναν κατασκευαστή από τον οποίο αναμένεται σύντομα η ολοκλήρωση της κατασκευή της. Θα ακολουθήσει το στάδιο της συναρμολόγησης και το στάδιο του ελέγχου.
Επίσης, σχεδιάσθηκε και αναπτύχθηκε νανομετρικό υλικο-λογισμικό κύκλωμα μεταφοράς και λήψης δεδομένων για XILINX Ultrascale+ FPGA καθώς και το αντίστοιχο λογισμικό ελέγχου για την ορθή λειτουργία του πρωτοκόλλου μεταφοράς. Το πρωτόκολλο ονομάζεται Hermes και η ανάπτυξη πραγματοποιήθηκε στην γλώσσα περιγραφής κυκλωμάτων υλικού, VHDL. Το κύκλωμα (δοκιμαστική κάρτα) χρησιμοποιήθηκε στο πείραμα CMS στον LHC στο CERN της Ελβετίας και έγινε αξιολόγηση της ορθής λήψης δεδομένων με οπτική ίνα σε ταχύτητα 4.8 Gbps μεταξύ ταχέων FPGAs. Το πρωτόκολλο μεταφοράς προσαρμόσθηκε για ευρεία χρήση στον σκανδαλισμό 1ου επιπέδου (Level-1 trigger) του CMS και η έκδοση πήρε την ονομασία CMS Standard Trigger Link Protocol και λειτουργεί μέχρι ρυθμό μετάδοσης δεδομένων 28 Gbps. Οι δοκιμές ταχείας μεταφοράς δεδομένων έγινε σε αλυσίδα τριών καρτών στις οποίες το λινκ των δύο πρώτων λειτουργεί στα 4.8 Gbps και των δύο άλλων σε 16.3 Gbps. Από την ανάπτυξη και τα αποτελέσματα προέκυψε δημοσίευση “Hermes - A robust, low latency, optical link protocol for synchronous data transfer at commercial asynchronous line rates” που απεστάλη για δημοσίευση και έγινε αποδεκτή στο Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A.
Με οδηγό την βιβλιογραφία και νέες τεχνολογίες αιχμής, σχεδιάστηκε, προσομοιώθηκε, και υλοποιήθηκε μια επαναπροσδιοριζόμενη ασύρματη ηλεκτρονική νανομετρική διάταξη μετάδοσης ψηφιακής πληροφορίας. Η επαναπροσδιοριζόμενη ηλεκτρονική διάταξη βασίστηκε σε ημιαγώγιμο στοιχείο, ώστε να μπορεί η συχνότητα συντονισμού να μεταβάλλεται εύκολα και αυτόματα μέσω λογισμικού ελέγχοντας μόνο μια ηλεκτρονική παράμετρο στην είσοδο του στοιχείου. Η κεντρική μονάδα της ηλεκτρονικής διάταξης απαρτίζεται από έναν μικροεπεξεργαστή καθώς και έναν ανιχνευτή ισχύος σήματος. Στον μικροεπεξεργαστή και σε πραγματικό χρόνο, λαμβάνεται μέσω κατάλληλου μετατροπέα σε υψηλή ανάλυση η τιμή της ισχύος του σήματος, και αποθηκεύεται μαζί με πληροφορίες ημερομηνίας, ώρας τόσο τοπικά, όσο και σε απομακρυσμένη βάση δεδομένων. Ο ηλεκτρονικός έλεγχος του ημιαγώγιμου στοιχείου ήταν εφικτός μέσω ενός περιφερειακού μετατροπέα ψηφιακού σήματος σε αναλογικό. Όλα τα περιφερειακά συστήματα της κεντρικής μονάδας βρίσκονται συνδεδεμένα σε έναν δίαυλο SPI. Στο άμεσο μέλλον προγραμματίζεται η συνολική αποτίμηση της διάταξης καθώς και διορθωτικές παρεμβάσεις.
