Design, Implementation and Evaluation of a Configurable NoC for AcENoCs FPGA Accelerated Emulation Platform

The heterogenous nature and the demand for extensive parallel processing in modern applications have resulted in widespread use of Multicore System-on-Chip (SoC) architectures. The emerging Network-on-Chip (NoC) architecture provides an energy-efficient and scalable communication solution for Multicore SoCs, serving as a powerful replacement for traditional bus-based solutions. The key to successful realization of such architectures is a flexible, fast and robust emulation platform for fast design space exploration. In this research, we present the design and evaluation of a highly configurable NoC used in AcENoCs (Accelerated Emulation platform for NoCs), a flexible and cycle accurate field programmable gate array (FPGA) emulation platform for validating NoC architectures. Along with the implementation details, we also discuss the various design optimizations and tradeoffs, and assess the performance improvements of AcENoCs over existing simulators and emulators. We design a hardware library consisting of routers and links using verilog hardware description language (HDL). The router is parameterized and has a configurable number of physical ports, virtual channels (VCs) and pipeline depth. A packet switched NoC is constructed by connecting the routers in either 2D-Mesh or 2D-Torus topology. The NoC is integrated in the AcENoCs platform and prototyped on Xilinx Virtex-5 FPGA. The NoC was evaluated under various synthetic and realistic workloads generated by AcENoCs' traffic generators implemented on the Xilinx MicroBlaze embedded processor. In order to validate the NoC design, performance metrics like average latency and throughput were measured and compared against the results obtained using standard network simulators. FPGA implementation of the NoC using Xilinx tools indicated a 76% LUT utilization for a 5x5 2D-Mesh network. A VC allocator was found to be the single largest consumer of hardware resources within a router. The router design synthesized at a frequency of 135MHz, 124MHz and 109MHz for 3-port, 4-port and 5-port configurations, respectively. The operational frequency of the router in the AcENoCs environment was limited only by the software execution latency even though the hardware itself could be clocked at a much higher rate. An AcENoCs emulator showed speedup improvements of 10000-12000X over HDL simulators and 5-15X over software simulators, without sacrificing cycle accuracy

Automated Hardware Prototyping for 3D Network on Chips

Vor mehr als 50 Jahren stellte Intel® Mitbegründer Gordon Moore eine Prognose zum Entwicklungsprozess der Transistortechnologie auf. Er prognostizierte, dass sich die Zahl der Transistoren in integrierten Schaltungen alle zwei Jahre verdoppeln wird. Seine Aussage ist immer noch gültig, aber ein Ende von Moores Gesetz ist in Sicht. Mit dem Ende von Moore’s Gesetz müssen neue Aspekte untersucht werden, um weiterhin die Leistung von integrierten Schaltungen zu steigern. Zwei mögliche Ansätze für "More than Moore” sind 3D-Integrationsverfahren und heterogene Systeme. Gleichzeitig entwickelt sich ein Trend hin zu Multi-Core Prozessoren, basierend auf Networks on chips (NoCs). Neben dem Ende des Mooreschen Gesetzes ergeben sich bei immer kleiner werdenden Technologiegrößen, vor allem jenseits der 60 nm, neue Herausforderungen. Eine Schwierigkeit ist die Wärmeableitung in großskalierten integrierten Schaltkreisen und die daraus resultierende Überhitzung des Chips. Um diesem Problem in modernen Multi-Core Architekturen zu begegnen, muss auch die Verlustleistung der Netzwerkressourcen stark reduziert werden. Diese Arbeit umfasst eine durch Hardware gesteuerte Kombination aus Frequenzskalierung und Power Gating für 3D On-Chip Netzwerke, einschließlich eines FPGA Prototypen. Dafür wurde ein Takt-synchrones 2D Netzwerk auf ein dreidimensionales asynchrones Netzwerk mit mehreren Frequenzbereichen erweitert. Zusätzlich wurde ein skalierbares Online-Power-Management System mit geringem Ressourcenaufwand entwickelt. Die Verifikation neuer Hardwarekomponenten ist einer der zeitaufwendigsten Schritte im Entwicklungsprozess hochintegrierter digitaler Schaltkreise. Um diese Aufgabe zu beschleunigen und um eine parallele Softwareentwicklung zu ermöglichen, wurde im Rahmen dieser Arbeit ein automatisiertes und benutzerfreundliches Tool für den Entwurf neuer Hardware Projekte entwickelt. Eine grafische Benutzeroberfläche zum Erstellen des gesamten Designablaufs, vom Erstellen der Architektur, Parameter Deklaration, Simulation, Synthese und Test ist Teil dieses Werkzeugs. Zudem stellt die Größe der Architektur für die Erstellung eines Prototypen eine besondere Herausforderung dar. Frühere Arbeiten haben es versäumt, eine schnelles und unkompliziertes Prototyping, insbesondere von Architekturen mit mehr als 50 Prozessorkernen, zu realisieren. Diese Arbeit umfasst eine Design Space Exploration und FPGA-basierte Prototypen von verschiedenen 3D-NoC Implementierungen mit mehr als 80 Prozessoren

