KAPow: A System Identification Approach to Online Per-Module Power Estimation in FPGA Designs

In a modern FPGA system-on-chip design, it is often insufficient to simply assess the total power consumption of the entire circuit by design-time estimation or runtime power rail measurement. Instead, to make better runtime decisions, it is desirable to understand the power consumed by each individual module in the system. In this work, we combine boardlevel power measurements with register-level activity counting to build an online model that produces a breakdown of power consumption within the design. Online model refinement avoids the need for a time-consuming characterisation stage and also allows the model to track long-term changes to operating conditions. Our flow is named KAPow, a (loose) acronym for ‘K’ounting Activity for Power estimation, which we show to be accurate, with per-module power estimates as close to ±5mW of true measurements, and to have low overheads. We also demonstrate an application example in which a permodule power breakdown can be used to determine an efficient mapping of tasks to modules and reduce system-wide power consumption by over 8%

A Survey on Compiler Autotuning using Machine Learning

Since the mid-1990s, researchers have been trying to use machine-learning based approaches to solve a number of different compiler optimization problems. These techniques primarily enhance the quality of the obtained results and, more importantly, make it feasible to tackle two main compiler optimization problems: optimization selection (choosing which optimizations to apply) and phase-ordering (choosing the order of applying optimizations). The compiler optimization space continues to grow due to the advancement of applications, increasing number of compiler optimizations, and new target architectures. Generic optimization passes in compilers cannot fully leverage newly introduced optimizations and, therefore, cannot keep up with the pace of increasing options. This survey summarizes and classifies the recent advances in using machine learning for the compiler optimization field, particularly on the two major problems of (1) selecting the best optimizations and (2) the phase-ordering of optimizations. The survey highlights the approaches taken so far, the obtained results, the fine-grain classification among different approaches and finally, the influential papers of the field.Comment: version 5.0 (updated on September 2018)- Preprint Version For our Accepted Journal @ ACM CSUR 2018 (42 pages) - This survey will be updated quarterly here (Send me your new published papers to be added in the subsequent version) History: Received November 2016; Revised August 2017; Revised February 2018; Accepted March 2018

Performance Comparison of PSO and Its New Variants in the Context of VLSI Global Routing

Substantial reduction of gate delay occurred in recent times owing to radical decrement of transistor size. The interconnect length and delay are accordingly increased owing to the exponential escalation of packaging density with additional transistors being fabricated on the same chip area. The function of VLSI routing that seems to be more defying to the scholars, is categorized in global routing and detailed routing phase. In global routing phase, the prevalent method to lessen the wire length for reducing interconnect delay is to adjust the cost of the Steiner tree, devised by the terminal nodes to be interconnected. Nevertheless, Steiner tree problem is a NP-complete problem in classical graph theory where meta-heuristics might impart beneficial elucidations. Particle swarm optimization (PSO) is a robust algorithm concerning VLSI routing field. This chapter is regarding the proposal of a self-adaptive mechanism for monitoring acceleration coefficient of PSO and evaluating its functionalities with the existing acceleration coefficient controlled PSO in numerous allocation topologies of terminal nodes within definite VLSI layout. The outcomes of PSO variant with constriction factor in context to VLSI route reduction ability and robustness are also inspected. Additionally, a new effort in adapting the PSO with embracement of genetic algorithm is established

Energy-efficient acceleration of MPEG-4 compression tools

We propose novel hardware accelerator architectures for the most computationally demanding algorithms of the MPEG-4 video compression standard-motion estimation, binary motion estimation (for shape coding), and the forward/inverse discrete cosine transforms (incorporating shape adaptive modes). These accelerators have been designed using general low-energy design philosophies at the algorithmic/architectural abstraction levels. The themes of these philosophies are avoiding waste and trading area/performance for power and energy gains. Each core has been synthesised targeting TSMC 0.09 μm TCBN90LP technology, and the experimental results presented in this paper show that the proposed cores improve upon the prior art