Σχετικά με την αξιοπιστία ολοκληρωμένων κυκλωμάτων/συστημάτων σε νανομετρικές τεχνολογίες επί του πυριτίου εγκαινιάσθηκε η ανάπτυξη μεθόδων και τεχνικών που αποκαθιστούν την αξιόπιστη λειτουργία των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων/συστημάτων υπό την παρουσία φαινομένων γήρανσης, απώλειας ακεραιότητας σήματος ή ανεπιθύμητων εξωγενών παραγόντων, δηλαδή εξασφαλίζουν την προστασία, ανοχή ή αυτο-ίαση των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων/συστημάτων. Με την κλιμάκωση των τρανζίστορ, φαινόμενα όπως η αστάθεια πόλωσης-θερμοκρασίας (bias-temperature instability - BTI), η έγχυση θερμών φορέων (hot-carrier injection - HCI), η χρονο-εξαρτώμενη διάτρηση του διηλεκτρικού (time dependent dielectric breakdown - TDDB), η ηλεκτρο-μετανάστευση (electromigration), καθώς επίσης και εξωγενείς παράγοντες όπως η διαφόρων ειδών ακτινοβολία, ο θόρυβος, οι διακυμάνσεις της θερμοκρασίας, οι διαταραχές της τροφοδοσίας κ.α. οδηγούν τα τρανζίστορ σε πρόωρη γήρανση και σημαντική μείωση της αξιόπιστης λειτουργίας τους. Επιπρόσθετα, οριακές σχεδιαστικές επιλογές ενισχύουν συχνά το εν λόγω πρόβλημα.
Στα πλαίσια αυτά, έγινε εστίαση στον προσδιορισμό των απαιτήσεων αξιοπιστίας στις σύγχρονες νανοτεχνολογίες και πραγματοποιήθηκε εκτεταμένη επισκόπηση της σχετικής βιβλιογραφίας για την ανάλυση όλων των νεότερων δεδομένων στον χώρο της αξιόπιστης λειτουργίας των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων/συστημάτων. Στη συνέχεια, έγινε εις βάθος μελέτη των μηχανισμών απώλειας αξιοπιστίας και ανάλυση της επίδρασής τους στη λειτουργία των κυκλωμάτων.
Αναλύθηκαν οι μηχανισμοί που επηρεάζουν την αξιοπιστία των λογικών κυκλωμάτων, όσον αφορά την ηλεκτρική συμπεριφορά τους, σε σχέση με την επίδραση των φαινομένων απώλειας αξιοπιστίας, στις στάθμες των σημάτων, στην ταχύτητα λειτουργίας και στην κατανάλωση ενέργειας. Επίσης, ακολούθησε ανάλυση της διαδικασίας διάδοσης των λαθών που δημιουργούνται μέσα σε ένα κύκλωμα/σύστημα και πώς εν τέλει επέρχεται η αστοχία στη λειτουργία (failure). Στη συνέχεια, έγινε ανάλυση των μηχανισμών που μειώνουν την αξιοπιστία των κυκλωμάτων μνήμης. Η στόχευση εδώ αφορά μεταξύ άλλων κυρίως τις μεταβολές που επέρχονται, στα περιθώρια θορύβου ανάγνωσης και διατήρησης, στο περιθώριο εγγραφής, στον χρόνο πρόσβασης και στην ελάχιστη επιτρεπτή τάση λειτουργίας.
Σύμφωνα με την εκτενή μελέτη που πραγματοποιήθηκε, η έρευνα στράφηκε προς την ανάπτυξη τεχνικών για μνήμες SRAM (Static Random Access Memory) και πιο συγκεκριμένα για τους αποκωδικοποιητές διευθύνσεων που επηρεάζονται σημαντικά από φαινόμενα BTI και HCI και υποβαθμίζουν την απόδοση της μνήμης SRAM. Υπό την παρουσία γήρανσης, οι αποκωδικοποιητές διευθύνσεων εμφανίζουν σφάλματα καθυστέρησης κατά τη λειτουργία τους που τείνουν με τη σειρά τους να οδηγούν σε αστοχίες ανάγνωσης ή εγγραφής. Καθώς λοιπόν η γήρανση των αποκωδικοποιητών διευθύνσεων οδηγεί σε καθυστερημένη ενεργοποίηση των κελιών μνήμης και ισοδύναμα σε λανθασμένες ενέργειες εγγραφής ή ανάγνωσης, η ανάπτυξη ενός ενσωματωμένου στη μνήμη κυκλώματος είναι απαραίτητη για την ανίχνευση της γήρανσης πριν την εμφάνιση αστοχιών ώστε να παρέχεται ανθεκτικότητα στη μνήμη και κατ’ επέκταση παράταση στη διάρκεια ζωής της μνήμης. Στα πλαίσια αυτά μελετήθηκε ο σχεδιασμός ενός κυκλώματος παρακολούθησης της γήρανσης που θα παρέχει τη δυνατότητα ανίχνευσης των επιπέδων γήρανσης στους αποκωδικοποιητές διευθύνσεων SRAM, θα προβλέπει επερχόμενες αστοχίες πριν αυτές συμβούν και θα αντιδρά κατάλληλα για τη διατήρηση της αξιόπιστης λειτουργίας της μνήμης.
