Hybrid FPGA: Architecture and Interface

Hybrid FPGAs (Field Programmable Gate Arrays) are composed of general-purpose logic resources with different granularities, together with domain-specific coarse-grained units. This thesis proposes a novel hybrid FPGA architecture with embedded coarse-grained Floating Point Units (FPUs) to improve the floating point capability of FPGAs. Based on the proposed hybrid FPGA architecture, we examine three aspects to optimise the speed and area for domain-specific applications. First, we examine the interface between large coarse-grained embedded blocks (EBs) and fine-grained elements in hybrid FPGAs. The interface includes parameters for varying: (1) aspect ratio of EBs, (2) position of the EBs in the FPGA, (3) I/O pins arrangement of EBs, (4) interconnect flexibility of EBs, and (5) location of additional embedded elements such as memory. Second, we examine the interconnect structure for hybrid FPGAs. We investigate how large and highdensity EBs affect the routing demand for hybrid FPGAs over a set of domain-specific applications. We then propose three routing optimisation methods to meet the additional routing demand introduced by large EBs: (1) identifying the best separation distance between EBs, (2) adding routing switches on EBs to increase routing flexibility, and (3) introducing wider channel width near the edge of EBs. We study and compare the trade-offs in delay, area and routability of these three optimisation methods. Finally, we employ common subgraph extraction to determine the number of floating point adders/subtractors, multipliers and wordblocks in the FPUs. The wordblocks include registers and can implement fixed point operations. We study the area, speed and utilisation trade-offs of the selected FPU subgraphs in a set of floating point benchmark circuits. We develop an optimised coarse-grained FPU, taking into account both architectural and system-level issues. Furthermore, we investigate the trade-offs between granularities and performance by composing small FPUs into a large FPU. The results of this thesis would help design a domain-specific hybrid FPGA to meet user requirements, by optimising for speed, area or a combination of speed and area

Design and optimization of approximate multipliers and dividers for integer and floating-point arithmetic

The dawn of the twenty-first century has witnessed an explosion in the number of digital devices and data. While the emerging deep learning algorithms to extract information from this vast sea of data are becoming increasingly compute-intensive, traditional means of improving computing power are no longer yielding gains at the same rate due to the diminishing returns from traditional technology scaling. To minimize the increasing gap between computational demands and the available resources, the paradigm of approximate computing is emerging as one of the potential solutions. Specifically, the resource-efficient approximate arithmetic units promise overall system efficiency, since most of the compute-intensive applications are dominated by arithmetic operations. This thesis primarily presents design techniques for approximate hardware multipliers and dividers. The thesis presents the design of two approximate integer multipliers and an approximate integer divider. These are: an error-configurable minimally-biased approximate integer multiplier (MBM), an error-configurable reduced-error approximate log based multiplier (REALM), and error-configurable integer divider INZeD. The two multiplier designs and the divider designs are based on the coupling of novel mathematically formulated error-reduction mechanisms in the classical approximate log based multiplier and dividers, respectively. They exhibit very low error bias and offer Pareto-optimal error vs. resource-efficiency trade-offs when compared with the state-of-the-art approximate integer multipliers/dividers. Further, the thesis also presents design of approximate floating-point multipliers and dividers. These designs utilize the optimized versions of the proposed MBM and REALM multipliers for mantissa multiplications and the proposed INZeD divider for mantissa division, and offer better design trade-offs than traditional precision scaling. The existing approximate integer dividers as well as the proposed INZeD suffer from unreasonably high worst-case error. This thesis presents WEID, which is a novel light-weight method for reducing worst-case error in approximate dividers. Finally, the thesis presents a methodology for selection of approximate arithmetic units for a given application. The methodology is based on a novel selection algorithm and utilizes the subrange error characterization of approximate arithmetic units, which performs error characterization independently in different segments of the input range

Approximate Computing Survey, Part II: Application-Specific & Architectural Approximation Techniques and Applications

