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

Novel approximate absolute difference hardware

Approximate hardware designs have higher performance, smaller area or lower power consumption than exact hardware designs at the expense of lower accuracy. Absolute difference (AD) operation is heavily used in many applications such as motion estimation (ME) for video compression, ME for frame rate conversion, stereo matching for depth estimation. Since most of the applications using AD operation are error tolerant by their nature, approximate hardware designs can be used in these applications. In this paper, novel approximate AD hardware designs are proposed. The proposed approximate AD hardware implementations have higher performance, smaller area and lower power consumption than exact AD hardware implementations at the expense of lower accuracy. They also have less error, smaller area and lower power consumption than the approximate AD hardware implementations which use approximate adders proposed in the literature

Practical Techniques for Improving Performance and Evaluating Security on Circuit Designs

As the modern semiconductor technology approaches to nanometer era, integrated circuits (ICs) are facing more and more challenges in meeting performance demand and security. With the expansion of markets in mobile and consumer electronics, the increasing demands require much faster delivery of reliable and secure IC products. In order to improve the performance and evaluate the security of emerging circuits, we present three practical techniques on approximate computing, split manufacturing and analog layout automation. Approximate computing is a promising approach for low-power IC design. Although a few accuracy-configurable adder (ACA) designs have been developed in the past, these designs tend to incur large area overheads as they rely on either redundant computing or complicated carry prediction. We investigate a simple ACA design that contains no redundancy or error detection/correction circuitry and uses very simple carry prediction. The simulation results show that our design dominates the latest previous work on accuracy-delay-power tradeoff while using 39% less area. One variant of this design provides finer-grained and larger tunability than that of the previous works. Moreover, we propose a delay-adaptive self-configuration technique to further improve the accuracy-delay-power tradeoff. Split manufacturing prevents attacks from an untrusted foundry. The untrusted foundry has front-end-of-line (FEOL) layout and the original circuit netlist and attempts to identify critical components on the layout for Trojan insertion. Although defense methods for this scenario have been developed, the corresponding attack technique is not well explored. Hence, the defense methods are mostly evaluated with the k-security metric without actual attacks. We develop a new attack technique based on structural pattern matching. Experimental comparison with existing attack shows that the new attack technique achieves about the same success rate with much faster speed for cases without the k-security defense, and has a much better success rate at the same runtime for cases with the k-security defense. The results offer an alternative and practical interpretation for k-security in split manufacturing. Analog layout automation is still far behind its digital counterpart. We develop the layout automation framework for analog/mixed-signal ICs. A hierarchical layout synthesis flow which works in bottom-up manner is presented. To ensure the qualified layouts for better circuit performance, we use the constraint-driven placement and routing methodology which employs the expert knowledge via design constraints. The constraint-driven placement uses simulated annealing process to find the optimal solution. The packing represented by sequence pairs and constraint graphs can simultaneously handle different kinds of placement constraints. The constraint-driven routing consists of two stages, integer linear programming (ILP) based global routing and sequential detailed routing. The experiment results demonstrate that our flow can handle complicated hierarchical designs with multiple design constraints. Furthermore, the placement performance can be further improved by using mixed-size block placement which works on large blocks in priority

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 Genetic-algorithm-based Approach to the Design of DCT Hardware Accelerators

As modern applications demand an unprecedented level of computational resources, traditional computing system design paradigms are no longer adequate to guarantee significant performance enhancement at an affordable cost. Approximate Computing (AxC) has been introduced as a potential candidate to achieve better computational performances by relaxing non-critical functional system specifications. In this article, we propose a systematic and high-abstraction-level approach allowing the automatic generation of near Pareto-optimal approximate configurations for a Discrete Cosine Transform (DCT) hardware accelerator. We obtain the approximate variants by using approximate operations, having configurable approximation degree, rather than full-precise ones. We use a genetic searching algorithm to find the appropriate tuning of the approximation degree, leading to optimal tradeoffs between accuracy and gains. Finally, to evaluate the actual HW gains, we synthesize non-dominated approximate DCT variants for two different target technologies, namely, Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) and Application Specific Integrated Circuits (ASICs). Experimental results show that the proposed approach allows performing a meaningful exploration of the design space to find the best tradeoffs in a reasonable time. Indeed, compared to the state-of-the-art work on approximate DCT, the proposed approach allows an 18% average energy improvement while providing at the same time image quality improvement

Application-Specific Number Representation

Reconfigurable devices, such as Field Programmable Gate Arrays (FPGAs), enable application- specific number representations. Well-known number formats include fixed-point, floating- point, logarithmic number system (LNS), and residue number system (RNS). Such different number representations lead to different arithmetic designs and error behaviours, thus produc- ing implementations with different performance, accuracy, and cost. To investigate the design options in number representations, the first part of this thesis presents a platform that enables automated exploration of the number representation design space. The second part of the thesis shows case studies that optimise the designs for area, latency or throughput from the perspective of number representations. Automated design space exploration in the first part addresses the following two major issues: ² Automation requires arithmetic unit generation. This thesis provides optimised arithmetic library generators for logarithmic and residue arithmetic units, which support a wide range of bit widths and achieve significant improvement over previous designs. ² Generation of arithmetic units requires specifying the bit widths for each variable. This thesis describes an automatic bit-width optimisation tool called R-Tool, which combines dynamic and static analysis methods, and supports different number systems (fixed-point, floating-point, and LNS numbers). Putting it all together, the second part explores the effects of application-specific number representation on practical benchmarks, such as radiative Monte Carlo simulation, and seismic imaging computations. Experimental results show that customising the number representations brings benefits to hardware implementations: by selecting a more appropriate number format, we can reduce the area cost by up to 73.5% and improve the throughput by 14.2% to 34.1%; by performing the bit-width optimisation, we can further reduce the area cost by 9.7% to 17.3%. On the performance side, hardware implementations with customised number formats achieve 5 to potentially over 40 times speedup over software implementations