Στα επόμενα στάδια, θα πραγματοποιηθούν προσομοιώσεις με σκοπό την επικύρωση της ικανότητας του κυκλώματος για έγκαιρη ανίχνευση της γήρανσης και κατάλληλη απόκριση για την αντιμετώπισή των επιδράσεών της. Θα ακολουθήσει η εξαγωγή των σχετικών συμπερασμάτων που εν συνεχεία θα χρησιμοποιηθούν ώστε να προταθούν βέλτιστες λύσεις.
Καταβλήθηκε έντονη προσπάθεια και δαπανήθηκε αρκετός χρόνος για την κατανόηση των εργαλείων της synopsis που θα χρησιμοποιηθούν στο έργο. Συγκεκριμένα το Design Vision (το οποίο δημιουργεί τα βασικά αρχεία netlist για τον έλεγχο των κυκλωμάτων), το Test Max (το οποίο δημιουργεί τα δεδομένα που βοηθούν στον έλεγχο των κυκλωμάτων), το Prime Time (το οποίο κάνει χρονικές μετρήσεις πάνω στα κυκλώματα), και το VCS (το οποίο μεταγλωττίζει το κύκλωμα και μπορεί να το προσομοιώσει). Τα εργαλεία χρειάζονται ένα γενικό κύκλωμα για να χρησιμοποιηθούν σε πειράματα, και για να δημιουργηθεί μία σχεδιαστική ροή, και για αυτόν το ρόλο επιλέχθηκε το κύκλωμα OpenSparc που είναι ένα γνωστό και ελεύθερο κύκλωμα. Με το εν λόγω κύκλωμα έγιναν τα πειράματα, τα οποία πρέπει να περάσουν από συγκεκριμένα στάδια. Αρχικά, πρέπει τα κυκλωματικά στοιχεία να συνδυαστούν σωστά. Μετά να παραχθεί το αρχείο netlist που δείχνει την συνένωση τους. Με την αντικατάσταση κάποιων generic cells σε scan cells - τα οποία επιτρέπουν τον έλεγχο του κυκλώματος - το νέο αρχείο netlist χρησιμοποιείται για την αυτόματη δημιουργία των δεδομένων που θα χρησιμοποιηθούν για τον αυτόματο έλεγχο του εκάστοτε κυκλωματικού στοιχείου. Επίσης, έγινε αναβάθμιση του κυκλώματος στο RISC-V με χρήση της βιβλιοθήκης Saed FINFET 14 nm που αντικατέστησε την παλαιότερη βιβλιοθήκη στην οποία τα cell ήταν τεχνολογίας 90nm. Τέλος έγινε εγκατάσταση και δοκιμή δύο memory compilers. Ο πρώτος, openRAM (https://openram.org/), είναι λογισμικό ανοιχτής διανομής αλλά κάποια βήματα απαιτούν άδεια χρήσης λογισμικού σχεδίασης και χαρακτηρισμού ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. Ο δεύτερος αποτελεί μέρος της εκπαιδευτικής βιβλιοθήκης SAED που παρέχεται από το λογισμικό Synopsys σε εκπαιδευτικούς οργανισμούς και ερευνητικά κέντρα.
Η Δράση Δ1.3.3 περιλαμβάνει την διαδικασία και την προμήθεια κυρίως εξοπλισμού για την ανάπτυξη ηλεκτρονικών συστημάτων και εξοπλισμού για χρήση σε εφαρμογές ρομποτικής. Κατά την διάρκεια της περιόδου 20.11.2020 – 19.02.2022 στα πλαίσια της δράσης έγινε ανανέωση και εκ νέου διατύπωση των προδιαγραφών του εξοπλισμού που αναφέρεται στο πακέτο εργασιών Π1.3. Συγκεκριμένα ανανεώθηκαν και έγιναν λεπτομερείς οι προδιαγραφές για τα εξής: α) δύο πάγκους εργασίας που περιλαμβάνουν σταθμό συγκόλλησης/αποκόλλησης ηλεκτρονικών κυκλωμάτων, ψηφιακό παλμογράφο, Γεννήτρια σημάτων τυχούσας συνάρτησης/παλμών, τριπλό τροφοδοτικό συνεχούς τάσης, ψηφιακό πολύμετρο χειρός, αναπτυξιακό εκπαιδευτικό σύστημα με FPGAs β) δύο αναπτυξιακά συστήματα με ταχέα FPGAs (Xilinx Ultrascale) γ) δύο επιτραπέζιες μηχανουργικές μηχανές CNC δ) διάφορα ηλεκτρονικά εξαρτήματα πλακετών ε) Επιτραπέζιο Λογικό αναλυτή, στ) Επιτραπέζιο σταθμό επανα-συγκόλλησης αποκόλλησης BGA, και ζ) Φορητή γεννήτρια ηλεκτρομαγνητικού πεδίου.
