Teaching Hardware Design of Fixed-Point Digital Signal Processing Systems

Signal processing theory and practice are enabling and driving forces behind multimedia devices, communications systems, and even such diverse fields as automotive and medical systems. Over 90 % of the signal processing systems on the market used fixed-point arithmetic because of the cost, power, and area savings that fixed-point systems provide. However, most colleges and universities do not teach or teach only a very little fixed-point signal processing. This issue is being addressed slowly around the country but now a new challenge or opportunity presents itself. As reconfigurable logic technology matures, field-programmable gate arrays (FPGAs) are increasingly used for signal processing systems. They have the advantage of tremendous throughput, great flexibility, and system integration. The challenge is that signal processing in FPGAs is a much less constrained problem than signal processing in special purpose microprocessors. The opportunity arises in that it is now possible to explore more options and, more especially, to take a more systems-level approach to signal processing systems. In short, designing a signal processing system using FPGAs provides opportunities to look at many system design issues and trade-offs in a classroom setting. We have developed a course to teach signal processing in FPGAs at Georgia Institute of Technology and in this paper we consider the challenges and methods of teaching fixedpoint system design in this course. We discuss the topics chosen and how they differ from traditional microprocessor-based courses. We also discuss how systems engineering concepts are woven into the course.

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

Autonomous Recovery Of Reconfigurable Logic Devices Using Priority Escalation Of Slack

Field Programmable Gate Array (FPGA) devices offer a suitable platform for survivable hardware architectures in mission-critical systems. In this dissertation, active dynamic redundancy-based fault-handling techniques are proposed which exploit the dynamic partial reconfiguration capability of SRAM-based FPGAs. Self-adaptation is realized by employing reconfiguration in detection, diagnosis, and recovery phases. To extend these concepts to semiconductor aging and process variation in the deep submicron era, resilient adaptable processing systems are sought to maintain quality and throughput requirements despite the vulnerabilities of the underlying computational devices. A new approach to autonomous fault-handling which addresses these goals is developed using only a uniplex hardware arrangement. It operates by observing a health metric to achieve Fault Demotion using Recon- figurable Slack (FaDReS). Here an autonomous fault isolation scheme is employed which neither requires test vectors nor suspends the computational throughput, but instead observes the value of a health metric based on runtime input. The deterministic flow of the fault isolation scheme guarantees success in a bounded number of reconfigurations of the FPGA fabric. FaDReS is then extended to the Priority Using Resource Escalation (PURE) online redundancy scheme which considers fault-isolation latency and throughput trade-offs under a dynamic spare arrangement. While deep-submicron designs introduce new challenges, use of adaptive techniques are seen to provide several promising avenues for improving resilience. The scheme developed is demonstrated by hardware design of various signal processing circuits and their implementation on a Xilinx Virtex-4 FPGA device. These include a Discrete Cosine Transform (DCT) core, Motion Estimation (ME) engine, Finite Impulse Response (FIR) Filter, Support Vector Machine (SVM), and Advanced Encryption Standard (AES) blocks in addition to MCNC benchmark circuits. A iii significant reduction in power consumption is achieved ranging from 83% for low motion-activity scenes to 12.5% for high motion activity video scenes in a novel ME engine configuration. For a typical benchmark video sequence, PURE is shown to maintain a PSNR baseline near 32dB. The diagnosability, reconfiguration latency, and resource overhead of each approach is analyzed. Compared to previous alternatives, PURE maintains a PSNR within a difference of 4.02dB to 6.67dB from the fault-free baseline by escalating healthy resources to higher-priority signal processing functions. The results indicate the benefits of priority-aware resiliency over conventional redundancy approaches in terms of fault-recovery, power consumption, and resource-area requirements. Together, these provide a broad range of strategies to achieve autonomous recovery of reconfigurable logic devices under a variety of constraints, operating conditions, and optimization criteria

FPGA-based High-Performance Collision Detection: An Enabling Technique for Image-Guided Robotic Surgery

