Mapping DSP algorithms to a reconfigurable architecture Adaptive Wireless Networking (AWGN)

This report will discuss the Adaptive Wireless Networking project. The vision of the Adaptive Wireless Networking project will be given. The strategy of the project will be the implementation of multiple communication systems in dynamically reconfigurable heterogeneous hardware. An overview of a wireless LAN communication system, namely HiperLAN/2, and a Bluetooth communication system will be given. Possible implementations of these systems in a dynamically reconfigurable architecture are discussed. Suggestions for future activities in the Adaptive Wireless Networking project are also given

State of the art baseband DSP platforms for Software Defined Radio: A survey

Software Defined Radio (SDR) is an innovative approach which is becoming a more and more promising technology for future mobile handsets. Several proposals in the field of embedded systems have been introduced by different universities and industries to support SDR applications. This article presents an overview of current platforms and analyzes the related architectural choices, the current issues in SDR, as well as potential future trends.Peer reviewe

A Micro Power Hardware Fabric for Embedded Computing

Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) mitigate many of the problemsencountered with the development of ASICs by offering flexibility, faster time-to-market, and amortized NRE costs, among other benefits. While FPGAs are increasingly being used for complex computational applications such as signal and image processing, networking, and cryptology, they are far from ideal for these tasks due to relatively high power consumption and silicon usage overheads compared to direct ASIC implementation. A reconfigurable device that exhibits ASIC-like power characteristics and FPGA-like costs and tool support is desirable to fill this void. In this research, a parameterized, reconfigurable fabric model named as domain specific fabric (DSF) is developed that exhibits ASIC-like power characteristics for Digital Signal Processing (DSP) style applications. Using this model, the impact of varying different design parameters on power and performance has been studied. Different optimization techniques like local search and simulated annealing are used to determine the appropriate interconnect for a specific set of applications. A design space exploration tool has been developed to automate and generate a tailored architectural instance of the fabric.The fabric has been synthesized on 160 nm cell-based ASIC fabrication process from OKI and 130 nm from IBM. A detailed power-performance analysis has been completed using signal and image processing benchmarks from the MediaBench benchmark suite and elsewhere with comparisons to other hardware and software implementations. The optimized fabric implemented using the 130 nm process yields energy within 3X of a direct ASIC implementation, 330X better than a Virtex-II Pro FPGA and 2016X better than an Intel XScale processor

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

Compiler and Architecture Design for Coarse-Grained Programmable Accelerators

abstract: The holy grail of computer hardware across all market segments has been to sustain performance improvement at the same pace as silicon technology scales. As the technology scales and the size of transistors shrinks, the power consumption and energy usage per transistor decrease. On the other hand, the transistor density increases significantly by technology scaling. Due to technology factors, the reduction in power consumption per transistor is not sufficient to offset the increase in power consumption per unit area. Therefore, to improve performance, increasing energy-efficiency must be addressed at all design levels from circuit level to application and algorithm levels. At architectural level, one promising approach is to populate the system with hardware accelerators each optimized for a specific task. One drawback of hardware accelerators is that they are not programmable. Therefore, their utilization can be low as they perform one specific function. Using software programmable accelerators is an alternative approach to achieve high energy-efficiency and programmability. Due to intrinsic characteristics of software accelerators, they can exploit both instruction level parallelism and data level parallelism. Coarse-Grained Reconfigurable Architecture (CGRA) is a software programmable accelerator consists of a number of word-level functional units. Motivated by promising characteristics of software programmable accelerators, the potentials of CGRAs in future computing platforms is studied and an end-to-end CGRA research framework is developed. This framework consists of three different aspects: CGRA architectural design, integration in a computing system, and CGRA compiler. First, the design and implementation of a CGRA and its instruction set is presented. This design is then modeled in a cycle accurate system simulator. The simulation platform enables us to investigate several problems associated with a CGRA when it is deployed as an accelerator in a computing system. Next, the problem of mapping a compute intensive region of a program to CGRAs is formulated. From this formulation, several efficient algorithms are developed which effectively utilize CGRA scarce resources very well to minimize the running time of input applications. Finally, these mapping algorithms are integrated in a compiler framework to construct a compiler for CGRADissertation/ThesisDoctoral Dissertation Computer Science 201

Neuraghe: Exploiting CPU-FPGA synergies for efficient and flexible CNN inference acceleration on zynQ SoCs

Deep convolutional neural networks (CNNs) obtain outstanding results in tasks that require human-level understanding of data, like image or speech recognition. However, their computational load is significant, motivating the development of CNN-specialized accelerators. This work presents NEURAghe, a flexible and efficient hardware/software solution for the acceleration of CNNs on Zynq SoCs. NEURAghe leverages the synergistic usage of Zynq ARM cores and of a powerful and flexible Convolution-Specific Processor deployed on the reconfigurable logic. The Convolution-Specific Processor embeds both a convolution engine and a programmable soft core, releasing the ARM processors from most of the supervision duties and allowing the accelerator to be controlled by software at an ultra-fine granularity. This methodology opens the way for cooperative heterogeneous computing: While the accelerator takes care of the bulk of the CNN workload, the ARM cores can seamlessly execute hard-to-accelerate parts of the computational graph, taking advantage of the NEON vector engines to further speed up computation. Through the companion NeuDNN SW stack, NEURAghe supports end-to-end CNN-based classification with a peak performance of 169GOps/s and an energy efficiency of 17GOps/W. Thanks to our heterogeneous computing model, our platform improves upon the state-of-the-art, achieving a frame rate of 5.5 frames per second (fps) on the end-to-end execution of VGG-16 and 6.6fps on ResNet-18

Memory hierarchy and data communication in heterogeneous reconfigurable SoCs

The miniaturization race in the hardware industry aiming at continuous increasing of transistor density on a die does not bring respective application performance improvements any more. One of the most promising alternatives is to exploit a heterogeneous nature of common applications in hardware. Supported by reconfigurable computation, which has already proved its efficiency in accelerating data intensive applications, this concept promises a breakthrough in contemporary technology development. Memory organization in such heterogeneous reconfigurable architectures becomes very critical. Two primary aspects introduce a sophisticated trade-off. On the one hand, a memory subsystem should provide well organized distributed data structure and guarantee the required data bandwidth. On the other hand, it should hide the heterogeneous hardware structure from the end-user, in order to support feasible high-level programmability of the system. This thesis work explores the heterogeneous reconfigurable hardware architectures and presents possible solutions to cope the problem of memory organization and data structure. By the example of the MORPHEUS heterogeneous platform, the discussion follows the complete design cycle, starting from decision making and justification, until hardware realization. Particular emphasis is made on the methods to support high system performance, meet application requirements, and provide a user-friendly programmer interface. As a result, the research introduces a complete heterogeneous platform enhanced with a hierarchical memory organization, which copes with its task by means of separating computation from communication, providing reconfigurable engines with computation and configuration data, and unification of heterogeneous computational devices using local storage buffers. It is distinguished from the related solutions by distributed data-flow organization, specifically engineered mechanisms to operate with data on local domains, particular communication infrastructure based on Network-on-Chip, and thorough methods to prevent computation and communication stalls. In addition, a novel advanced technique to accelerate memory access was developed and implemented