Limits on Fundamental Limits to Computation

An indispensable part of our lives, computing has also become essential to industries and governments. Steady improvements in computer hardware have been supported by periodic doubling of transistor densities in integrated circuits over the last fifty years. Such Moore scaling now requires increasingly heroic efforts, stimulating research in alternative hardware and stirring controversy. To help evaluate emerging technologies and enrich our understanding of integrated-circuit scaling, we review fundamental limits to computation: in manufacturing, energy, physical space, design and verification effort, and algorithms. To outline what is achievable in principle and in practice, we recall how some limits were circumvented, compare loose and tight limits. We also point out that engineering difficulties encountered by emerging technologies may indicate yet-unknown limits.Comment: 15 pages, 4 figures, 1 tabl

AN ARCHITECTURE EVALUATION AND IMPLEMENTATION OF A SOFT GPGPU FOR FPGAs

Embedded and mobile systems must be able to execute a variety of different types of code, often with minimal available hardware. Many embedded systems now come with a simple processor and an FPGA, but not more energy-hungry components, such as a GPGPU. In this dissertation we present FlexGrip, a soft architecture which allows for the execution of GPGPU code on an FPGA without the need to recompile the design. The architecture is optimized for FPGA implementation to effectively support the conditional and thread-based execution characteristics of GPGPU execution without FPGA design recompilation. This architecture supports direct CUDA compilation to a binary which is executable on the FPGA-based GPGPU. Our architecture is customizable, thus providing the FPGA designer with a selection of GPGPU cores which display performance versus area tradeoffs. This dissertation describes the FlexGrip architecture in detail and showcases the benefits by evaluating the design for a collection of five standard CUDA benchmarks which are compiled using standard GPGPU compilation tools. Speedups of 23x, on average, versus a MicroBlaze microprocessor are achieved for designs which take advantage of the conditional execution capabilities offered by FlexGrip. We also show FlexGrip can achieve an 80% average reduction of dynamic energy versus the MicroBlaze microprocessor. The dissertation furthers discussion by exploring application-customized versions of the soft GPGPU, thus exploiting the overlay architecture. We expand the architecture to multiple processors per GPGPU and optimizing away features which are not needed by certain classes of applications. These optimizations, which include the effective use of block RAMs and DSP blocks, are critical to the performance of FlexGrip. By implementing a 2 GPGPU design, we show speedups of 44x on average versus a MicroBlaze microprocessor. Application-customized versions of the soft GPGPU can be used to further reduce dynamic energy consumption by an average of 14%. To complete this thesis, we augmented a GPGPU cycle accurate simulator to emulate FlexGrip and evaluate different levels of cache design spaces. We show performance increases for select benchmarks, however, we also show that 64% and 45% of benchmarks exhibited performance decreases when L1D cache was enabled for the 1 SMP and 2 SMP configurations, and only one benchmark showed performance improvement when the L2 cache was enabled

06141 Abstracts Collection -- Dynamically Reconfigurable Architectures

From 02.04.06 to 07.04.06, the Dagstuhl Seminar 06141 ``Dynamically Reconfigurable Architectures\u27\u27 was held in the International Conference and Research Center (IBFI), Schloss Dagstuhl. During the seminar, several participants presented their current research, and ongoing work and open problems were discussed. Abstracts of the presentations given during the seminar as well as abstracts of seminar results and ideas are put together in this paper. The first section describes the seminar topics and goals in general. Links to extended abstracts or full papers are provided, if available

Dynamic Energy and Thermal Management of Multi-Core Mobile Platforms: A Survey

Multi-core mobile platforms are on rise as they enable efficient parallel processing to meet ever-increasing performance requirements. However, since these platforms need to cater for increasingly dynamic workloads, efficient dynamic resource management is desired mainly to enhance the energy and thermal efficiency for better user experience with increased operational time and lifetime of mobile devices. This article provides a survey of dynamic energy and thermal management approaches for multi-core mobile platforms. These approaches do either proactive or reactive management. The upcoming trends and open challenges are also discussed

From Parallel Programs to Customized Parallel Processors

The need for fast time to market of new embedded processor-based designs calls for a rapid design methodology of the included processors. The call for such a methodology is even more emphasized in the context of so called soft cores targeted to reconfigurable fabrics where per-design processor customization is commonplace. The C language has been commonly used as an input to hardware/software co-design flows. However, as C is a sequential language, its potential to generate parallel operations to utilize naturally parallel hardware constructs is far from optimal, leading to a customized processor design space with limited parallel resource scalability. In contrast, when utilizing a parallel programming language as an input, a wider processor design space can be explored to produce customized processors with varying degrees of utilized parallelism. This Thesis proposes a novel Multicore Application-Specific Instruction Set Processor (MCASIP) co-design methodology that exploits parallel programming languages as the application input format. In the methodology, the designer can explicitly capture the parallelism of the algorithm and exploit specialized instructions using a parallel programming language in contrast to being on the mercy of the compiler or the hardware to extract the parallelism from a sequential input. The Thesis proposes a multicore processor template based on the Transport Triggered Architecture, compiler techniques involved in static parallelization of computation kernels with barriers and a datapath integrated hardware accelerator for low overhead software synchronization implementation. These contributions enable scaling the customized processors both at the instruction and task levels to efficiently exploit the parallelism in the input program up to the implementation constraints such as the memory bandwidth or the chip area. The different contributions are validated with case studies, comparisons and design examples

