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

Physical parameter-aware Networks-on-Chip design

PhD ThesisNetworks-on-Chip (NoCs) have been proposed as a scalable, reliable and power-efficient communication fabric for chip multiprocessors (CMPs) and multiprocessor systems-on-chip (MPSoCs). NoCs determine both the performance and the reliability of such systems, with a significant power demand that is expected to increase due to developments in both technology and architecture. In terms of architecture, an important trend in many-core systems architecture is to increase the number of cores on a chip while reducing their individual complexity. This trend increases communication power relative to computation power. Moreover, technology-wise, power-hungry wires are dominating logic as power consumers as technology scales down. For these reasons, the design of future very large scale integration (VLSI) systems is moving from being computation-centric to communication-centric. On the other hand, chip’s physical parameters integrity, especially power and thermal integrity, is crucial for reliable VLSI systems. However, guaranteeing this integrity is becoming increasingly difficult with the higher scale of integration due to increased power density and operating frequencies that result in continuously increasing temperature and voltage drops in the chip. This is a challenge that may prevent further shrinking of devices. Thus, tackling the challenge of power and thermal integrity of future many-core systems at only one level of abstraction, the chip and package design for example, is no longer sufficient to ensure the integrity of physical parameters. New designtime and run-time strategies may need to work together at different levels of abstraction, such as package, application, network, to provide the required physical parameter integrity for these large systems. This necessitates strategies that work at the level of the on-chip network with its rising power budget. This thesis proposes models, techniques and architectures to improve power and thermal integrity of Network-on-Chip (NoC)-based many-core systems. The thesis is composed of two major parts: i) minimization and modelling of power supply variations to improve power integrity; and ii) dynamic thermal adaptation to improve thermal integrity. This thesis makes four major contributions. The first is a computational model of on-chip power supply variations in NoCs. The proposed model embeds a power delivery model, an NoC activity simulator and a power model. The model is verified with SPICE simulation and employed to analyse power supply variations in synthetic and real NoC workloads. Novel observations regarding power supply noise correlation with different traffic patterns and routing algorithms are found. The second is a new application mapping strategy aiming vii to minimize power supply noise in NoCs. This is achieved by defining a new metric, switching activity density, and employing a force-based objective function that results in minimizing switching density. Significant reductions in power supply noise (PSN) are achieved with a low energy penalty. This reduction in PSN also results in a better link timing accuracy. The third contribution is a new dynamic thermal-adaptive routing strategy to effectively diffuse heat from the NoC-based threedimensional (3D) CMPs, using a dynamic programming (DP)-based distributed control architecture. Moreover, a new approach for efficient extension of two-dimensional (2D) partially-adaptive routing algorithms to 3D is presented. This approach improves three-dimensional networkon- chip (3D NoC) routing adaptivity while ensuring deadlock-freeness. Finally, the proposed thermal-adaptive routing is implemented in field-programmable gate array (FPGA), and implementation challenges, for both thermal sensing and the dynamic control architecture are addressed. The proposed routing implementation is evaluated in terms of both functionality and performance. The methodologies and architectures proposed in this thesis open a new direction for improving the power and thermal integrity of future NoC-based 2D and 3D many-core architectures

Compiling and optimizing spreadsheets for FPGA and multicore execution

Thesis (M. Eng.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Electrical Engineering and Computer Science, 2007."September 2007."Includes bibliographical references (p. 102-104).A major barrier to developing systems on multicore and FPGA chips is an easy-to-use development environment. This thesis presents the RhoZeta spreadsheet compiler and Catalyst optimization system for programming multiprocessors and FPGAs. Any spreadsheet frontend may be extended to work with RhoZeta's multiple interpreters and behavioral abstraction mechanisms. RhoZeta synchronizes a variety of cell interpreters acting on a global memory space. RhoZeta can also compile a group of cells to multithreaded C or Verilog. The result is an easy-to-use interface for programming multicore microprocessors and FPGAs. A spreadsheet environment presents parallelism and locality issues of modem hardware directly to the user and allows for a simple global memory synchronization model. Catalyst is a spreadsheet graph rewriting system based on performing behaviorally invariant guarded atomic actions while a system is being interpreted by RhoZeta. A number of optimization macros were developed to perform speculation, resource sharing and propagation of static assignments through a circuit. Parallelization of a 64-bit serial leading-zero-counter is demonstrated with Catalyst. Fault tolerance macros were also developed in Catalyst to protect against dynamic faults and to offset costs associated with testing semiconductors for static defects. A model for partitioning, placing and profiling spreadsheet execution in a heterogeneous hardware environment is also discussed. The RhoZeta system has been used to design several multithreaded and FPGA applications including a RISC emulator and a MIDI controlled modular synthesizer.by Amir Hirsch.M.Eng

Collaborative autonomy in heterogeneous multi-robot systems

As autonomous mobile robots become increasingly connected and widely deployed in different domains, managing multiple robots and their interaction is key to the future of ubiquitous autonomous systems. Indeed, robots are not individual entities anymore. Instead, many robots today are deployed as part of larger fleets or in teams. The benefits of multirobot collaboration, specially in heterogeneous groups, are multiple. Significantly higher degrees of situational awareness and understanding of their environment can be achieved when robots with different operational capabilities are deployed together. Examples of this include the Perseverance rover and the Ingenuity helicopter that NASA has deployed in Mars, or the highly heterogeneous robot teams that explored caves and other complex environments during the last DARPA Sub-T competition. This thesis delves into the wide topic of collaborative autonomy in multi-robot systems, encompassing some of the key elements required for achieving robust collaboration: solving collaborative decision-making problems; securing their operation, management and interaction; providing means for autonomous coordination in space and accurate global or relative state estimation; and achieving collaborative situational awareness through distributed perception and cooperative planning. The thesis covers novel formation control algorithms, and new ways to achieve accurate absolute or relative localization within multi-robot systems. It also explores the potential of distributed ledger technologies as an underlying framework to achieve collaborative decision-making in distributed robotic systems. Throughout the thesis, I introduce novel approaches to utilizing cryptographic elements and blockchain technology for securing the operation of autonomous robots, showing that sensor data and mission instructions can be validated in an end-to-end manner. I then shift the focus to localization and coordination, studying ultra-wideband (UWB) radios and their potential. I show how UWB-based ranging and localization can enable aerial robots to operate in GNSS-denied environments, with a study of the constraints and limitations. I also study the potential of UWB-based relative localization between aerial and ground robots for more accurate positioning in areas where GNSS signals degrade. In terms of coordination, I introduce two new algorithms for formation control that require zero to minimal communication, if enough degree of awareness of neighbor robots is available. These algorithms are validated in simulation and real-world experiments. The thesis concludes with the integration of a new approach to cooperative path planning algorithms and UWB-based relative localization for dense scene reconstruction using lidar and vision sensors in ground and aerial robots