Approximate and timing-speculative hardware design for high-performance and energy-efficient video processing

Since the end of transistor scaling in 2-D appeared on the horizon, innovative circuit design paradigms have been on the rise to go beyond the well-established and ultraconservative exact computing. Many compute-intensive applications – such as video processing – exhibit an intrinsic error resilience and do not necessarily require perfect accuracy in their numerical operations. Approximate computing (AxC) is emerging as a design alternative to improve the performance and energy-efficiency requirements for many applications by trading its intrinsic error tolerance with algorithm and circuit efficiency. Exact computing also imposes a worst-case timing to the conventional design of hardware accelerators to ensure reliability, leading to an efficiency loss. Conversely, the timing-speculative (TS) hardware design paradigm allows increasing the frequency or decreasing the voltage beyond the limits determined by static timing analysis (STA), thereby narrowing pessimistic safety margins that conventional design methods implement to prevent hardware timing errors. Timing errors should be evaluated by an accurate gate-level simulation, but a significant gap remains: How these timing errors propagate from the underlying hardware all the way up to the entire algorithm behavior, where they just may degrade the performance and quality of service of the application at stake? This thesis tackles this issue by developing and demonstrating a cross-layer framework capable of performing investigations of both AxC (i.e., from approximate arithmetic operators, approximate synthesis, gate-level pruning) and TS hardware design (i.e., from voltage over-scaling, frequency over-clocking, temperature rising, and device aging). The cross-layer framework can simulate both timing errors and logic errors at the gate-level by crossing them dynamically, linking the hardware result with the algorithm-level, and vice versa during the evolution of the application’s runtime. Existing frameworks perform investigations of AxC and TS techniques at circuit-level (i.e., at the output of the accelerator) agnostic to the ultimate impact at the application level (i.e., where the impact is truly manifested), leading to less optimization. Unlike state of the art, the framework proposed offers a holistic approach to assessing the tradeoff of AxC and TS techniques at the application-level. This framework maximizes energy efficiency and performance by identifying the maximum approximation levels at the application level to fulfill the required good enough quality. This thesis evaluates the framework with an 8-way SAD (Sum of Absolute Differences) hardware accelerator operating into an HEVC encoder as a case study. Application-level results showed that the SAD based on the approximate adders achieve savings of up to 45% of energy/operation with an increase of only 1.9% in BD-BR. On the other hand, VOS (Voltage Over-Scaling) applied to the SAD generates savings of up to 16.5% in energy/operation with around 6% of increase in BD-BR. The framework also reveals that the boost of about 6.96% (at 50°) to 17.41% (at 75° with 10- Y aging) in the maximum clock frequency achieved with TS hardware design is totally lost by the processing overhead from 8.06% to 46.96% when choosing an unreliable algorithm to the blocking match algorithm (BMA). We also show that the overhead can be avoided by adopting a reliable BMA. This thesis also shows approximate DTT (Discrete Tchebichef Transform) hardware proposals by exploring a transform matrix approximation, truncation and pruning. The results show that the approximate DTT hardware proposal increases the maximum frequency up to 64%, minimizes the circuit area in up to 43.6%, and saves up to 65.4% in power dissipation. The DTT proposal mapped for FPGA shows an increase of up to 58.9% on the maximum frequency and savings of about 28.7% and 32.2% on slices and dynamic power, respectively compared with stat

A Construction Kit for Efficient Low Power Neural Network Accelerator Designs

Implementing embedded neural network processing at the edge requires efficient hardware acceleration that couples high computational performance with low power consumption. Driven by the rapid evolution of network architectures and their algorithmic features, accelerator designs are constantly updated and improved. To evaluate and compare hardware design choices, designers can refer to a myriad of accelerator implementations in the literature. Surveys provide an overview of these works but are often limited to system-level and benchmark-specific performance metrics, making it difficult to quantitatively compare the individual effect of each utilized optimization technique. This complicates the evaluation of optimizations for new accelerator designs, slowing-down the research progress. This work provides a survey of neural network accelerator optimization approaches that have been used in recent works and reports their individual effects on edge processing performance. It presents the list of optimizations and their quantitative effects as a construction kit, allowing to assess the design choices for each building block separately. Reported optimizations range from up to 10'000x memory savings to 33x energy reductions, providing chip designers an overview of design choices for implementing efficient low power neural network accelerators

