autoAx: An Automatic Design Space Exploration and Circuit Building Methodology utilizing Libraries of Approximate Components

Approximate computing is an emerging paradigm for developing highly energy-efficient computing systems such as various accelerators. In the literature, many libraries of elementary approximate circuits have already been proposed to simplify the design process of approximate accelerators. Because these libraries contain from tens to thousands of approximate implementations for a single arithmetic operation it is intractable to find an optimal combination of approximate circuits in the library even for an application consisting of a few operations. An open problem is "how to effectively combine circuits from these libraries to construct complex approximate accelerators". This paper proposes a novel methodology for searching, selecting and combining the most suitable approximate circuits from a set of available libraries to generate an approximate accelerator for a given application. To enable fast design space generation and exploration, the methodology utilizes machine learning techniques to create computational models estimating the overall quality of processing and hardware cost without performing full synthesis at the accelerator level. Using the methodology, we construct hundreds of approximate accelerators (for a Sobel edge detector) showing different but relevant tradeoffs between the quality of processing and hardware cost and identify a corresponding Pareto-frontier. Furthermore, when searching for approximate implementations of a generic Gaussian filter consisting of 17 arithmetic operations, the proposed approach allows us to identify approximately $10^3$ highly important implementations from $10^{23}$ possible solutions in a few hours, while the exhaustive search would take four months on a high-end processor.Comment: Accepted for publication at the Design Automation Conference 2019 (DAC'19), Las Vegas, Nevada, US

System-on-chip Computing and Interconnection Architectures for Telecommunications and Signal Processing

This dissertation proposes novel architectures and design techniques targeting SoC building blocks for telecommunications and signal processing applications. Hardware implementation of Low-Density Parity-Check decoders is approached at both the algorithmic and the architecture level. Low-Density Parity-Check codes are a promising coding scheme for future communication standards due to their outstanding error correction performance. This work proposes a methodology for analyzing effects of finite precision arithmetic on error correction performance and hardware complexity. The methodology is throughout employed for co-designing the decoder. First, a low-complexity check node based on the P-output decoding principle is designed and characterized on a CMOS standard-cells library. Results demonstrate implementation loss below 0.2 dB down to BER of 10^{-8} and a saving in complexity up to 59% with respect to other works in recent literature. High-throughput and low-latency issues are addressed with modified single-phase decoding schedules. A new "memory-aware" schedule is proposed requiring down to 20% of memory with respect to the traditional two-phase flooding decoding. Additionally, throughput is doubled and logic complexity reduced of 12%. These advantages are traded-off with error correction performance, thus making the solution attractive only for long codes, as those adopted in the DVB-S2 standard. The "layered decoding" principle is extended to those codes not specifically conceived for this technique. Proposed architectures exhibit complexity savings in the order of 40% for both area and power consumption figures, while implementation loss is smaller than 0.05 dB. Most modern communication standards employ Orthogonal Frequency Division Multiplexing as part of their physical layer. The core of OFDM is the Fast Fourier Transform and its inverse in charge of symbols (de)modulation. Requirements on throughput and energy efficiency call for FFT hardware implementation, while ubiquity of FFT suggests the design of parametric, re-configurable and re-usable IP hardware macrocells. In this context, this thesis describes an FFT/IFFT core compiler particularly suited for implementation of OFDM communication systems. The tool employs an accuracy-driven configuration engine which automatically profiles the internal arithmetic and generates a core with minimum operands bit-width and thus minimum circuit complexity. The engine performs a closed-loop optimization over three different internal arithmetic models (fixed-point, block floating-point and convergent block floating-point) using the numerical accuracy budget given by the user as a reference point. The flexibility and re-usability of the proposed macrocell are illustrated through several case studies which encompass all current state-of-the-art OFDM communications standards (WLAN, WMAN, xDSL, DVB-T/H, DAB and UWB). Implementations results are presented for two deep sub-micron standard-cells libraries (65 and 90 nm) and commercially available FPGA devices. Compared with other FFT core compilers, the proposed environment produces macrocells with lower circuit complexity and same system level performance (throughput, transform size and numerical accuracy). The final part of this dissertation focuses on the Network-on-Chip design paradigm whose goal is building scalable communication infrastructures connecting hundreds of core. A low-complexity link architecture for mesochronous on-chip communication is discussed. The link enables skew constraint looseness in the clock tree synthesis, frequency speed-up, power consumption reduction and faster back-end turnarounds. The proposed architecture reaches a maximum clock frequency of 1 GHz on 65 nm low-leakage CMOS standard-cells library. In a complex test case with a full-blown NoC infrastructure, the link overhead is only 3% of chip area and 0.5% of leakage power consumption. Finally, a new methodology, named metacoding, is proposed. Metacoding generates correct-by-construction technology independent RTL codebases for NoC building blocks. The RTL coding phase is abstracted and modeled with an Object Oriented framework, integrated within a commercial tool for IP packaging (Synopsys CoreTools suite). Compared with traditional coding styles based on pre-processor directives, metacoding produces 65% smaller codebases and reduces the configurations to verify up to three orders of magnitude