Τέλος, έγινε προετοιμασία της οργάνωσης του εργαστηρίου κατασκευής και χαρακτηρισμού ηλεκτρονικών κυκλωμάτων από τον τεχνικό που προσλήφθηκε πρόσφατα. Συγκεκριμένα, η οργάνωση ενός σύγχρονου τέτοιου εργαστηρίου βασίζεται σε μία σειρά διαδικασιών οι οποίες επιβάλλονται τόσο από την πρότερη εμπειρία, όσο και από διεθνή πρότυπα (πχ ISO 17025).
Οι εγκαταστάσεις κατασκευής ή/και χαρακτηρισμού του εργαστηρίου, συμπεριλαμβανομένων, χωρίς να περιορίζονται σε αυτά, των ενεργειακών πόρων, του φωτισμού και των περιβαλλοντικών συνθηκών, πρέπει να είναι τέτοιες ώστε να διευκολύνεται η ορθή εκτέλεση των κατασκευών ή/και των μετρήσεων - χαρακτηρισμών.
Είναι απαραίτητο να εξασφαλιστεί ότι οι συνθήκες που δημιουργούνται κατά τη διαδικασία κατασκευής (σκόνη, απορρίμματα, ηλεκτρομαγνητικός θόρυβος κ.τ.λ.) δεν επηρεάζουν δυσμενώς την απρόσκοπτη λειτουργεία του εξοπλισμού μετρήσεων και χαρακτηρισμού, επηρεάζοντας την απαιτούμενη ποιότητα της οποιασδήποτε μέτρησης . Το τελευταίο μπορεί να επιτευχθεί με κατάλληλο διαχωρισμό των χώρων διεξαγωγής της κατασκευής και μετρήσεων καθώς και με τον τακτικό καθαρισμό του χώρου του εργαστηρίου και απομάκρυνση με ασφαλή τρόπο των επιβλαβών απορριμμάτων που παράγονται κατά τη διαδικασία κατασκευής πλακετών.
Απαραίτητη είναι η λήψη μέτρων ώστε να εξασφαλίζεται η καλή τακτοποίηση και φροντίδα του εργαστηρίου, η απρόσκοπτη λειτουργία του εξοπλισμού όπως και η άμεση πρόσβαση σε αναλώσιμο υλικό και μικρο-εργαλεία χειρός. Απαιτείται ασφαλής τοποθέτηση και εγκατάσταση του εξοπλισμού, και η διάθεση οδηγιών για τη χρήση και τη λειτουργία του, καθώς και για τον χειρισμό των κυκλωμάτων που προορίζονται για κατασκευή ή/και μέτρηση. Αναγκαία είναι η περιοδική και σύμφωνα με προκαθορισμένο πρόγραμμα συντήρησης. Μέρος της διαδικασίας είναι η τήρηση αρχείου βλαβών και τακτικής συντήρησης του εξοπλισμού, ευρετηρίου διαθέσιμων αναλώσιμων υλικών αλλά και αρχείου καταγραφής κατασκευών που πραγματοποιήθηκαν στους χώρους του εργαστηρίου και η τήρηση αρχείου καταγραφής εισόδου επισκεπτών - χρηστών του εργαστηρίου καθώς και η επίβλεψη αυτών για την ορθή χρήση του εξοπλισμού και την εξασφάλιση τήρησης μέτρων ατομικής προστασίας.
Τέλος, έγινε προετοιμασία της οργάνωσης του εργαστηρίου κατασκευής και χαρακτηρισμού ηλεκτρονικών κυκλωμάτων από τον τεχνικό που προσλήφθηκε πρόσφατα. Συγκεκριμένα, η οργάνωση ενός σύγχρονου τέτοιου εργαστηρίου βασίζεται σε μία σειρά διαδικασιών οι οποίες επιβάλλονται τόσο από την πρότερη εμπειρία, όσο και από διεθνή πρότυπα (πχ ISO 17025).