Automated Design of Approximate Accelerators

In den letzten zehn Jahren hat das Bedürfnis nach Recheneffizienz die Entwicklung neuer Geräte, Architekturen und Entwurfstechniken motiviert. Approximate Computing hat sich als modernes, energieeffizientes Entwurfsparadigma für Anwendungen herausgestellt, die eine inhärente Fehlertoleranz aufweisen. Wenn die Genauigkeit der Ergebnisse in aktuellen Anwendungen wie Bildverarbeitung, Computer Vision und maschinellem Lernen auf ein akzeptables Maß reduziert wird, können Einsparungen im Schaltungsbereich, bei der Schaltkreisverzögerung und beim Stromverbrauch erzielt werden. Mit dem Aufkommen dieses Approximate Computing Paradigmas wurden in der Literatur viele approximierte Funktionseinheiten angegeben, insbesondere approximierte Addierer und Multiplizierer. Für eine Vielzahl solcher approximierter Schaltkreise und unter Berücksichtigung ihrer Verwendung als Bausteine für den Entwurf von approximierten Beschleunigern für fehlertolerante Anwendungen, ergibt sich eine Herausforderung: die Auswahl dieser approximierten Schaltkreise für eine bestimmte Anwendung, die die erforderlichen Ressourcen minimieren und gleichzeitig eine definierte Genauigkeit erfüllen. Diese Dissertation schlägt automatisierte Methoden zum Entwerfen und Implementieren von approximierten Beschleunigern vor, die aus approximierten arithmetischen Schaltungen aufgebaut sind. Um dies zu erreichen, befasst sich diese Dissertation mit folgenden Herausforderungen und liefert die nachfolgenden neuartigen Beiträge: In der Literatur wurden viele approximierte Addierer und Multiplizierer vorgestellt, indem entweder approximierte Entwürfe aus genauen Implementierungen wie dem Ripple-Carry-Addierer vorgeschlagen oder durch Approximate Logic Synthesis (ALS) Methoden generiert wurden. Ein repräsentativer Satz dieser approximierten Komponenten ist erforderlich, um approximierte Beschleuniger zu bauen. In diesem Sinne präsentiert diese Dissertation zwei Ansätze, um solche approximierte arithmetische Schaltungen zu erstellen. Zunächst wird AUGER vorgestellt, ein Tool, mit dem Register-Transfer Level (RTL) Beschreibungen für einen breiten Satz von approximierten Addierern und Multiplizierer für unterschiedliche Datenbitbreiten- und Genauigkeitskonfigurationen generiert werden können. Mit AUGER kann eine Design Space Exploration (DSE) von approximierten Komponenten durchgeführt werden, um diejenigen zu finden, die für eine gegebene Bitbreite, einen gegebenen Approximationsbereich und eine gegebene Schaltungsmetrik Pareto-optimal sind. Anschließend wird AxLS vorgestellt, ein Framework für ALS, das die Implementierung modernster Methoden und den Vorschlag neuartiger Methoden ermöglicht, um strukturelle Netzlistentransformationen durchzuführen und approximierte arithmetische Schaltungen aus genauen Schaltungen zu generieren. Darüber hinaus bieten beide Werkzeuge eine Fehlercharakterisierung in Form einer Fehlerverteilung und Schaltungseigenschaften (Fläche, Schaltkreisverzögerung und Leistung) für jede von ihnen erzeugte approximierte Schaltung. Diese Informationen sind für das Untersuchungsziel dieser Dissertation von wesentlicher Bedeutung. Trotz