The challenging deployment of compute-intensive applications from domains such Artificial Intelligence (AI) and Digital Signal Processing (DSP), forces the community of computing systems to explore new design approaches. Approximate Computing appears as an emerging solution, allowing to tune the quality of results in the design of a system in order to improve the energy efficiency and/or performance. This radical paradigm shift has attracted interest from both academia and industry, resulting in significant research on approximation techniques and methodologies at different design layers (from system down to integrated circuits). Motivated by the wide appeal of Approximate Computing over the last 10 years, we conduct a two-part survey to cover key aspects (e.g., terminology and applications) and review the state-of-the art approximation techniques from all layers of the traditional computing stack. In Part II of our survey, we classify and present the technical details of application-specific and architectural approximation techniques, which both target the design of resource-efficient processors/accelerators & systems. Moreover, we present a detailed analysis of the application spectrum of Approximate Computing and discuss open challenges and future directions.Comment: Under Review at ACM Computing Survey

Optimisations arithmétiques et synthèse de haut niveau

High-level synthesis (HLS) tools offer increased productivity regarding FPGA programming.However, due to their relatively young nature, they still lack many arithmetic optimizations.This thesis proposes safe arithmetic optimizations that should always be applied.These optimizations are simple operator specializations, following the C semantic.Other require to a lift the semantic embedded in high-level input program languages, which are inherited from software programming, for an improved accuracy/cost/performance ratio.To demonstrate this claim, the sum-of-product of floating-point numbers is used as a case study. The sum is performed on a fixed-point format, which is tailored to the application, according to the context in which the operator is instantiated.In some cases, there is not enough information about the input data to tailor the fixed-point accumulator.The fall-back strategy used in this thesis is to generate an accumulator covering the entire floating-point range.This thesis explores different strategies for implementing such a large accumulator, including new ones.The use of a 2's complement representation instead of a sign+magnitude is demonstrated to save resources and to reduce the accumulation loop delay.Based on a tapered precision scheme and an exact accumulator, the posit number systems claims to be a candidate to replace the IEEE floating-point format.A throughout analysis of posit operators is performed, using the same level of hardware optimization as state-of-the-art floating-point operators.Their cost remains much higher that their floating-point counterparts in terms of resource usage and performance. Finally, this thesis presents a compatibility layer for HLS tools that allows one code to be deployed on multiple tools.This library implements a strongly typed custom size integer type along side a set of optimized custom operators.À cause de la nature relativement jeune des outils de synthèse de haut-niveau (HLS), de nombreuses optimisations arithmétiques n'y sont pas encore implémentées. Cette thèse propose des optimisations arithmétiques se servant du contexte spécifique dans lequel les opérateurs sont instanciés.Certaines optimisations sont de simples spécialisations d'opérateurs, respectant la sémantique du C.D'autres nécéssitent de s'éloigner de cette sémantique pour améliorer le compromis précision/coût/performance.Cette proposition est démontré sur des sommes de produits de nombres flottants.La somme est réalisée dans un format en virgule-fixe défini par son contexte.Quand trop peu d’informations sont disponibles pour définir ce format en virgule-fixe, une stratégie est de générer un accumulateur couvrant l'intégralité du format flottant.Cette thèse explore plusieurs implémentations d'un tel accumulateur.L'utilisation d'une représentation en complément à deux permet de réduire le chemin critique de la boucle d'accumulation, ainsi que la quantité de ressources utilisées. Un format alternatif aux nombres flottants, appelé posit, propose d'utiliser un encodage à précision variable.De plus, ce format est augmenté par un accumulateur exact.Pour évaluer précisément le coût matériel de ce format, cette thèse présente des architectures d'opérateurs posits, implémentés avec le même degré d'optimisation que celui de l'état de l'art des opérateurs flottants.Une analyse détaillée montre que le coût des opérateurs posits est malgré tout bien plus élevé que celui de leurs équivalents flottants.Enfin, cette thèse présente une couche de compatibilité entre outils de HLS, permettant de viser plusieurs outils avec un seul code. Cette bibliothèque implémente un type d'entiers de taille variable, avec de plus une sémantique strictement typée, ainsi qu'un ensemble d'opérateurs ad-hoc optimisés

