Cross-Layer Rapid Prototyping and Synthesis of Application-Specific and Reconfigurable Many-accelerator Platforms

Technological advances of recent years laid the foundation consolidation of informatisationof society, impacting on economic, political, cultural and socialdimensions. At the peak of this realization, today, more and more everydaydevices are connected to the web, giving the term ”Internet of Things”. The futureholds the full connection and interaction of IT and communications systemsto the natural world, delimiting the transition to natural cyber systems and offeringmeta-services in the physical world, such as personalized medical care, autonomoustransportation, smart energy cities etc. . Outlining the necessities of this dynamicallyevolving market, computer engineers are required to implement computingplatforms that incorporate both increased systemic complexity and also cover awide range of meta-characteristics, such as the cost and design time, reliabilityand reuse, which are prescribed by a conflicting set of functional, technical andconstruction constraints. This thesis aims to address these design challenges bydeveloping methodologies and hardware/software co-design tools that enable therapid implementation and efficient synthesis of architectural solutions, which specifyoperating meta-features required by the modern market. Specifically, this thesispresents a) methodologies to accelerate the design flow for both reconfigurableand application-specific architectures, b) coarse-grain heterogeneous architecturaltemplates for processing and communication acceleration and c) efficient multiobjectivesynthesis techniques both at high abstraction level of programming andphysical silicon level.Regarding to the acceleration of the design flow, the proposed methodologyemploys virtual platforms in order to hide architectural details and drastically reducesimulation time. An extension of this framework introduces the systemicco-simulation using reconfigurable acceleration platforms as co-emulation intermediateplatforms. Thus, the development cycle of a hardware/software productis accelerated by moving from a vertical serial flow to a circular interactive loop.Moreover the simulation capabilities are enriched with efficient detection and correctiontechniques of design errors, as well as control methods of performancemetrics of the system according to the desired specifications, during all phasesof the system development. In orthogonal correlation with the aforementionedmethodological framework, a new architectural template is proposed, aiming atbridging the gap between design complexity and technological productivity usingspecialized hardware accelerators in heterogeneous systems-on-chip and networkon-chip platforms. It is presented a novel co-design methodology for the hardwareaccelerators and their respective programming software, including the tasks allocationto the available resources of the system/network. The introduced frameworkprovides implementation techniques for the accelerators, using either conventionalprogramming flows with hardware description language or abstract programmingmodel flows, using techniques from high-level synthesis. In any case, it is providedthe option of systemic measures optimization, such as the processing speed,the throughput, the reliability, the power consumption and the design silicon area.Finally, on addressing the increased complexity in design tools of reconfigurablesystems, there are proposed novel multi-objective optimization evolutionary algo-rithms which exploit the modern multicore processors and the coarse-grain