Hardware Acceleration Using Functional Languages

Cílem této práce je prozkoumat možnosti využití funkcionálního paradigmatu pro hardwarovou akceleraci, konkrétně pro datově paralelní úlohy. Úroveň abstrakce tradičních jazyků pro popis hardwaru, jako VHDL a Verilog, přestáví stačit. Pro popis na algoritmické či behaviorální úrovni se rozmáhají jazyky původně navržené pro vývoj softwaru a modelování, jako C/C++, SystemC nebo MATLAB. Funkcionální jazyky se s těmi imperativními nemůžou měřit v rozšířenosti a oblíbenosti mezi programátory, přesto je předčí v mnoha vlastnostech, např. ve verifikovatelnosti, schopnosti zachytit inherentní paralelismus a v kompaktnosti kódu. Pro akceleraci datově paralelních výpočtů se často používají jednotky FPGA, grafické karty (GPU) a vícejádrové procesory. Praktická část této práce rozšiřuje existující knihovnu Accelerate pro počítání na grafických kartách o výstup do VHDL. Accelerate je možno chápat jako doménově specifický jazyk vestavěný do Haskellu s backendem pro prostředí NVIDIA CUDA. Rozšíření pro vysokoúrovňovou syntézu obvodů ve VHDL představené v této práci používá stejný jazyk a frontend.The aim of this thesis is to research how the functional paradigm can be used for hardware acceleration with an emphasis on data-parallel tasks. The level of abstraction of the traditional hardware description languages, such as VHDL or Verilog, is becoming to low. High-level languages from the domains of software development and modeling, such as C/C++, SystemC or MATLAB, are experiencing a boom for hardware description on the algorithmic or behavioral level. Functional Languages are not so commonly used, but they outperform imperative languages in verification, the ability to capture inherent paralellism and the compactness of code. Data-parallel task are often accelerated on FPGAs, GPUs and multicore processors. In this thesis, we use a library for general-purpose GPU programs called Accelerate and extend it to produce VHDL. Accelerate is a domain-specific language embedded into Haskell with a backend for the NVIDIA CUDA platform. We use the language and its frontend, and create a new backend for high-level synthesis of circuits in VHDL.

Energy-aware scheduling in heterogeneous computing systems

In the last decade, the grid computing systems emerged as useful provider of the computing power required for solving complex problems. The classic formulation of the scheduling problem in heterogeneous computing systems is NP-hard, thus approximation techniques are required for solving real-world scenarios of this problem. This thesis tackles the problem of scheduling tasks in a heterogeneous computing environment in reduced execution times, considering the schedule length and the total energy consumption as the optimization objectives. An efficient multithreading local search algorithm for solving the multi-objective scheduling problem in heterogeneous computing systems, named MEMLS, is presented. The proposed method follows a fully multi-objective approach, applying a Pareto-based dominance search that is executed in parallel by using several threads. The experimental analysis demonstrates that the new multithreading algorithm outperforms a set of fast and accurate two-phase deterministic heuristics based on the traditional MinMin. The new ME-MLS method is able to achieve significant improvements in both makespan and energy consumption objectives in reduced execution times for a large set of testbed instances, while exhibiting very good scalability. The ME-MLS was evaluated solving instances comprised of up to 2048 tasks and 64 machines. In order to scale the dimension of the problem instances even further and tackle large-sized problem instances, the Graphical Processing Unit (GPU) architecture is considered. This line of future work has been initially tackled with the gPALS: a hybrid CPU/GPU local search algorithm for efficiently tackling a single-objective heterogeneous computing scheduling problem. The gPALS shows very promising results, being able to tackle instances of up to 32768 tasks and 1024 machines in reasonable execution times.En la última década, los sistemas de computación grid se han convertido en útiles proveedores de la capacidad de cálculo necesaria para la resolución de problemas complejos. En su formulación clásica, el problema de la planificación de tareas en sistemas heterogéneos es un problema NP difícil, por lo que se requieren técnicas de resolución aproximadas para atacar instancias de tamaño realista de este problema. Esta tesis aborda el problema de la planificación de tareas en sistemas heterogéneos, considerando el largo de la planificación y el consumo energético como objetivos a optimizar. Para la resolución de este problema se propone un algoritmo de búsqueda local eficiente y multihilo. El método propuesto se trata de un enfoque plenamente multiobjetivo que consiste en la aplicación de una búsqueda basada en dominancia de Pareto que se ejecuta en paralelo mediante el uso de varios hilos de ejecución. El análisis experimental demuestra que el algoritmo multithilado propuesto supera a un conjunto de heurísticas deterministas rápidas y e caces basadas en el algoritmo MinMin tradicional. El nuevo método, ME-MLS, es capaz de lograr mejoras significativas tanto en el largo de la planificación y como en consumo energético, en tiempos de ejecución reducidos para un gran número de casos de prueba, mientras que exhibe una escalabilidad muy promisoria. El ME-MLS fue evaluado abordando instancias de hasta 2048 tareas y 64 máquinas. Con el n de aumentar la dimensión de las instancias abordadas y hacer frente a instancias de gran tamaño, se consideró la utilización de la arquitectura provista por las unidades de procesamiento gráfico (GPU). Esta línea de trabajo futuro ha sido abordada inicialmente con el algoritmo gPALS: un algoritmo híbrido CPU/GPU de búsqueda local para la planificación de tareas en en sistemas heterogéneos considerando el largo de la planificación como único objetivo. La evaluación del algoritmo gPALS ha mostrado resultados muy prometedores, siendo capaz de abordar instancias de hasta 32768 tareas y 1024 máquinas en tiempos de ejecución razonables