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

Advances in Architectures and Tools for FPGAs and their Impact on the Design of Complex Systems for Particle Physics

The continual improvement of semiconductor technology has provided rapid advancements in device frequency and density. Designers of electronics systems for high-energy physics (HEP) have benefited from these advancements, transitioning many designs from fixed-function ASICs to more flexible FPGA-based platforms. Today’s FPGA devices provide a significantly higher amount of resources than those available during the initial Large Hadron Collider design phase. To take advantage of the capabilities of future FPGAs in the next generation of HEP experiments, designers must not only anticipate further improvements in FPGA hardware, but must also adopt design tools and methodologies that can scale along with that hardware. In this paper, we outline the major trends in FPGA hardware, describe the design challenges these trends will present to developers of HEP electronics, and discuss a range of techniques that can be adopted to overcome these challenges

An Enhanced Hardware Description Language Implementation for Improved Design-Space Exploration in High-Energy Physics Hardware Design

Detectors in High-Energy Physics (HEP) have increased tremendously in accuracy, speed and integration. Consequently HEP experiments are confronted with an immense amount of data to be read out, processed and stored. Originally low-level processing has been accomplished in hardware, while more elaborate algorithms have been executed on large computing farms. Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs) meet HEP's need for ever higher real-time processing performance by providing programmable yet fast digital logic resources. With the fast move from HEP Digital Signal Processing (DSPing) applications into the domain of FPGAs, related design tools are crucial to realise the potential performance gains. This work reviews Hardware Description Languages (HDLs) in respect to the special needs present in the HEP digital hardware design process. It is especially concerned with the question, how features outside the scope of mainstream digital hardware design can be implemented efficiently into HDLs. It will argue that functional languages are especially suitable for implementation of domain-specific languages, including HDLs. Casestudies examining the implementation complexity of HEP-specific language extensions to the functional HDCaml HDL will prove the viability of the suggested approach

Hardware/Software Co-Design via Specification Refinement

System-level design is an engineering discipline focused on producing methods, technologies, and tools that enable the specification, design, and implementation of complex, multi-discipline, and multi-domain systems. System-level specifications are as abstract as possible, defining required system behaviors while eliding implementation details. These implementation details must be added during the implementation process and the high effort associated with this locks system engineers onto the chosen implementation architecture. This work provides two contributions that ease the implementation process. The Rosetta synthesis capability generates hardware/software co-designed implementations from specifications that contain low level implementation details. The Rosetta refinement capability extends this by allowing a system's functional behavior and its implementation details to be described separately. The Rosetta Refinement Tool combines the functional behavior and the implementation details to form a system specification that can be synthesized using the Rosetta synthesis capability. The Rosetta refinement capability is exposed using existing Rosetta language constructs that have, previous to this work, never been exploited. Together these two capabilities allow the refinement of high level, architecture independent specifications into low level, architecture specific hardware/software co-designed implementations. The result is an effective platform for rapid prototyping of hardware/software co-designs and provides system engineers with the novel ability to explore different system architectures with low effort

Energy-aware synthesis for networks on chip architectures

The Network on Chip (NoC) paradigm was introduced as a scalable communication infrastructure for future System-on-Chip applications. Designing application specific customized communication architectures is critical for obtaining low power, high performance solutions. Two significant design automation problems are the creation of an optimized configuration, given application requirement the implementation of this on-chip network. Automating the design of on-chip networks requires models for estimating area and energy, algorithms to effectively explore the design space and network component libraries and tools to generate the hardware description. Chip architects are faced with managing a wide range of customization options for individual components, routers and topology. As energy is of paramount importance, the effectiveness of any custom NoC generation approach lies in the availability of good energy models to effectively explore the design space. This thesis describes a complete NoC synthesis flow, called NoCGEN, for creating energy-efficient custom NoC architectures. Three major automation problems are addressed: custom topology generation, energy modeling and generation. An iterative algorithm is proposed to generate application specific point-to-point and packet-switched networks. The algorithm explores the design space for efficient topologies using characterized models and a system-level floorplanner for evaluating placement and wire-energy. Prior to our contribution, building an energy model required careful analysis of transistor or gate implementations. To alleviate the burden, an automated linear regression-based methodology is proposed to rapidly extract energy models for many router designs. The resulting models are cycle accurate with low-complexity and found to be within 10% of gate-level energy simulations, and execute several orders of magnitude faster than gate-level simulations. A hardware description of the custom topology is generated using a parameterizable library and custom HDL generator. Fully reusable and scalable network components (switches, crossbars, arbiters, routing algorithms) are described using a template approach and are used to compose arbitrary topologies. A methodology for building and composing routers and topologies using a template engine is described. The entire flow is implemented as several demonstrable extensible tools with powerful visualization functionality. Several experiments are performed to demonstrate the design space exploration capabilities and compare it against a competing min-cut topology generation algorithm

DORY: Automatic End-to-End Deployment of Real-World DNNs on Low-Cost IoT MCUs

The deployment of Deep Neural Networks (DNNs) on end-nodes at the extreme edge of the Internet-of-Things is a critical enabler to support pervasive Deep Learning-enhanced applications. Low-Cost MCU-based end-nodes have limited on-chip memory and often replace caches with scratchpads, to reduce area overheads and increase energy efficiency -- requiring explicit DMA-based memory transfers between different levels of the memory hierarchy. Mapping modern DNNs on these systems requires aggressive topology-dependent tiling and double-buffering. In this work, we propose DORY (Deployment Oriented to memoRY) - an automatic tool to deploy DNNs on low cost MCUs with typically less than 1MB of on-chip SRAM memory. DORY abstracts tiling as a Constraint Programming (CP) problem: it maximizes L1 memory utilization under the topological constraints imposed by each DNN layer. Then, it generates ANSI C code to orchestrate off- and on-chip transfers and computation phases. Furthermore, to maximize speed, DORY augments the CP formulation with heuristics promoting performance-effective tile sizes. As a case study for DORY, we target GreenWaves Technologies GAP8, one of the most advanced parallel ultra-low power MCU-class devices on the market. On this device, DORY achieves up to 2.5x better MAC/cycle than the GreenWaves proprietary software solution and 18.1x better than the state-of-the-art result on an STM32-F746 MCU on single layers. Using our tool, GAP-8 can perform end-to-end inference of a 1.0-MobileNet-128 network consuming just 63 pJ/MAC on average @ 4.3 fps - 15.4x better than an STM32-F746. We release all our developments - the DORY framework, the optimized backend kernels, and the related heuristics - as open-source software.Comment: 14 pages, 12 figures, 4 tables, 2 listings. Accepted for publication in IEEE Transactions on Computers (https://ieeexplore.ieee.org/document/9381618