Designing Approximate Computing Circuits with Scalable and Systematic Data-Driven Techniques

Semiconductor feature size has been shrinking significantly in the past decades. This decreasing trend of feature size leads to faster processing speed as well as lower area and power consumption. Among these attributes, power consumption has emerged as the primary concern in the design of integrated circuits in recent years due to the rapid increasing demand of energy efficient Internet of Things (IoT) devices. As a result, low power design approaches for digital circuits have become of great attractive in the past few years. To this end, approximate computing in hardware design has emerged as a promising design technique. It provides design opportunities to improve timing and energy efficiency by relaxing computing quality. This technique is feasible because of the error-resiliency of many emerging resource-hungry computational applications such as multimedia processing and machine learning. Thus, it is reasonable to utilize this characteristic to trade an acceptable amount of computing quality for energy saving. In the literature, most prior works on approximate circuit design focus on using manual design strategies to redesign fundamental computational blocks such as adders and multipliers. However, the manual design techniques are not suitable for system level hardware due to much higher design complexity. In order to tackle this challenge, we focus on designing scalable, systematic and general design methodologies that are applicable on any circuits. In this paper, we present two novel approximate circuit design methods based on machine learning techniques. Both methods skip the complicated manual analysis steps and primarily look at the given input-error pattern to generate approximate circuits. Our first work presents a framework for designing compensation block, an essential component in many approximate circuits, based on feature selection. Our second work further extends and optimizes this framework and integrates data-driven consideration into the design. Several case studies on fixed-width multipliers and other approximate circuits are presented to demonstrate the effectiveness of the proposed design methods. The experimental results show that both of the proposed methods are able to automatically and efficiently design low-error approximate circuits

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

BRAMAC: Compute-in-BRAM Architectures for Multiply-Accumulate on FPGAs

Deep neural network (DNN) inference using reduced integer precision has been shown to achieve significant improvements in memory utilization and compute throughput with little or no accuracy loss compared to full-precision floating-point. Modern FPGA-based DNN inference relies heavily on the on-chip block RAM (BRAM) for model storage and the digital signal processing (DSP) unit for implementing the multiply-accumulate (MAC) operation, a fundamental DNN primitive. In this paper, we enhance the existing BRAM to also compute MAC by proposing BRAMAC (Compute-in-$\underline{\text{BR}}$AM $\underline{\text{A}}$rchitectures for $\underline{\text{M}}$ultiply-$\underline{\text{Ac}}$cumulate). BRAMAC supports 2's complement 2- to 8-bit MAC in a small dummy BRAM array using a hybrid bit-serial & bit-parallel data flow. Unlike previous compute-in-BRAM architectures, BRAMAC allows read/write access to the main BRAM array while computing in the dummy BRAM array, enabling both persistent and tiling-based DNN inference. We explore two BRAMAC variants: BRAMAC-2SA (with 2 synchronous dummy arrays) and BRAMAC-1DA (with 1 double-pumped dummy array). BRAMAC-2SA/BRAMAC-1DA can boost the peak MAC throughput of a large Arria-10 FPGA by 2.6$\times$/2.1$\times$, 2.3$\times$/2.0$\times$, and 1.9$\times$/1.7$\times$ for 2-bit, 4-bit, and 8-bit precisions, respectively at the cost of 6.8%/3.4% increase in the FPGA core area. By adding BRAMAC-2SA/BRAMAC-1DA to a state-of-the-art tiling-based DNN accelerator, an average speedup of 2.05$\times$/1.7$\times$ and 1.33$\times$/1.52$\times$ can be achieved for AlexNet and ResNet-34, respectively across different model precisions.Comment: 11 pages, 13 figures, 3 tables, FCCM conference 202