A Survey of Techniques For Improving Energy Efficiency in Embedded Computing Systems

Recent technological advances have greatly improved the performance and features of embedded systems. With the number of just mobile devices now reaching nearly equal to the population of earth, embedded systems have truly become ubiquitous. These trends, however, have also made the task of managing their power consumption extremely challenging. In recent years, several techniques have been proposed to address this issue. In this paper, we survey the techniques for managing power consumption of embedded systems. We discuss the need of power management and provide a classification of the techniques on several important parameters to highlight their similarities and differences. This paper is intended to help the researchers and application-developers in gaining insights into the working of power management techniques and designing even more efficient high-performance embedded systems of tomorrow

Toolflows for Mapping Convolutional Neural Networks on FPGAs: A Survey and Future Directions

In the past decade, Convolutional Neural Networks (CNNs) have demonstrated state-of-the-art performance in various Artificial Intelligence tasks. To accelerate the experimentation and development of CNNs, several software frameworks have been released, primarily targeting power-hungry CPUs and GPUs. In this context, reconfigurable hardware in the form of FPGAs constitutes a potential alternative platform that can be integrated in the existing deep learning ecosystem to provide a tunable balance between performance, power consumption and programmability. In this paper, a survey of the existing CNN-to-FPGA toolflows is presented, comprising a comparative study of their key characteristics which include the supported applications, architectural choices, design space exploration methods and achieved performance. Moreover, major challenges and objectives introduced by the latest trends in CNN algorithmic research are identified and presented. Finally, a uniform evaluation methodology is proposed, aiming at the comprehensive, complete and in-depth evaluation of CNN-to-FPGA toolflows.Comment: Accepted for publication at the ACM Computing Surveys (CSUR) journal, 201

Power constrained test scheduling in system-on-chip design

With the development of VLSI technologies, especially with the coming of deep sub-micron semiconductor process technologies, power dissipation becomes a critical factor that cannot be ignored either in normal operation or in test mode of digital systems. Test scheduling has to take into consideration of both test concurrency and power dissipation constraints. For satisfying high fault coverage goals with minimum test application time under certain power dissipation constraints, the testing of all components on the system should be performed in parallel as much as possible. The main objective of this thesis is to address the test-scheduling problem faced by SOC designers at system level. Through the analysis of several existing scheduling approaches, we enlarge the basis that current approaches based on to minimize test application time and propose an efficient and integrated technique for the test scheduling of SOCs under power-constraint. The proposed merging approach is based on a tree growing technique and can be used to overlay the block-test sessions in order to reduce further test application time. A number of experiments, based on academic benchmarks and industrial designs, have been carried out to demonstrate the usefulness and efficiency of the proposed approaches