Οι εγκαταστάσεις κατασκευής ή/και χαρακτηρισμού του εργαστηρίου, συμπεριλαμβανομένων, χωρίς να περιορίζονται σε αυτά, των ενεργειακών πόρων, του φωτισμού και των περιβαλλοντικών συνθηκών, πρέπει να είναι τέτοιες ώστε να διευκολύνεται η ορθή εκτέλεση των κατασκευών ή/και των μετρήσεων - χαρακτηρισμών.
Είναι απαραίτητο να εξασφαλιστεί ότι οι συνθήκες που δημιουργούνται κατά τη διαδικασία κατασκευής (σκόνη, απορρίμματα, ηλεκτρομαγνητικός θόρυβος κ.τ.λ.) δεν επηρεάζουν δυσμενώς την απρόσκοπτη λειτουργεία του εξοπλισμού μετρήσεων και χαρακτηρισμού, επηρεάζοντας την απαιτούμενη ποιότητα της οποιασδήποτε μέτρησης . Το τελευταίο μπορεί να επιτευχθεί με κατάλληλο διαχωρισμό των χώρων διεξαγωγής της κατασκευής και μετρήσεων καθώς και με τον τακτικό καθαρισμό του χώρου του εργαστηρίου και απομάκρυνση με ασφαλή τρόπο των επιβλαβών απορριμμάτων που παράγονται κατά τη διαδικασία κατασκευής πλακετών.
Απαραίτητη είναι η λήψη μέτρων ώστε να εξασφαλίζεται η καλή τακτοποίηση και φροντίδα του εργαστηρίου, η απρόσκοπτη λειτουργία του εξοπλισμού όπως και η άμεση πρόσβαση σε αναλώσιμο υλικό και μικρο-εργαλεία χειρός. Απαιτείται ασφαλής τοποθέτηση και εγκατάσταση του εξοπλισμού, και η διάθεση οδηγιών για τη χρήση και τη λειτουργία του, καθώς και για τον χειρισμό των κυκλωμάτων που προορίζονται για κατασκευή ή/και μέτρηση. Αναγκαία είναι η περιοδική και σύμφωνα με προκαθορισμένο πρόγραμμα συντήρησης. Μέρος της διαδικασίας είναι η τήρηση αρχείου βλαβών και τακτικής συντήρησης του εξοπλισμού, ευρετηρίου διαθέσιμων αναλώσιμων υλικών αλλά και αρχείου καταγραφής κατασκευών που πραγματοποιήθηκαν στους χώρους του εργαστηρίου και η τήρηση αρχείου καταγραφής εισόδου επισκεπτών - χρηστών του εργαστηρίου καθώς και η επίβλεψη αυτών για την ορθή χρήση του εξοπλισμού και την εξασφάλιση τήρησης μέτρων ατομικής προστασίας.
Η Δράση 1.3.4 περιλαμβάνει την μελέτη της ασφάλειας Συστημάτων-σε-Ολοκληρωμένο που βρίσκονται σε σύγχρονες εφαρμογές τους, όπως είναι τα ενσωματωμένα συστήματα, οι Internet of things (IoT) εφαρμογές, οι φορητές συσκευές και οι υπολογιστικοί επιταχυντές ειδικού σκοπού, για να αναφέρουμε μερικές.
Οι ΙοΤ εφαρμογές τα τελευταία χρόνια έχουν αποτελέσει ένα ραγδαία αναπτυσσόμενο κλάδο, λόγω της συνεχούς αύξησης των διασυνδεδεμένων συσκευών, οι οποίες αποτελούν τη βάση για την υλοποίηση πολλών και διαφορετικών εφαρμογών, σε “έξυπνα” σπίτια, οι “έξυπνες” πόλεις, στον βιομηχανικός αυτοματισμό, στην αυτοκινητοβιομηχανία. Το πρόβλημα της ασφάλειας αυτών των συστημάτων είναι μια μεγάλη πρόκληση, γιατί οι ενσωματωμένες συσκευές και οι αισθητήρες αυτών των εφαρμογών έχουν περιορισμούς κατανάλωσης ενέργειας και ισχύος ενώ απαιτούν υψηλά επίπεδα στην διαθεσιμότητας τους. Παράλληλα, η ιδιαιτερότητα των εφαρμογών αυτών και το σύντομο χρονικό διάστημα που βρίσκονται σε εφαρμογή, τα καθιστούν, ίσως, ευάλωτα σε νέου απειλές.