Workshop on Verification and Theorem Proving for Continuous Systems (NetCA Workshop 2005)

Oxford, UK, 26 August 200

Automated Circuit Approximation Method Driven by Data Distribution

We propose an application-tailored data-driven fully automated method for functional approximation of combinational circuits. We demonstrate how an application-level error metric such as the classification accuracy can be translated to a component-level error metric needed for an efficient and fast search in the space of approximate low-level components that are used in the application. This is possible by employing a weighted mean error distance (WMED) metric for steering the circuit approximation process which is conducted by means of genetic programming. WMED introduces a set of weights (calculated from the data distribution measured on a selected signal in a given application) determining the importance of each input vector for the approximation process. The method is evaluated using synthetic benchmarks and application-specific approximate MAC (multiply-and-accumulate) units that are designed to provide the best trade-offs between the classification accuracy and power consumption of two image classifiers based on neural networks.Comment: Accepted for publication at Design, Automation and Test in Europe (DATE 2019). Florence, Ital

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

Toolflows for Mapping Convolutional Neural Networks on FPGAs: A Survey and Future Directions

In the past decade, Convolutional Neural Networks (CNNs) have demonstrated state-of-the-art performance in various Artificial Intelligence tasks. To accelerate the experimentation and development of CNNs, several software frameworks have been released, primarily targeting power-hungry CPUs and GPUs. In this context, reconfigurable hardware in the form of FPGAs constitutes a potential alternative platform that can be integrated in the existing deep learning ecosystem to provide a tunable balance between performance, power consumption and programmability. In this paper, a survey of the existing CNN-to-FPGA toolflows is presented, comprising a comparative study of their key characteristics which include the supported applications, architectural choices, design space exploration methods and achieved performance. Moreover, major challenges and objectives introduced by the latest trends in CNN algorithmic research are identified and presented. Finally, a uniform evaluation methodology is proposed, aiming at the comprehensive, complete and in-depth evaluation of CNN-to-FPGA toolflows.Comment: Accepted for publication at the ACM Computing Surveys (CSUR) journal, 201

SWATI: Synthesizing Wordlengths Automatically Using Testing and Induction

In this paper, we present an automated technique SWATI: Synthesizing Wordlengths Automatically Using Testing and Induction, which uses a combination of Nelder-Mead optimization based testing, and induction from examples to automatically synthesize optimal fixedpoint implementation of numerical routines. The design of numerical software is commonly done using floating-point arithmetic in design-environments such as Matlab. However, these designs are often implemented using fixed-point arithmetic for speed and efficiency reasons especially in embedded systems. The fixed-point implementation reduces implementation cost, provides better performance, and reduces power consumption. The conversion from floating-point designs to fixed-point code is subject to two opposing constraints: (i) the word-width of fixed-point types must be minimized, and (ii) the outputs of the fixed-point program must be accurate. In this paper, we propose a new solution to this problem. Our technique takes the floating-point program, specified accuracy and an implementation cost model and provides the fixed-point program with specified accuracy and optimal implementation cost. We demonstrate the effectiveness of our approach on a set of examples from the domain of automated control, robotics and digital signal processing

Optimizing hardware function evaluation

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