Machine Learning for Resource-Constrained Computing Systems

Die verfügbaren Ressourcen in Informationsverarbeitungssystemen wie Prozessoren sind in der Regel eingeschränkt. Das umfasst z. B. die elektrische Leistungsaufnahme, den Energieverbrauch, die Wärmeabgabe oder die Chipfläche. Daher ist die Optimierung der Verwaltung der verfügbaren Ressourcen von größter Bedeutung, um Ziele wie maximale Performanz zu erreichen. Insbesondere die Ressourcenverwaltung auf der Systemebene hat über die (dynamische) Zuweisung von Anwendungen zu Prozessorkernen und über die Skalierung der Spannung und Frequenz (dynamic voltage and frequency scaling, DVFS) einen großen Einfluss auf die Performanz, die elektrische Leistung und die Temperatur während der Ausführung von Anwendungen. Die wichtigsten Herausforderungen bei der Ressourcenverwaltung sind die hohe Komplexität von Anwendungen und Plattformen, unvorhergesehene (zur Entwurfszeit nicht bekannte) Anwendungen oder Plattformkonfigurationen, proaktive Optimierung und die Minimierung des Laufzeit-Overheads. Bestehende Techniken, die auf einfachen Heuristiken oder analytischen Modellen basieren, gehen diese Herausforderungen nur unzureichend an. Aus diesem Grund ist der Hauptbeitrag dieser Dissertation der Einsatz maschinellen Lernens (ML) für Ressourcenverwaltung. ML-basierte Lösungen ermöglichen die Bewältigung dieser Herausforderungen durch die Vorhersage der Auswirkungen potenzieller Entscheidungen in der Ressourcenverwaltung, durch Schätzung verborgener (unbeobachtbarer) Eigenschaften von Anwendungen oder durch direktes Lernen einer Ressourcenverwaltungs-Strategie. Diese Dissertation entwickelt mehrere neuartige ML-basierte Ressourcenverwaltung-Techniken für verschiedene Plattformen, Ziele und Randbedingungen. Zunächst wird eine auf Vorhersagen basierende Technik zur Maximierung der Performanz von Mehrkernprozessoren mit verteiltem Last-Level Cache und limitierter Maximaltemperatur vorgestellt. Diese verwendet ein neuronales Netzwerk (NN) zur Vorhersage der Auswirkungen potenzieller Migrationen von Anwendungen zwischen Prozessorkernen auf die Performanz. Diese Vorhersagen erlauben die Bestimmung der bestmöglichen Migration und ermöglichen eine proaktive Verwaltung. Das NN ist so trainiert, dass es mit unbekannten Anwendungen und verschiedenen Temperaturlimits zurechtkommt. Zweitens wird ein Boosting-Verfahren zur Maximierung der Performanz homogener Mehrkernprozessoren mit limitierter Maximaltemperatur mithilfe von DVFS vorgestellt. Dieses basiert auf einer neuartigen {Boostability}-Metrik, die die Abhängigkeiten von Performanz, elektrischer Leistung und Temperatur auf Spannungs/Frequenz-Änderungen in einer Metrik vereint. % ignorerepeated Die Abhängigkeiten von Performanz und elektrischer Leistung hängen von der Anwendung ab und können zur Laufzeit nicht direkt beobachtet (gemessen) werden. Daher wird ein NN verwendet, um diese Werte für unbekannte Anwendungen zu schätzen und so die Komplexität der Boosting-Optimierung zu bewältigen. Drittens wird eine Technik zur Temperaturminimierung von heterogenen Mehrkernprozessoren mit Quality of Service-Zielen vorgestellt. Diese verwendet Imitationslernen, um eine Migrationsstrategie von Anwendungen aus optimalen Orakel-Demonstrationen zu lernen. Dafür wird ein NN eingesetzt, um die Komplexität der Plattform und des Anwendungsverhaltens zu bewältigen. Die Inferenz des NNs wird mit Hilfe eines vorhandenen generischen Beschleunigers, einer Neural Processing Unit (NPU), beschleunigt. Auch die ML Algorithmen selbst müssen auch mit begrenzten Ressourcen ausgeführt werden. Zuletzt wird eine Technik für ressourcenorientiertes Training auf verteilten Geräten vorgestellt, um einen konstanten Trainingsdurchsatz bei sich schnell ändernder Verfügbarkeit von Rechenressourcen aufrechtzuerhalten, wie es z.~B.~aufgrund von Konflikten bei gemeinsam genutzten Ressourcen der Fall ist. Diese Technik verwendet Structured Dropout, welches beim Training zufällige Teile des NNs auslässt. Dadurch können die erforderlichen Ressourcen für das Training dynamisch angepasst werden -- mit vernachlässigbarem Overhead, aber auf Kosten einer langsameren Trainingskonvergenz. Die Pareto-optimalen Dropout-Parameter pro Schicht des NNs werden durch eine Design Space Exploration bestimmt. Evaluierungen dieser Techniken werden sowohl in Simulationen als auch auf realer Hardware durchgeführt und zeigen signifikante Verbesserungen gegenüber dem Stand der Technik, bei vernachlässigbarem Laufzeit-Overhead. Zusammenfassend zeigt diese Dissertation, dass ML eine Schlüsseltechnologie zur Optimierung der Verwaltung der limitierten Ressourcen auf Systemebene ist, indem die damit verbundenen Herausforderungen angegangen werden