Στα πλαίσια της δράσης αυτής έχει γίνει εγκατάσταση εργαλείων προγραμματισμού και αποσφαλμάτωσης λογισμικού ενσωματωμένων συστημάτων (Arm Keil, Arm DS5) και μελέτη της βιβλιογραφίας για την ασφάλεια των Συστημάτων-σε-Ολοκληρωμένο που βρίσκονται σε Internet-of-Things (IoT) εφαρμογές. Έχουμε επικεντρωθεί σε ARM επεξεργαστές, επειδή καλύπτουν το μεγαλύτερο ποσοστό της αγοράς των ΙοΤ εφαρμογών.
Εντοπίσαμε ότι τα συστήματα αναγνώρισης ηχητικών εντολών σε εφαρμογές IoT έξυπνων κατοικιών, απαιτούν την διαρκή σύνδεση στο διαδίκτυο, γεγονός το οποίο εγείρει ανησυχία για την ασφάλεια των προσωπικών δεδομένων των χρηστών τους. Για τον λόγο αυτό, χρησιμοποιώντας εξαρτήματα υλικού που βρήκαμε στην αγορά και με πολύ χαμηλό κόστος, αναπτύξαμε ένα επεκτάσιμο σύστημα για το έξυπνο σπίτι που επιτρέπει φωνητικές εντολές και φωνητικές υπηρεσίες , χωρίς να απαιτεί σύνδεση στο διαδίκτυο. Με μια σχετικά συχνή χρήση του πρωτότυπου συστήματος που αναπτύχθηκε (μιας εντολής ανά δευτερόλεπτο), το προτεινόμενο σύστημα επιτυγχάνει αυτονομία για σχεδόν 1.5 χρόνο όταν τροφοδοτείται από μια μπαταρία 2000 ΜAh (κινητού), με καθυστέρηση απόκρισης 1.13 δευτερόλεπτα ενώ το κόστος του δεν υπερβαίνει τα 30 ευρώ. Τα χαρακτηριστικά του το καθιστούν ιδανικό για χρήση σε έξυπνες κατοικίες, σε βιομηχανικούς αυτοματισμούς και σε wearable συσκευές.
Επιπρόσθετα, έχουν μελετηθεί απειλές που προέρχονται από εξειδικευμένες επιθέσεις σε ΙοΤ εφαρμογές που στοχεύουν το σύστημα-σε-ολοκληρωμένο της εφαρμογής. Συγκεκριμένα, έχει γίνει μελέτη θερμικών ιών και η απομακρυσμένη ανάπτυξή τους στο ΙοΤ σύστημα. Η μέθοδος βασίζεται στην χρήση γενετικού αλγορίθμου για την παραγωγή εξειδικευμένου συνόλου εντολών assembly χαμηλού επιπέδου (μίκρο-πρόγραμμα), που στοχεύει στην μεγιστοποίηση της εκλυόμενης θερμοκρασίας στον ARM μικροεπεξεργαστή που εκτελείται. Η απειλή στο σύστημα είναι μεγάλη, γιατί στοχεύοντας στην εκλυόμενη θερμότητα μεγιστοποιεί ταυτόχρονα και την κατανάλωση ισχύος της συσκευής και μπορεί να μειώσει την διαθεσιμότητα της ενέργειας της συσκευής. Για τον λόγο αυτό, μπορεί να αποτελέσει την βάση μιας επίθεσης denial-of-service της υπηρεσίας που προσφέρει η συσκευή. Τα μίκρο-προγράμματα αυτά πέρα από την κακόβουλη χρήση τους ως θερμικούς ιούς, μπορούν να χρησιμοποιούνται και για την θερμική αξιολόγηση του ολοκληρωμένου στο πεδίο της εφαρμογής του, γνώση που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την βελτίωση της διαθεσιμότητας της εφαρμογής. Η μέθοδος έχει υλοποιηθεί σε πρωτότυπη υπολογιστική μονάδα (ΙοΤ development board) που βασίζεται στο λειτουργικό σύστημα πραγματικού χρόνου arm mbed και το σύστημα απομακρυσμένης διαχείρισης ΙοΤ συσκευών Arm Pelion. Η αποτελεσματικότητα της μεθόδου έχει αποδειχθεί πειραματικά.