natureof multithreaded programming environments (e.g. OpenMP) in order to reduce theplacement time, while by simultaneously grouping the applications based on theirintrinsic characteristics, the effectively explore the design space effectively.The efficiency of the proposed architectural templates, design tools and methodologyflows is evaluated in relation to the existing edge solutions with applicationsfrom typical computing domains, such as digital signal processing, multimedia andarithmetic complexity, as well as from systemic heterogeneous environments, suchas a computer vision system for autonomous robotic space navigation and manyacceleratorsystems for HPC and workstations/datacenters. The results strengthenthe belief of the author, that this thesis provides competitive expertise to addresscomplex modern - and projected future - design challenges.Οι τεχνολογικές εξελίξεις των τελευταίων ετών έθεσαν τα θεμέλια εδραίωσης της πληροφοριοποίησης της κοινωνίας, επιδρώντας σε οικονομικές,πολιτικές, πολιτιστικές και κοινωνικές διαστάσεις. Στο απόγειο αυτής τη ςπραγμάτωσης, σήμερα, ολοένα και περισσότερες καθημερινές συσκευές συνδέονται στο παγκόσμιο ιστό, αποδίδοντας τον όρο «Ίντερνετ των πραγμάτων».Το μέλλον επιφυλάσσει την πλήρη σύνδεση και αλληλεπίδραση των συστημάτων πληροφορικής και επικοινωνιών με τον φυσικό κόσμο, οριοθετώντας τη μετάβαση στα συστήματα φυσικού κυβερνοχώρου και προσφέροντας μεταυπηρεσίες στον φυσικό κόσμο όπως προσωποποιημένη ιατρική περίθαλψη, αυτόνομες μετακινήσεις, έξυπνες ενεργειακά πόλεις κ.α. . Σκιαγραφώντας τις ανάγκες αυτής της δυναμικά εξελισσόμενης αγοράς, οι μηχανικοί υπολογιστών καλούνται να υλοποιήσουν υπολογιστικές πλατφόρμες που αφενός ενσωματώνουν αυξημένη συστημική πολυπλοκότητα και αφετέρου καλύπτουν ένα ευρύ φάσμα μεταχαρακτηριστικών, όπως λ.χ. το κόστος σχεδιασμού, ο χρόνος σχεδιασμού, η αξιοπιστία και η επαναχρησιμοποίηση, τα οποία προδιαγράφονται από ένα αντικρουόμενο σύνολο λειτουργικών, τεχνολογικών και κατασκευαστικών περιορισμών. Η παρούσα διατριβή στοχεύει στην αντιμετώπιση των παραπάνω σχεδιαστικών προκλήσεων, μέσω της ανάπτυξης μεθοδολογιών και εργαλείων συνσχεδίασης υλικού/λογισμικού που επιτρέπουν την ταχεία υλοποίηση καθώς και την αποδοτική σύνθεση αρχιτεκτονικών λύσεων, οι οποίες προδιαγράφουν τα μετα-χαρακτηριστικά λειτουργίας που απαιτεί η σύγχρονη αγορά. Συγκεκριμένα, στα πλαίσια αυτής της διατριβής, παρουσιάζονται α) μεθοδολογίες επιτάχυνσης της ροής σχεδιασμού τόσο για επαναδιαμορφούμενες όσο και για εξειδικευμένες αρχιτεκτονικές, β) ετερογενή αδρομερή αρχιτεκτονικά πρότυπα επιτάχυνσης επεξεργασίας και επικοινωνίας και γ) αποδοτικές τεχνικές πολυκριτηριακής σύνθεσης τόσο σε υψηλό αφαιρετικό επίπεδο προγραμματισμού,όσο και σε φυσικό επίπεδο πυριτίου.Αναφορικά προς την επιτάχυνση της ροής σχεδιασμού, προτείνεται μια μεθοδολογία που χρησιμοποιεί εικονικές πλατφόρμες, οι οποίες αφαιρώντας τις αρχιτεκτονικές λεπτομέρειες καταφέρνουν να μειώσουν σημαντικά το χρόνο εξομοίωσης. Παράλληλα, εισηγείται η συστημική συν-εξομοίωση με τη χρήση επαναδιαμορφούμενων πλατφορμών, ως μέσων επιτάχυνσης. Με αυτόν τον τρόπο, ο κύκλος ανάπτυξης ενός προϊόντος υλικού, μετατεθειμένος από την κάθετη σειριακή ροή σε έναν κυκλικό αλληλεπιδραστικό βρόγχο, καθίσταται ταχύτερος, ενώ οι δυνατότητες προσομοίωσης εμπλουτίζονται με αποδοτικότερες μεθόδους εντοπισμού και διόρθωσης σχεδιαστικών σφαλμάτων, καθώς και μεθόδους ελέγχου των μετρικών απόδοσης του συστήματος σε σχέση με τις επιθυμητές προδιαγραφές, σε όλες τις φάσεις ανάπτυξης του συστήματος. Σε ορθογώνια συνάφεια με το προαναφερθέν μεθοδολογικό πλαίσιο, προτείνονται νέα αρχιτεκτονικά