Predictable mapping of streaming applications on multiprocessors

Het ontwerp van nieuwe consumentenelektronica wordt voortdurend complexer omdat er steeds meer functionaliteit in deze apparaten ge¨integreerd wordt. Een voorspelbaar ontwerptraject is nodig om deze complexiteit te beheersen. Het resultaat van dit ontwerptraject zou een systeem moeten zijn, waarin iedere applicatie zijn eigen taken binnen een strikte tijdslimiet kan uitvoeren, onafhankelijk van andere applicaties die hetzelfde systeem gebruiken. Dit vereist dat het tijdsgedrag van de hardware, de software, evenals hun interactie kan worden voorspeld. Er wordt vaak voorgesteld om een heterogeen multi-processor systeem (MPSoC) te gebruiken in moderne elektronische systemen. Een MP-SoC heeft voor veel applicaties een goede verhouding tussen rekenkracht en energiegebruik. Onchip netwerken (NoCs) worden voorgesteld als interconnect in deze systemen. Een NoC is schaalbaar en het biedt garanties wat betreft de hoeveelheid tijd die er nodig is om gegevens te communiceren tussen verschillende processoren en geheugens. Door het NoC te combineren met een voorspelbare strategie om de processoren en geheugens te delen, ontstaat een hardware platform met een voorspelbaar tijdsgedrag. Om een voorspelbaar systeem te verkrijgen moet ook het tijdsgedrag van een applicatie die wordt uitgevoerd op het platform voorspelbaar en analyseerbaar zijn. Het Synchronous Dataflow (SDF) model is erg geschikt voor het modelleren van applicaties die werken met gegevensstromen. Het model kan vele ontwerpbeslissingen modelleren en het is mogelijk om tijdens het ontwerptraject het tijdsgedrag van het systeem te analyseren. Dit proefschrift probeert om applicaties die gemodelleerd zijn met SDF grafen op een zodanige manier af te beelden op een NoC-gebaseerd MP-SoC, dat garanties op het tijdsgedrag van individuele applicaties gegeven kunnen worden. De doorstroomsnelheid van een applicatie is vaak een van de belangrijkste eisen bij het ontwerpen van systemen voor applicaties die werken met gegevensstromen. Deze doorstroomsnelheid wordt in hoge mate be¨invloed door de beschikbare ruimte om resultaten (gegevens) op te slaan. De opslagruimte in een SDF graaf wordt gemodelleerd door de pijlen in de graaf. Het probleem is dat er een vaste grootte voor de opslagruimte aan de pijlen van een SDF graaf moet worden toegewezen. Deze grootte moet zodanig worden gekozen dat de vereiste doorstroomsnelheid van het systeem gehaald wordt, terwijl de benodigde opslagruimte geminimaliseerd wordt. De eerste belangrijkste bijdrage van dit proefschrift is een techniek om de minimale opslagruimte voor iedere mogelijke doorstroomsnelheid van een applicatie te vinden. Ondanks de theoretische complexiteit van dit probleem presteert de techniek in praktijk goed. Doordat de techniek alle mogelijke minimale combinaties van opslagruimte en doorstroomsnelheid vindt, is het mogelijk om met situaties om te gaan waarin nog niet alle ontwerpbeslissingen zijn genomen. De ontwerpbeslissingen om twee taken van een applicatie op ´e´en processor uit te voeren, zou bijvoorbeeld de doorstroomsnelheid kunnen be¨invloeden. Hierdoor is er een onzekerheid in het begin van het ontwerptraject tussen de berekende doorstroomsnelheid en de doorstroomsnelheid die daadwerkelijk gerealiseerd kan worden als alle ontwerpbeslissingen zijn genomen. Tijdens het ontwerptraject moeten de taken waaruit een applicatie is opgebouwd toegewezen worden aan de verschillende processoren en geheugens in het systeem. Indien meerdere taken een processor delen, moet ook de volgorde bepaald worden waarin deze taken worden uitgevoerd. Een belangrijke bijdrage van dit proefschrift is een techniek die deze toewijzing uitvoert en die de volgorde bepaalt waarin taken worden uitgevoerd. Bestaande technieken kunnen alleen omgaan met taken die een ´e´en-op-´e´en relatie met elkaar hebben, dat wil zeggen, taken die een gelijk aantal keren uitgevoerd worden. In een SDF graaf kunnen ook complexere relaties worden uitgedrukt. Deze relaties kunnen omgeschreven worden naar een ´e´en-op-´e´en relatie, maar dat kan leiden tot een exponenti¨ele groei van het aantal taken in de graaf. Hierdoor kan het onmogelijk worden om in een beperkte tijd alle taken aan de processoren toe te wijzen en om de volgorde te bepalen waarin deze taken worden uitgevoerd. De techniek die in dit proefschrift wordt gepresenteerd, kan omgaan met de complexe relaties tussen taken in een SDF graaf zonder de vertaling naar de ´e´en-op-´e´en relaties te maken. Dit is mogelijk dankzij een nieuwe, effici¨ente techniek om de doorstroomsnelheid van SDF grafen te bepalen. Nadat de taken van een applicatie toegewezen zijn aan de processoren in het hardware platform moet de communicatie tussen deze taken op het NoC gepland worden. In deze planning moet voor ieder bericht dat tussen de taken wordt verstuurd, worden bepaald welke route er gebruikt wordt en wanneer de communicatie gestart wordt. Dit proefschrift introduceert drie strategie¨en voor het versturen van berichten met een strikte tijdslimiet. Alle drie de strategie¨en maken maximaal gebruik van de beschikbare vrijheid die moderne NoCs bieden. Experimenten tonen aan dat deze strategie¨en hierdoor effici¨enter omgaan met de beschikbare hardware dan bestaande strategie¨en. Naast deze strategie¨en wordt er een techniek gepresenteerd om uit de ontwerpbeslissingen die gemaakt zijn tijdens het toewijzen van taken aan de processoren alle tijdslimieten af te leiden waarbinnen de berichten over het NoC gecommuniceerd moeten worden. Deze techniek koppelt de eerder genoemde techniek voor het toewijzen van taken aan processoren aan de drie strategie¨en om berichten te versturen over het NoC. Tenslotte worden de verschillende technieken die in dit proefschrift worden ge¨introduceerd gecombineerd tot een compleet ontwerptraject. Het startpunt is een SDF graaf die een applicatie modelleert en een NoC-gebaseerd MP-SoC platform met een voorspelbaar tijdsgedrag. Het doel van het ontwerptraject is het op een zodanige manier afbeelden van de applicatie op het platform dat de doorstroomsnelheid van de applicatie gegarandeerd kan worden. Daarnaast probeert het ontwerptraject de hoeveelheid hardware die gebruikt wordt te minimaliseren. Er wordt een experiment gepresenteerd waarin drie verschillende multimedia applicaties (H.263 encoder/decoder en een MP3 decoder) op een NoCgebaseerd MP-SoC worden afgebeeld. Dit experiment toont aan dat de technieken die in dit proefschrift worden voorgesteld, gebruikt kunnen worden voor het ontwerpen van systemen met een voorspelbaar tijdsgedrag. Hiermee is het voorgestelde ontwerptraject het eerste traject dat een met een SDF-gemodelleerde applicatie op een NoC-gebaseerd MP-SoC kan afbeelden, terwijl er garanties worden gegeven over de doorstroomsnelheid van de applicatie