Οι ΙοΤ εφαρμογές τα τελευταία χρόνια έχουν αποτελέσει ένα ραγδαία αναπτυσσόμενο κλάδο, λόγω της συνεχούς αύξησης των διασυνδεδεμένων συσκευών, οι οποίες αποτελούν τη βάση για την υλοποίηση πολλών και διαφορετικών εφαρμογών, σε “έξυπνα” σπίτια, οι “έξυπνες” πόλεις, στον βιομηχανικός αυτοματισμό, στην αυτοκινητοβιομηχανία. Το πρόβλημα της ασφάλειας αυτών των συστημάτων είναι μια μεγάλη πρόκληση, γιατί οι ενσωματωμένες συσκευές και οι αισθητήρες αυτών των εφαρμογών έχουν περιορισμούς κατανάλωσης ενέργειας και ισχύος ενώ απαιτούν υψηλά επίπεδα στην διαθεσιμότητας τους. Παράλληλα, η ιδιαιτερότητα των εφαρμογών αυτών και το σύντομο χρονικό διάστημα που βρίσκονται σε εφαρμογή, τα καθιστούν, ίσως, ευάλωτα σε νέου απειλές.
Στα πλαίσια της δράσης αυτής έχει γίνει εγκατάσταση εργαλείων προγραμματισμού και αποσφαλμάτωσης λογισμικού ενσωματωμένων συστημάτων (Arm Keil, Arm DS5) και μελέτη της βιβλιογραφίας για την ασφάλεια των Συστημάτων-σε-Ολοκληρωμένο που βρίσκονται σε Internet-of-Things (IoT) εφαρμογές. Έχουμε επικεντρωθεί σε ARM επεξεργαστές, επειδή καλύπτουν το μεγαλύτερο ποσοστό της αγοράς των ΙοΤ εφαρμογών.
Εντοπίσαμε ότι τα συστήματα αναγνώρισης ηχητικών εντολών σε εφαρμογές IoT έξυπνων κατοικιών, απαιτούν την διαρκή σύνδεση στο διαδίκτυο, γεγονός το οποίο εγείρει ανησυχία για την ασφάλεια των προσωπικών δεδομένων των χρηστών τους. Για τον λόγο αυτό, χρησιμοποιώντας εξαρτήματα υλικού που βρήκαμε στην αγορά και με πολύ χαμηλό κόστος, αναπτύξαμε ένα επεκτάσιμο σύστημα για το έξυπνο σπίτι που επιτρέπει φωνητικές εντολές και φωνητικές υπηρεσίες , χωρίς να απαιτεί σύνδεση στο διαδίκτυο. Με μια σχετικά συχνή χρήση του πρωτότυπου συστήματος που αναπτύχθηκε (μιας εντολής ανά δευτερόλεπτο), το προτεινόμενο σύστημα επιτυγχάνει αυτονομία για σχεδόν 1.5 χρόνο όταν τροφοδοτείται από μια μπαταρία 2000 ΜAh (κινητού), με καθυστέρηση απόκρισης 1.13 δευτερόλεπτα ενώ το κόστος του δεν υπερβαίνει τα 30 ευρώ. Τα χαρακτηριστικά του το καθιστούν ιδανικό για χρήση σε έξυπνες κατοικίες, σε βιομηχανικούς αυτοματισμούς και σε wearable συσκευές.
Επιπρόσθετα, έχουν μελετηθεί απειλές που προέρχονται από εξειδικευμένες επιθέσεις σε ΙοΤ εφαρμογές που στοχεύουν το σύστημα-σε-ολοκληρωμένο της εφαρμογής. Συγκεκριμένα, έχει γίνει μελέτη θερμικών ιών και η απομακρυσμένη ανάπτυξή τους στο ΙοΤ σύστημα. Η μέθοδος βασίζεται στην χρήση γενετικού αλγορίθμου για την παραγωγή εξειδικευμένου συνόλου εντολών assembly χαμηλού επιπέδου (μίκρο-πρόγραμμα), που στοχεύει στην μεγιστοποίηση της εκλυόμενης θερμοκρασίας στον ARM μικροεπεξεργαστή που εκτελείται. Η απειλή στο σύστημα είναι μεγάλη, γιατί στοχεύοντας στην εκλυόμενη θερμότητα μεγιστοποιεί ταυτόχρονα και την κατανάλωση ισχύος της συσκευής και μπορεί να μειώσει την διαθεσιμότητα της ενέργειας της συσκευής. Για τον λόγο αυτό, μπορεί να αποτελέσει την βάση μιας επίθεσης denial-of-service της υπηρεσίας που προσφέρει η συσκευή. Τα μίκρο-προγράμματα αυτά πέρα από την κακόβουλη χρήση τους ως θερμικούς ιούς, μπορούν να χρησιμοποιούνται και για την θερμική αξιολόγηση του ολοκληρωμένου στο πεδίο της εφαρμογής του, γνώση που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την βελτίωση της διαθεσιμότητας της εφαρμογής. Η μέθοδος έχει υλοποιηθεί σε πρωτότυπη υπολογιστική μονάδα (ΙοΤ development board) που βασίζεται στο λειτουργικό σύστημα πραγματικού χρόνου arm mbed και το σύστημα απομακρυσμένης διαχείρισης ΙοΤ συσκευών Arm Pelion. Η αποτελεσματικότητα της μεθόδου έχει αποδειχθεί πειραματικά.