πρότυπα που στοχεύουν στη γεφύρωση του χάσματος μεταξύ της σχεδιαστικής πολυπλοκότητας και της τεχνολογικής παραγωγικότητας, με τη χρήση συστημάτων εξειδικευμένων επιταχυντών υλικού σε ετερογενή συστήματα-σε-ψηφίδα καθώς και δίκτυα-σε-ψηφίδα. Παρουσιάζεται κατάλληλη μεθοδολογία συν-σχεδίασης των επιταχυντών υλικού και του λογισμικού προκειμένου να αποφασισθεί η κατανομή των εργασιών στους διαθέσιμους πόρους του συστήματος/δικτύου. Το μεθοδολογικό πλαίσιο προβλέπει την υλοποίηση των επιταχυντών είτε με συμβατικές μεθόδους προγραμματισμού σε γλώσσα περιγραφής υλικού είτε με αφαιρετικό προγραμματιστικό μοντέλο με τη χρήση τεχνικών υψηλού επιπέδου σύνθεσης. Σε κάθε περίπτωση, δίδεται η δυνατότητα στο σχεδιαστή για βελτιστοποίηση συστημικών μετρικών, όπως η ταχύτητα επεξεργασίας, η ρυθμαπόδοση, η αξιοπιστία, η κατανάλωση ενέργειας και η επιφάνεια πυριτίου του σχεδιασμού. Τέλος, προκειμένου να αντιμετωπισθεί η αυξημένη πολυπλοκότητα στα σχεδιαστικά εργαλεία επαναδιαμορφούμενων συστημάτων, προτείνονται νέοι εξελικτικοί αλγόριθμοι πολυκριτηριακής βελτιστοποίησης, οι οποίοι εκμεταλλευόμενοι τους σύγχρονους πολυπύρηνους επεξεργαστές και την αδρομερή φύση των πολυνηματικών περιβαλλόντων προγραμματισμού (π.χ. OpenMP), μειώνουν το χρόνο επίλυσης του προβλήματος της τοποθέτησης των λογικών πόρων σε φυσικούς,ενώ ταυτόχρονα, ομαδοποιώντας τις εφαρμογές βάση των εγγενών χαρακτηριστικών τους, διερευνούν αποτελεσματικότερα το χώρο σχεδίασης.Η αποδοτικότητά των προτεινόμενων αρχιτεκτονικών προτύπων και μεθοδολογιών επαληθεύτηκε σε σχέση με τις υφιστάμενες λύσεις αιχμής τόσο σε αυτοτελής εφαρμογές, όπως η ψηφιακή επεξεργασία σήματος, τα πολυμέσα και τα προβλήματα αριθμητικής πολυπλοκότητας, καθώς και σε συστημικά ετερογενή περιβάλλοντα, όπως ένα σύστημα όρασης υπολογιστών για αυτόνομα διαστημικά ρομποτικά οχήματα και ένα σύστημα πολλαπλών επιταχυντών υλικού για σταθμούς εργασίας και κέντρα δεδομένων, στοχεύοντας εφαρμογές υψηλής υπολογιστικής απόδοσης (HPC). Τα αποτελέσματα ενισχύουν την πεποίθηση του γράφοντα, ότι η παρούσα διατριβή παρέχει ανταγωνιστική τεχνογνωσία για την αντιμετώπιση των πολύπλοκων σύγχρονων και προβλεπόμενα μελλοντικών σχεδιαστικών προκλήσεων

Embedded electronic systems driven by run-time reconfigurable hardware

Abstract This doctoral thesis addresses the design of embedded electronic systems based on run-time reconfigurable hardware technology –available through SRAM-based FPGA/SoC devices– aimed at contributing to enhance the life quality of the human beings. This work does research on the conception of the system architecture and the reconfiguration engine that provides to the FPGA the capability of dynamic partial reconfiguration in order to synthesize, by means of hardware/software co-design, a given application partitioned in processing tasks which are multiplexed in time and space, optimizing thus its physical implementation –silicon area, processing time, complexity, flexibility, functional density, cost and power consumption– in comparison with other alternatives based on static hardware (MCU, DSP, GPU, ASSP, ASIC, etc.). The design flow of such technology is evaluated through the prototyping of several engineering applications (control systems, mathematical coprocessors, complex image processors, etc.), showing a high enough level of maturity for its exploitation in the industry.Resumen Esta tesis doctoral abarca el diseño de sistemas electrónicos embebidos basados en tecnología hardware dinámicamente reconfigurable –disponible a través de dispositivos lógicos programables SRAM FPGA/SoC– que contribuyan a la mejora de la calidad de vida de la sociedad. Se