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

Architectures multi-Asip pour turbo récepteur flexible

Rapidly evolving wireless standards use modern techniques such as turbo codes, Bit Interleaved coded Modulation (BICM), high order QAM constellation, Signal Space Diversity (SSD), Multi-Input Multi-Output (MIMO) Spatial Multiplexing (SM) and Space Time Codes (STC) with different parameters for reliable high rate data transmissions. Adoption of such techniques in the transmitter can impact the receiver architecture in three ways: (1) the complex processing related to advanced techniques such as turbo codes, encourage to perform iterative processing in the receiver to improve error rate performance (2) to satisfy high throughput requirement for an iterative receiver, parallel processing is mandatory and finally (3) to allow the support of different techniques and parameters imposed, programmable yet high throughput hardware processing elements are required. In this thesis, to address the high throughput requirement with turbo processing, first of all a study of parallelism on turbo decoding is extended for turbo demodulation and turbo equalization. Based on the results acquired from the parallelism study a flexible high throughput heterogeneous multi-ASIP NoC based unified turbo receiver is proposed. The proposed architecture fulfils the target requirements in a way that: (a) Application Specific Instruction-set Processor (ASIP) exploits metric generation level parallelism and implements the required flexibility, (b) throughputs beyond the capacity of single ASIP in a turbo process are achieved through multiple ASIP elements implementing sub-block parallelism and shuffled processing and finally (c) Network on Chip is used to handle communication conflicts during parallel processing of multiple ASIPs. In pursuit to achieve a hardware model of the proposed architecture two ASIPs are conceived where the first one, namely EquASIP, is dedicated for MMSE-IC equalization and provides a flexible solution for multiple MIMO techniques adopted in multiple wireless standards with a capability to work in turbo equalization context. The second ASIP, named as DemASIP, is a flexible demapper which can be used in MIMO or single antenna environment for any modulation till 256-QAM with or without iterative demodulation. Using available TurbASIP and NoC components, the thesis concludes on an FPGA prototype of heterogeneous multi-ASIP NoC based unified turbo receiver which integrates 9 instances of 3 different ASIPs with 2 NoCs.Les normes de communication sans fil, sans cesse en évolution, imposent l'utilisation de techniques modernes telles que les turbocodes, modulation codée à entrelacement bit (BICM), constellation MAQ d'ordre élevé, diversité de constellation (SSD), multiplexage spatial et codage espace-temps multi-antennes (MIMO) avec des paramètres différents pour des transmissions fiables et de haut débit. L'adoption de ces techniques dans l'émetteur peut influencer l'architecture du récepteur de trois façons: (1) les traitement complexes relatifs aux techniques avancées comme les turbocodes, encourage à effectuer un traitement itératif dans le récepteur pour améliorer la performance en termes de taux d'erreur (2) pour satisfaire l'exigence de haut débit avec un récepteur itératif, le recours au parallélisme est obligatoire et enfin (3) pour assurer le support des différentes techniques et paramètres imposées, des processeurs de traitement matériel flexibles, mais aussi de haute performance, sont nécessaires. Dans cette thèse, pour répondre aux besoins de haut débit dans un contexte de traitement itératif, tout d'abord une étude de parallélisme sur le turbo décodage a été étendue aux applications de turbo démodulation et turbo égalisation. Partant des résultats obtenus à partir de l'étude du parallélisme, un récepteur itératif unifié basé sur un modèle d'architecture multi-ASIP hétérogène intégrant un réseau sur puce (NoC) a été proposé. L'architecture proposée répond aux exigences visées d'une manière où: (a) le concept de processeur à jeu d'instruction dédié à l'application (ASIP) exploite le parallélisme du niveau de génération de métriques et met en oeuvre la flexibilité nécessaire, (b) les débits au-delà de la capacité d'un seul ASIP dans un processus itératif sont obtenus au moyen de multiples ASIP implémentant le parallélisme de sous-blocs et le traitement combiné et enfin (c) le concept de réseau sur puce (NoC) est utilisé pour gérer les conflits de communication au cours du traitement parallèle itératif multi-ASIP. Dans le but de parvenir à un modèle matériel de l'architecture proposée, deux ASIP ont été conçus où le premier, nommé EquASIP, est dédié à l'égalisation MMSE-IC et fournit une solution flexible pour de multiples techniques multi-antennes adoptés dans plusieurs normes sans fil avec la capacité de travailler dans un contexte de turbo égalisation. Le deuxième ASIP, nommé DemASIP, est un démappeur flexible qui peut être utilisé dans un environnement multi-antennes et pour tout type de modulation jusqu'à MAQ-256 avec ou sans démodulation itérative. En intégrant ces ASIP, en plus des NoC et TurbASIP disponibles à Télécom Bretagne, la thèse conclut sur un prototype FPGA d'un récepteur itératif unifié multi-ASIP qui intègre 9 coeurs de 3 différents types d'ASIP avec 2 NoC