Η Δράση 1.3.5 περιλαμβάνει την ανάπτυξη πλήρως παραμετροποιήσιμων μοντέλων δοκιμών στοιχείων συστημάτων υλικού. Ένα από τα δομικά αυτά στοιχεία είναι η συσχετιστικές μνήμες (Content Addressable Memories -CAM) που χρησιμοποιούνται για ταχύτατη παράλληλη αναζήτηση. Αναπτύχθηκε ένα μοντέλο CAM με οργάνωση NAND γραμμής ταυτοποίησης (Match Line) σε γλώσσα C. To λογισμικού υπολογίζει το χρόνου προσπέλασης (access time), τον κύκλο (cycle time), την επιφάνεια (area) και την δυναμική καταναλισκόμενη ενέργεια (dynamic energy per access). Βασίζεται σε γενίκευση της μεθόδου σχεδίασης NAND CAM που είχε παρουσιαστεί από τους Vikas Chaudhary και Lawrence Clark στο άρθρο “Low-Power High-Performance NAND Match Line Content Addressable Memories”, για οποιοδήποτε μέγεθος γραμμής χρησιμοποιώντας ένα νέο αλγόριθμο διαχωρισμού της γραμμής σε μικρότερα τμήματα. Το λογισμικό που υλοποιήθηκε, βασίστηκε σε προσεγγίσεις που έγιναν στο μοντέλο CACTI, το οποίο έχει καθιερωθεί στον χώρο, λόγω της ταχύτητας που αυτό προσφέρει κατά την αποτίμηση διαφόρων αρχιτεκτονικών μνημών. Αν και βασισμένο στο CACTI, το προτεινόμενο λογισμικό διαφοροποιείται σημαντικά, διότι είναι προσανατολισμένο στο να υπολογίζει τα προαναφερθέντα μεγέθη για NAND CAM, επιλογή η οποία έως τώρα δεν προσφέρεται από το CACTI. Με το εργαλείο λογισμικού που υλοποιήθηκε, διεξήχθησαν υπολογισμοί του εμβαδού, της κατανάλωσης δυναμικής ενέργειας, του χρόνου και του κύκλου προσπέλασης, για μία σειρά από περιπτώσεις χρήσης NAND CAM, διαφόρων μεγεθών. Τα αποτελέσματα που παρουσιάστηκαν, έδειξαν πως όλα τα μεγέθη (εμβαδό, δυναμική ενέργεια, χρόνος και κύκλος προσπέλασης) αυξάνονται αναλογικά με το πλήθος των bits που απαρτίζουν τη match line. Επιπλέον, έγινε σύγκριση της NAND CAM με NOR CAM, η μοντελοποίηση της οποίας έγινε με το CACTI. Η σύγκριση των υπολογισμένων μεγεθών για τις δύο διαφορετικές τεχνολογίες, έδειξε πως η NOR CAM υπερέχει ελάχιστα στο κομμάτι της απαιτούμενης επιφάνειας καθώς και στο πεδίο του χρόνου, ενώ η NAND CAM εμφανίζει αξιοσημείωτα μειωμένη κατανάλωση δυναμικής ενέργειας σε σχέση με αυτή της NOR.
Στα επόμενα στάδια θα γίνει μετατροπή του openRAM, ενός memory compiler ελεύθερου λογισμικού, ώστε να χρησιμοποιεί κελιά μνήμης CAM αντί για SRAM και να παράγει αυτόματα τις παραπάνω μνήμες.
Στα επόμενα στάδια θα γίνει μετατροπή του openRAM, ενός memory compiler ελεύθερου λογισμικού, ώστε να χρησιμοποιεί κελιά μνήμης CAM αντί για SRAM και να παράγει αυτόματα τις παραπάνω μνήμες.