Ant Colony Heuristic for Mapping and Scheduling Tasks and Communications on Heterogeneous Embedded Systems

To exploit the power of modern heterogeneous multiprocessor embedded platforms on partitioned applications, the designer usually needs to efficiently map and schedule all the tasks and the communications of the application, respecting the constraints imposed by the target architecture. Since the problem is heavily constrained, common methods used to explore such design space usually fail, obtaining low-quality solutions. In this paper, we propose an ant colony optimization (ACO) heuristic that, given a model of the target architecture and the application, efficiently executes both scheduling and mapping to optimize the application performance. We compare our approach with several other heuristics, including simulated annealing, tabu search, and genetic algorithms, on the performance to reach the optimum value and on the potential to explore the design space. We show that our approach obtains better results than other heuristics by at least 16% on average, despite an overhead in execution time. Finally, we validate the approach by scheduling and mapping a JPEG encoder on a realistic target architecture

An overview of decision table literature 1982-1995.

This report gives an overview of the literature on decision tables over the past 15 years. As much as possible, for each reference, an author supplied abstract, a number of keywords and a classification are provided. In some cases own comments are added. The purpose of these comments is to show where, how and why decision tables are used. The literature is classified according to application area, theoretical versus practical character, year of publication, country or origin (not necessarily country of publication) and the language of the document. After a description of the scope of the interview, classification results and the classification by topic are presented. The main body of the paper is the ordered list of publications with abstract, classification and comments.

Communication synthesis of networks-on-chip (NoC)

The emergence of networks-on-chip (NoC) as the communication infrastructure solution for complex multi-core SoCs presents communication synthesis challenges. This dissertation addresses the design and run-time management aspects of communication synthesis. Design reuse and the infeasibility of Intellectual Property (IP) core interface redesign, requires the development of a Core-Network Interface (CNI) which allows them to communicate over the on-chip network. The absence of intelligence amongst the NoC components, entails the introduction of a CNI capable of not only providing basic packetization and depacketization, but also other essential services such as reliability, power management, reconguration and test support. A generic CNI architecture providing these services for NoCs is proposed and evaluated in this dissertation. Rising on-chip communication power costs and reliability concerns due to these, motivate the development of a peak power management technique that is both scalable to dierent NoCs and adaptable to varying trac congurations. A scalable and adaptable peak power management technique - SAPP - is proposed and demonstrated. Latency and throughput improvements observed with SAPP demonstrate its superiority over existing techniques. Increasing design complexity make prediction of design lifetimes dicult. Post SoC deployment, an on-line health monitoring scheme, is essential to maintain con- dence in the correct operation of on-chip cores. The rising design complexity and IP core test costs makes non-concurrent testing of the IP cores infeasible. An on-line scheme capable of managing IP core test in the presence of executing applications is essential. Such a scheme ensures application performance and system power budgets are eciently managed. This dissertation proposes Concurrent On-Line Test (COLT) for NoC-based systems and demonstrates how a robust implementation of COLT using a Test Infrastructure-IP (TI-IP) can be used to maintain condence in the correct operation of the SoC