Collision detection, which refers to the computational problem of finding the relative placement or con-figuration of two or more objects, is an essential component of many applications in computer graphics and robotics. In image-guided robotic surgery, real-time collision detection is critical for preserving healthy anatomical structures during the surgical procedure. However, the computational complexity of the problem usually results in algorithms that operate at low speed. In this paper, we present a fast and accurate algorithm for collision detection between Oriented-Bounding-Boxes (OBBs) that is suitable for real-time implementation. Our proposed Sweep and Prune algorithm can perform a preliminary filtering to reduce the number of objects that need to be tested by the classical Separating Axis Test algorithm, while the OBB pairs of interest are preserved. These OBB pairs are re-checked by the Separating Axis Test algorithm to obtain accurate overlapping status between them. To accelerate the execution, our Sweep and Prune algorithm is tailor-made for the proposed method. Meanwhile, a high performance scalable hardware architecture is proposed by analyzing the intrinsic parallelism of our algorithm, and is implemented on FPGA platform. Results show that our hardware design on the FPGA platform can achieve around 8X higher running speed than the software design on a CPU platform. As a result, the proposed algorithm can achieve a collision frame rate of 1 KHz, and fulfill the requirement for the medical surgery scenario of Robot Assisted Laparoscopy.published_or_final_versio

Video Processing Acceleration using Reconfigurable Logic and Graphics Processors

A vexing question is `which architecture will prevail as the core feature of the next state of the art video processing system?' This thesis examines the substitutive and collaborative use of the two alternatives of the reconfigurable logic and graphics processor architectures. A structured approach to executing architecture comparison is presented - this includes a proposed `Three Axes of Algorithm Characterisation' scheme and a formulation of perfor- mance drivers. The approach is an appealing platform for clearly defining the problem, assumptions and results of a comparison. In this work it is used to resolve the advanta- geous factors of the graphics processor and reconfigurable logic for video processing, and the conditions determining which one is superior. The comparison results prompt the exploration of the customisable options for the graphics processor architecture. To clearly define the architectural design space, the graphics processor is first identifed as part of a wider scope of homogeneous multi-processing element (HoMPE) architectures. A novel exploration tool is described which is suited to the investigation of the customisable op- tions of HoMPE architectures. The tool adopts a systematic exploration approach and a high-level parameterisable system model, and is used to explore pre- and post-fabrication customisable options for the graphics processor. A positive result of the exploration is the proposal of a reconfigurable engine for data access (REDA) to optimise graphics processor performance for video processing-specific memory access patterns. REDA demonstrates the viability of the use of reconfigurable logic as collaborative `glue logic' in the graphics processor architecture

Real-Time Trigger and online Data Reduction based on Machine Learning Methods for Particle Detector Technology

Moderne Teilchenbeschleuniger-Experimente generieren während zur Laufzeit immense Datenmengen. Die gesamte erzeugte Datenmenge abzuspeichern, überschreitet hierbei schnell das verfügbare Budget für die Infrastruktur zur Datenauslese. Dieses Problem wird üblicherweise durch eine Kombination von Trigger- und Datenreduktionsmechanismen adressiert. Beide Mechanismen werden dabei so nahe wie möglich an den Detektoren platziert um die gewünschte Reduktion der ausgehenden Datenraten so frühzeitig wie möglich zu ermöglichen. In solchen Systeme traditionell genutzte Verfahren haben währenddessen ihre Mühe damit eine effiziente Reduktion in modernen Experimenten zu erzielen. Die Gründe dafür liegen zum Teil in den komplexen Verteilungen der auftretenden Untergrund Ereignissen. Diese Situation wird bei der Entwicklung der Detektorauslese durch die vorab unbekannten Eigenschaften des Beschleunigers und Detektors während des Betriebs unter hoher Luminosität verstärkt. Aus diesem Grund wird eine robuste und flexible algorithmische Alternative benötigt, welche von Verfahren aus dem maschinellen Lernen bereitgestellt werden kann. Da solche Trigger- und Datenreduktion-Systeme unter erschwerten Bedingungen wie engem Latenz-Budget, einer großen Anzahl zu nutzender Verbindungen zur Datenübertragung und allgemeinen Echtzeitanforderungen betrieben werden müssen, werden oft FPGAs als technologische Basis für die Umsetzung genutzt. Innerhalb dieser Arbeit wurden mehrere Ansätze auf Basis von FPGAs entwickelt und umgesetzt, welche die vorherrschenden Problemstellungen für das Belle II Experiment adressieren. Diese Ansätze werden über diese Arbeit hinweg vorgestellt und diskutiert werden