The Customizable Virtual FPGA: Generation, System Integration and Configuration of Application-Specific Heterogeneous FPGA Architectures

In den vergangenen drei Jahrzehnten wurde die Entwicklung von Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) stark von Moore’s Gesetz, Prozesstechnologie (Skalierung) und kommerziellen Märkten beeinflusst. State-of-the-Art FPGAs bewegen sich einerseits dem Allzweck näher, aber andererseits, da FPGAs immer mehr traditionelle Domänen der Anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (ASICs) ersetzt haben, steigen die Effizienzerwartungen. Mit dem Ende der Dennard-Skalierung können Effizienzsteigerungen nicht mehr auf Technologie-Skalierung allein zurückgreifen. Diese Facetten und Trends in Richtung rekonfigurierbarer System-on-Chips (SoCs) und neuen Low-Power-Anwendungen wie Cyber Physical Systems und Internet of Things erfordern eine bessere Anpassung der Ziel-FPGAs. Neben den Trends für den Mainstream-Einsatz von FPGAs in Produkten des täglichen Bedarfs und Services wird es vor allem bei den jüngsten Entwicklungen, FPGAs in Rechenzentren und Cloud-Services einzusetzen, notwendig sein, eine sofortige Portabilität von Applikationen über aktuelle und zukünftige FPGA-Geräte hinweg zu gewährleisten. In diesem Zusammenhang kann die Hardware-Virtualisierung ein nahtloses Mittel für Plattformunabhängigkeit und Portabilität sein. Ehrlich gesagt stehen die Zwecke der Anpassung und der Virtualisierung eigentlich in einem Konfliktfeld, da die Anpassung für die Effizienzsteigerung vorgesehen ist, während jedoch die Virtualisierung zusätzlichen Flächenaufwand hinzufügt. Die Virtualisierung profitiert aber nicht nur von der Anpassung, sondern fügt auch mehr Flexibilität hinzu, da die Architektur jederzeit verändert werden kann. Diese Besonderheit kann für adaptive Systeme ausgenutzt werden. Sowohl die Anpassung als auch die Virtualisierung von FPGA-Architekturen wurden in der Industrie bisher kaum adressiert. Trotz einiger existierenden akademischen Werke können diese Techniken noch als unerforscht betrachtet werden und sind aufstrebende Forschungsgebiete. Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Generierung von FPGA-Architekturen, die auf eine effiziente Anpassung an die Applikation zugeschnitten sind. Im Gegensatz zum üblichen Ansatz mit kommerziellen FPGAs, bei denen die FPGA-Architektur als gegeben betrachtet wird und die Applikation auf die vorhandenen Ressourcen abgebildet wird, folgt diese Arbeit einem neuen Paradigma, in dem die Applikation oder Applikationsklasse fest steht und die Zielarchitektur auf die effiziente Anpassung an die Applikation zugeschnitten ist. Dies resultiert in angepassten anwendungsspezifischen FPGAs. Die drei Säulen dieser Arbeit sind die Aspekte der Virtualisierung, der Anpassung und des Frameworks. Das zentrale Element ist eine weitgehend parametrierbare virtuelle FPGA-Architektur, die V-FPGA genannt wird, wobei sie als primäres Ziel auf jeden kommerziellen FPGA abgebildet werden kann, während Anwendungen auf der virtuellen Schicht ausgeführt werden. Dies sorgt für Portabilität und Migration auch auf Bitstream-Ebene, da die Spezifikation der virtuellen Schicht bestehen bleibt, während die physische Plattform ausgetauscht werden kann. Darüber hinaus wird diese Technik genutzt, um eine dynamische und partielle Rekonfiguration auf Plattformen zu ermöglichen, die sie nicht nativ unterstützen. Neben der Virtualisierung soll die V-FPGA-Architektur auch als eingebettetes FPGA in ein ASIC integriert werden, das effiziente und dennoch flexible System-on-Chip-Lösungen bietet. Daher werden Zieltechnologie-Abbildungs-Methoden sowohl für Virtualisierung als auch für die physikalische Umsetzung adressiert und ein Beispiel für die physikalische Umsetzung in einem 45 nm Standardzellen Ansatz aufgezeigt. Die hochflexible V-FPGA-Architektur kann mit mehr als 20 Parametern angepasst werden, darunter LUT-Grösse, Clustering, 3D-Stacking, Routing-Struktur und vieles mehr. Die Auswirkungen der Parameter auf Fläche und Leistung der Architektur werden untersucht und eine umfangreiche Analyse von über 1400 Benchmarkläufen zeigt eine hohe Parameterempfindlichkeit bei Abweichungen bis zu ±95, 9% in der Fläche und ±78, 1% in der Leistung, was die hohe Bedeutung von Anpassung für Effizienz aufzeigt. Um die Parameter systematisch an die Bedürfnisse der Applikation anzupassen, wird eine parametrische Entwurfsraum-Explorationsmethode auf der Basis geeigneter Flächen- und Zeitmodellen vorgeschlagen. Eine Herausforderung von angepassten Architekturen ist der Entwurfsaufwand und die Notwendigkeit für angepasste Werkzeuge. Daher umfasst diese Arbeit ein Framework für die Architekturgenerierung, die Entwurfsraumexploration, die Anwendungsabbildung und die Evaluation. Vor allem ist der V-FPGA in einem vollständig synthetisierbaren generischen Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language (VHDL) Code konzipiert, der sehr flexibel ist und die Notwendigkeit für externe Codegeneratoren eliminiert. Systementwickler können von verschiedenen Arten von generischen SoC-Architekturvorlagen profitieren, um die Entwicklungszeit zu reduzieren. Alle notwendigen Konstruktionsschritte für die Applikationsentwicklung und -abbildung auf den V-FPGA werden durch einen Tool-Flow für Entwurfsautomatisierung unterstützt, der eine Sammlung von vorhandenen kommerziellen und akademischen Werkzeugen ausnutzt, die durch geeignete Modelle angepasst und durch ein neues Werkzeug namens V-FPGA-Explorer ergänzt werden. Dieses neue Tool fungiert nicht nur als Back-End-Tool für die Anwendungsabbildung auf dem V-FPGA sondern ist auch ein grafischer Konfigurations- und Layout-Editor, ein Bitstream-Generator, ein Architekturdatei-Generator für die Place & Route Tools, ein Script-Generator und ein Testbenchgenerator. Eine Besonderheit ist die Unterstützung der Just-in-Time-Kompilierung mit schnellen Algorithmen für die In-System Anwendungsabbildung. Die Arbeit schliesst mit einigen Anwendungsfällen aus den Bereichen industrielle Prozessautomatisierung, medizinische Bildgebung, adaptive Systeme und Lehre ab, in denen der V-FPGA eingesetzt wird