der Fehlertoleranz müssen approximierte Beschleuniger so ausgelegt sein, dass sie Genauigkeitsvorgaben erfüllen. Für den Entwurf solcher Beschleuniger unter Verwendung von approximierten arithmetischen Schaltungen ist es daher unerlässlich zu bewerten, wie sich die durch approximierte Schaltungen verursachten Fehler durch andere Berechnungen ausbreiten, entweder genau oder ungenau, und sich schließlich am Ausgang ansammeln. Diese Dissertation schlägt analytische Modelle vor, um die Fehlerpropagation durch genaue und approximierte Berechnungen zu beschreiben. Mit ihnen wird eine automatisierte, compilerbasierte Methodik vorgeschlagen, um die Fehlerpropagation auf approximierten Beschleunigerdesigns abzuschätzen. Diese Methode ist in ein Tool, CEDA, integriert, um schnelle, simulationsfreie Genauigkeitsschätzungen von approximierten Beschleunigermodellen durchzuführen, die unter Verwendung von C-Code beschrieben wurden. Beim Entwurf von approximierten Beschleunigern benötigen sich wiederholende Simulationen auf Gate-Level und die Schaltungssynthese viel Zeit, um viele oder sogar alle möglichen Kombinationen für einen gegebenen Satz von approximierten arithmetischen Schaltungen zu untersuchen. Andererseits basieren aktuelle Trends beim Entwerfen von Beschleunigern auf High-Level Synthesis (HLS) Werkzeugen. In dieser Dissertation werden analytische Modelle zur Schätzung der erforderlichen Rechenressourcen vorgestellt, wenn approximierte Addierer und Multiplizierer in Konstruktionen von approximierten Beschleunigern verwendet werden. Darüber hinaus werden diese Modelle zusammen mit den vorgeschlagenen analytischen Modellen zur Genauigkeitsschätzung in eine DSE-Methodik für fehlertolerante Anwendungen, DSEwam, integriert, um Pareto-optimale oder nahezu Pareto-optimale Lösungen für approximierte Beschleuniger zu identifizieren. DSEwam ist in ein HLS-Tool integriert, um automatisch RTL-Beschreibungen von approximierten Beschleunigern aus C-Sprachbeschreibungen für eine bestimmte Fehlerschwelle und ein bestimmtes Minimierungsziel zu generieren. Die Verwendung von approximierten Beschleunigern muss sicherstellen, dass Fehler, die aufgrund von approximierten Berechnungen erzeugt werden, innerhalb eines definierten Maximalwerts für eine gegebene Genauigkeitsmetrik bleiben. Die Fehler, die durch approximierte Beschleuniger erzeugt werden, hängen jedoch von den Eingabedaten ab, die hinsichtlich der für das Design verwendeten Daten unterschiedlich sein können. In dieser Dissertation wird ECAx vorgestellt, eine automatisierte Methode zur Untersuchung und Anwendung feinkörniger Fehlerkorrekturen mit geringem Overhead in approximierten Beschleunigern, um die Kosten für die Fehlerkorrektur auf Softwareebene (wie es in der Literatur gemacht wird) zu senken. Dies erfolgt durch selektive Korrektur der signifikantesten Fehler (in Bezug auf ihre Größenordnung), die von approximierten Komponenten erzeugt werden, ohne die Vorteile der Approximationen zu verlieren. Die experimentelle Auswertung zeigt Beschleunigungsverbesserungen für die Anwendung im Austausch für einen leicht gestiegenen Flächen- und Leistungsverbrauch im approximierten Beschleunigerdesign

