Formation FPGA Optimization | Ac6 Formation

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Renseignements
V4FPGA Optimization
Hardware Architecture

Objectives

  • Design and optimize FPGA-based systems for performance, area, and power
  • Understand timing, pipelining, and clock domain crossing challenges
  • Apply efficient memory and resource utilization strategies
  • Develop hardware implementations of DSP and mathematical algorithms
  • Master RTL coding techniques for synthesis and hardware reliability
  • Perform simulation, verification, and timing analysis
  • Understand physical design: floorplanning, place & route, and constraints
  • Integrate FPGA designs with embedded software systems
  • Explore hardware/software co-design and acceleration techniques
  • Use ARM NEON for software-side performance optimization
  • VHDL or Verilog concepts
  • C Language knowledge (see for example our L2 training course)
  • Familiarity with FPGA concepts
  • Theoretical course
    • PDF course material (in English)
    • The trainer to answer trainees’ questions during the training and provide technical and pedagogical assistance
  • Practical activities
    • Practical activities represent from 40% to 50% of course duration
    • Example code, labs and solutions
    • Vivado or Libero for design, synthesis, and timing analysis; ModelSim or Vivado for simulation
  • Cours théorique
    • Support PDF (en anglais), imprimé en présentiel ; à distance via Teams.
    • Assistance du formateur tout au long de la formation.
  • Activités pratiques (40-50% de la durée)
    • Exemples de code, exercices et solutions.
    • À distance : un PC Linux en ligne par stagiaire, avec carte émulée ou physique selon le cours.
    • Présentiel / sur site : un PC (un par binôme au-delà de 6 stagiaires), carte cible et manuel d'installation si nécessaire.
  • Machine virtuelle préconfigurée téléchargeable pour refaire les TP après le cours.
  • Chaque session débute par un point avec les stagiaires.
  • Tout ingénieur ou technicien en systèmes embarqués possédant les prérequis ci-dessus.
  • Les prérequis sont évalués avant la formation.
  • Les progrès sont évalués par le formateur via les exercices pratiques, et par des quizz pour les sections sans exercices.
  • Chaque stagiaire reçoit une attestation de réussite.
  • En cas de prérequis manquant, une formation différente ou complémentaire est proposée.

Plan du cours

  • High Throughput
  • Low Latency
  • Timing
    • Add Register Layers
    • Parallel Structures
    • Flatten Logic Structures
    • Register Balancing
    • Reorder Paths
Exercise :  Example of Optimizing a Multiply-Accumulate Block
  • Rolling Up the Pipeline
  • Control-Based Logic Reuse
  • Resource Sharing
    • Impact of Reset on Area
    • Resources Without Reset
    • Resources Without Set
    • Resources Without Asynchronous Reset
    • Resetting RAM
    • Utilizing Set/Reset Flip-Flop Pins
Exercise :  Example of analyzing, comparing and optimizing multiple designs
  • Clock Control
    • Clock Skew
    • Managing Skew
  • Input Control
  • Reducing the Voltage Supply
  • Dual-Edge Triggered Flip-Flops
  • Modifying Terminations
  • AES Architectures
    • One Stage for Sub-bytes
    • Zero Stages for Shift Rows
    • Two Pipeline Stages for Mix-Column
    • One Stage for Add Round Key
    • Compact Architecture
    • Partially Pipelined Architecture
    • Fully Pipelined Architecture
  • Performance Versus Area
  • Other Optimizations
  • Abstract Design Techniques
  • Graphical State Machines
  • DSP Design
  • Software/Hardware Codesign Thread Fundamentals
  • Crossing Clock Domains
    • Metastability
    • Solution 1: Phase Control
    • Solution 2: Double Flopping
    • Solution 3: FIFO Structure
    • Partitioning Synchronizer Blocks
  • Gated Clocks in ASIC Prototypes
  • Clocks Module
  • Gating Removal Runtime Statistics
Exercise :  Show the effects of metastability when crossing asynchronous signal
Exercise :  Measure the probability of metastability by simulating with random input changes
  • Hardware Division
    • Multiply and Shift
    • Iterative Division
    • The Goldschmidt Method
  • Taylor and Maclaurin Series Expansion
  • The CORDIC Algorithm
Exercise :  Example Design: I2S Versus SPDIF
Exercise :  Example Design: Floating-Point Unit
  • Asynchronous Versus Synchronous
    • Problems with Fully Asynchronous Resets
    • Fully Synchronized Resets
    • Asynchronous Assertion, Synchronous Deassertion
  • Mixing Reset Types
    • Nonresetable Flip-Flops
    • Internally Generated Resets
  • Multiple Clock Domains
Exercise :  Observe the differences between async and sync resets on flip-flops
  • Testbench Architecture
    • Testbench Components
    • Testbench Flow
  • Main Thread
  • Clocks and Resets
  • Test Cases
  • System Stimulus
    • MATLAB
    • Bus-Functional Models
  • Code Coverage
  • Gate-Level Simulations
  • Toggle Coverage
  • Run-Time Traps
    • Timescale
    • Glitch Rejection
    • Combinatorial Delay Modeling
Exercise :  Understanding event bit group by synchronizing several threads
  • Design Partitioning
  • Critical-Path Floorplanning
  • Floorplanning Dangers
  • Optimal Floorplanning
    • Data Path
    • High Fan-Out
    • Device Structure
    • Reusability
  • Reducing Power Dissipation
  • Standard Analysis
  • Latches
  • Asynchronous Circuits
    • Combinatorial Feedback
  • Power Supply
    • Supply Requirements
    • Regulation
  • Decoupling Capacitors
    • Concept
    • Calculating Values
    • Capacitor Placement
  • SRC Architecture
  • Synthesis Optimizations
    • Speed Versus Area
    • Pipelining
    • Physical Synthesis
  • Floorplan Optimizations
    • Partitioned Floorplan
    • Critical-Path Floorplan
  • FPGA Memory Types
    • Flip-Flops (FF) vs LUT RAM vs Block RAM (BRAM) vs UltraRAM
  • When NOT to use Flip-Flops
    • Resource explosion and routing impact
  • Efficient Memory Mapping
    • Using BRAM for buffers and FIFOs
    • Inferring RAM in HDL
  • Distributed RAM usage strategies
  • DSP Blocks in FPGA
    • Multipliers and MAC units
  • FFT Architectures
    • Radix-2 / Radix-4 basics
    • Pipelined vs iterative FFT
    • Fixed-point vs floating-point trade-offs
    • Throughput vs resource trade-offs
Exercise :  Implement a dynamic FFT IP from the PS part
Durée
4 jours
Renseignements

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Dernière mise à jour du plan de cours : 20 mai 2026

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