Cycle-accurate multicore performance models on FPGAs

Thesis (Ph. D.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Electrical Engineering and Computer Science, 2011.Cataloged from PDF version of thesis.Includes bibliographical references (p. 159-165).The goal of this project is to improve computer architecture by accelerating cycle-accurate performance modeling of multicore processors using FPGAs. Contributions include a distributed technique controlling simulation on a highly-parallel substrate, hardware design techniques to reduce development effort, and a specific framework for modeling shared-memory multicore processors paired with realistic On-Chip Networks.by Michael Pellauer.Ph.D

System-Level Power Estimation Methodology for MPSoC based Platforms

Avec l'essor des nouvelles technologies d'intégration sur silicium submicroniques, la consommation de puissance dans les systèmes sur puce multiprocesseur (MPSoC) est devenue un facteur primordial au niveau du flot de conception. La prise en considération de ce facteur clé dès les premières phases de conception, joue un rôle primordial puisqu'elle permet d'augmenter la fiabilité des composants et de réduire le temps d'arrivée sur le marché du produit final.Shifting the design entry point up to the system-level is the most important countermeasure adopted to manage the increasing complexity of Multiprocessor System on Chip (MPSoC). The reason is that decisions taken at this level, early in the design cycle, have the greatest impact on the final design in terms of power and energy efficiency. However, taking decisions at this level is very difficult, since the design space is extremely wide and it has so far been mostly a manual activity. Efficient system-level power estimation tools are therefore necessary to enable proper Design Space Exploration (DSE) based on power/energy and timing.VALENCIENNES-Bib. électronique (596069901) / SudocSudocFranceF