investiga la arquitectura del sistema y del motor de reconfiguración que proporcione a la FPGA la capacidad de reconfiguración dinámica parcial de sus recursos programables, con objeto de sintetizar, mediante codiseño hardware/software, una determinada aplicación particionada en tareas multiplexadas en tiempo y en espacio, optimizando así su implementación física –área de silicio, tiempo de procesado, complejidad, flexibilidad, densidad funcional, coste y potencia disipada– comparada con otras alternativas basadas en hardware estático (MCU, DSP, GPU, ASSP, ASIC, etc.). Se evalúa el flujo de diseño de dicha tecnología a través del prototipado de varias aplicaciones de ingeniería (sistemas de control, coprocesadores aritméticos, procesadores de imagen, etc.), evidenciando un nivel de madurez viable ya para su explotación en la industria.Resum Aquesta tesi doctoral està orientada al disseny de sistemes electrònics empotrats basats en tecnologia hardware dinàmicament reconfigurable –disponible mitjançant dispositius lògics programables SRAM FPGA/SoC– que contribueixin a la millora de la qualitat de vida de la societat. S’investiga l’arquitectura del sistema i del motor de reconfiguració que proporcioni a la FPGA la capacitat de reconfiguració dinàmica parcial dels seus recursos programables, amb l’objectiu de sintetitzar, mitjançant codisseny hardware/software, una determinada aplicació particionada en tasques multiplexades en temps i en espai, optimizant així la seva implementació física –àrea de silici, temps de processat, complexitat, flexibilitat, densitat funcional, cost i potència dissipada– comparada amb altres alternatives basades en hardware estàtic (MCU, DSP, GPU, ASSP, ASIC, etc.). S’evalúa el fluxe de disseny d’aquesta tecnologia a través del prototipat de varies aplicacions d’enginyeria (sistemes de control, coprocessadors aritmètics, processadors d’imatge, etc.), demostrant un nivell de maduresa viable ja per a la seva explotació a la indústria

Design of an FPGA-based parallel SIMD machine for power flow analysis

Power flow analysis consists of computationally intensive calculations on large matrices, consumes several hours of computational time, and has shown the need for the implementation of application-specific parallel machines. The potential of Single-Instruction stream Multiple-Data stream (SIMD) parallel architectures for efficient operations on large matrices has been demonstrated as seen in the case of many existing supercomputers. The unsuitability of existing parallel machines for low-cost power system applications, their long design cycles, and the difficulty in using them show the need for application-specific SIMI) machines. Advances in VLSI technology and Field-Programmable Gate-Arrays (FPGAs) enable the implementation of Custom Computing Machines (CCMs) which can yield better performance for specific applications. The advent of SoftCore processors made it possible to integrate reconfigurable logic as a slave to a peripheral bus and has demonstrated the ability in the rapid prototyping of complete systems on programmable chips. This thesis aims at designing and implementing an FPGA-based SIMI) machine for power flow analysis. It presents the architecture of an SIMI) machine that consists of an array of processing elements with mesh interconnection and a Soft-Core processor; the latter is used as the host. The FPGAbased SIMI) machine is implemented on the Annapolis Microsystems Wildstar-II board that contains multiple Virtex-II FPGAs. The Soft-Core processor used is the Xilinx Microblaze and the application targeted is matrix multiplication