Review of open neuromorphic architectures and a first integration in the RISC-V PULP platform

Although initially conceived as a tool to empower neuroscientific research by emulating and simulating the human brain, Spiking Neural Networks (SNNs), also known as third generation neural networks, are gaining popularity for their low-power and sparse data processing capabilities. These attributes are valuable for power-constrained edge and Internet of Things (IoT) applications. Several open-source FPGA and ASIC neuromorphic processors have been developed to explore thisfield, although they often require additional computing elements to manage data and communications. In this work, we review recent open-source neuromorphic architectures and the PULP ecosystem. We then present an integration of the ReckOn digitalneuromorphic processor with the PULPissimo RISC-V single core microcontroller to enable edge IoT applications. Our integrated design is validated through QuestaSim hardware simulation. Through this integration of low-power neuromorphic and RISC-V processors, we focus on the promising potential of SNNs for optimizing edge IoT systems constrained by power budgets and data sparsity

Accelerating Pattern Recognition Algorithms On Parallel Computing Architectures

The move to more parallel computing architectures places more responsibility on the programmer to achieve greater performance. The programmer must now have a greater understanding of the underlying architecture and the inherent algorithmic parallelism. Using parallel computing architectures for exploiting algorithmic parallelism can be a complex task. This dissertation demonstrates various techniques for using parallel computing architectures to exploit algorithmic parallelism. Specifically, three pattern recognition (PR) approaches are examined for acceleration across multiple parallel computing architectures, namely field programmable gate arrays (FPGAs) and general purpose graphical processing units (GPGPUs). Phase-only filter correlation for fingerprint identification was studied as the first PR approach. This approach\u27s sensitivity to angular rotations, scaling, and missing data was surveyed. Additionally, a novel FPGA implementation of this algorithm was created using fixed point computations, deep pipelining, and four computation phases. Communication and computation were overlapped to efficiently process large fingerprint galleries. The FPGA implementation showed approximately a 47 times speedup over a central processing unit (CPU) implementation with negligible impact on precision. For the second PR approach, a spiking neural network (SNN) algorithm for a character recognition application was examined. A novel FPGA implementation of the approach was developed incorporating a scalable modular SNN processing element (PE) to efficiently perform neural computations. The modular SNN PE incorporated streaming memory, fixed point computation, and deep pipelining. This design showed speedups of approximately 3.3 and 8.5 times over CPU implementations for 624 and 9,264 sized neural networks, respectively. Results indicate that the PE design could scale to process larger sized networks easily. Finally for the third PR approach, cellular simultaneous recurrent networks (CSRNs) were investigated for GPGPU acceleration. Particularly, the applications of maze traversal and face recognition were studied. Novel GPGPU implementations were developed employing varying quantities of task-level, data-level, and instruction-level parallelism to achieve efficient runtime performance. Furthermore, the performance of the face recognition application was examined across a heterogeneous cluster of multi-core and GPGPU architectures. A combination of multi-core processors and GPGPUs achieved roughly a 996 times speedup over a single-core CPU implementation. From examining these PR approaches for acceleration, this dissertation presents useful techniques and insight applicable to other algorithms to improve performance when designing a parallel implementation