Bridging Python to Silicon: The SODA Toolchain

Systems performing scientific computing, data analysis, and machine learning tasks have a growing demand for application-specific accelerators that can provide high computational performance while meeting strict size and power requirements. However, the algorithms and applications that need to be accelerated are evolving at a rate that is incompatible with manual design processes based on hardware description languages. Agile hardware design tools based on compiler techniques can help by quickly producing an application specific integrated circuit (ASIC) accelerator starting from a high-level algorithmic description. We present the SODA Synthesizer, a modular and open-source hardware compiler that provides automated end-to-end synthesis from high-level software frameworks to ASIC implementation, relying on multi-level representations to progressively lower and optimize the input code. Our approach does not require the application developer to write register-transfer level code, and it is able to reach up to 364 GFLOPS/W efficiency (32-bit precision) on typical convolutional neural network operators

Computing with Spintronics: Circuits and architectures

This thesis makes the following contributions towards the design of computing platforms with spintronic devices. 1) It explores the use of spintronic memories in the design of a domain-specific processor for an emerging class of data-intensive applications, namely recognition, mining and synthesis (RMS). Two different spintronic memory technologies — Domain Wall Memory (DWM) and STT-MRAM — are utilized to realize the different levels in the memory hierarchy of the domain-specific processor, based on their respective access characteristics. Architectural tradeoffs created by the use of spintronic memories are analyzed. The proposed design achieves 1.5X-4X improvements in energy-delay product compared to a CMOS baseline. 2) It describes the first attempt to use DWM in the cache hierarchy of general-purpose processors. DWM promises unparalleled density by packing several bits of data into each bit-cell. TapeCache, the proposed DWM-based cache architecture, utilizes suitable circuit and architectural optimizations to address two key challenges (i) the high energy and latency requirement of write operations and (ii) the need for shift operations to access the data stored in each DWM bit-cell. At the circuit level, DWM bit-cells that are tailored to the distinct design requirements of different levels in the cache hierarchy are proposed. At the architecture level, TapeCache proposes suitable cache organization and management policies to alleviate the performance impact of shift operations required to access data stored in DWM bit-cells. TapeCache achieves more than 7X improvements in both cache area and energy with virtually identical performance compared to an SRAM-based cache hierarchy. 3) It investigates the design of the on-chip memory hierarchy of general-purpose graphics processing units (GPGPUs)—massively parallel processors that are optimized for data-intensive high-throughput workloads—using DWM. STAG, a high density, energy-efficient Spintronic- Tape Architecture for GPGPU cache hierarchies is described. STAG utilizes different DWM bit-cells to realize different memory arrays in the GPGPU cache hierarchy. To address the challenge of high access latencies due to shifts, STAG predicts upcoming cache accesses by leveraging unique characteristics of GPGPU architectures and workloads, and prefetches data that are both likely to be accessed and require large numbers of shift operations. STAG achieves 3.3X energy reduction and 12.1% performance improvement over CMOS SRAM under iso-area conditions. 4) While the potential of spintronic devices for memories is widely recognized, their utility in realizing logic is much less clear. The thesis presents Spintastic, a new paradigm that utilizes Stochastic Computing (SC) to realize spintronic logic. In SC, data is encoded in the form of pseudo-random bitstreams, such that the probability of a \u271\u27 in a bitstream corresponds to the numerical value that it represents. SC can enable compact, low-complexity logic implementations of various arithmetic functions. Spintastic establishes the synergy between stochastic computing and spin-based logic by demonstrating that they mutually alleviate each other\u27s limitations. On the one hand, various building blocks of SC, which incur significant overheads in CMOS implementations, can be efficiently realized by exploiting the physical characteristics of spin devices. On the other hand, the reduced logic complexity and low logic depth of SC circuits alleviates the shortcomings of spintronic logic. Based on this insight, the design of spin-based stochastic arithmetic circuits, bitstream generators, bitstream permuters and stochastic-to-binary converter circuits are presented. Spintastic achieves 7.1X energy reduction over CMOS implementations for a wide range of benchmarks from the image processing, signal processing, and RMS application domains. 5) In order to evaluate the proposed spintronic designs, the thesis describes various device-to-architecture modeling frameworks. Starting with devices models that are calibrated to measurements, the characteristics of spintronic devices are successively abstracted into circuit-level and architectural models, which are incorporated into suitable simulation frameworks. (Abstract shortened by UMI.