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

High Performance and Optimal Configuration of Accurate Heterogeneous Block-Based Approximate Adder

Approximate computing is an emerging paradigm to improve power and performance efficiency for error-resilient application. Recent approximate adders have significantly extended the design space of accuracy-power configurable approximate adders, and find optimal designs by exploring the design space. In this paper, a new energy-efficient heterogeneous block-based approximate adder (HBBA) is proposed; which is a generic/configurable model that can be transformed to a particular adder by defining some configurations. An HBBA, in general, is composed of heterogeneous sub-adders, where each sub-adder can have a different configuration. A set of configurations of all the sub-adders in an HBBA defines its configuration. The block-based adders are approximated through inexact logic configuration and truncated carry chains. HBBA increases design space providing additional design points that fall on the Pareto-front and offer better power-accuracy trade-off compared to other configurations. Furthermore, to avoid Mont-Carlo simulations, we propose an analytical modelling technique to evaluate the probability of error and Probability Mass Function (PMF) of error value. Moreover, the estimation method estimates delay, area and power of heterogeneous block-based approximate adders. Thus, based on the analytical model and estimation method, the optimal configuration under a given error constraint can be selected from the whole design space of the proposed adder model by exhaustive search. The simulation results show that our HBBA provides improved accuracy in terms of error metrics compared to some state-of-the-art approximate adders. HBBA with 32 bits length serves about 15% reduction in area and up to 17% reduction in energy compared to state-of-the-art approximate adders.Comment: Submitted to the IEEE-TCAD journal, 16 pages, 16 figure

A generative modeling approach for benchmarking and training shallow quantum circuits

Hybrid quantum-classical algorithms provide ways to use noisy intermediate-scale quantum computers for practical applications. Expanding the portfolio of such techniques, we propose a quantum circuit learning algorithm that can be used to assist the characterization of quantum devices and to train shallow circuits for generative tasks. The procedure leverages quantum hardware capabilities to its fullest extent by using native gates and their qubit connectivity. We demonstrate that our approach can learn an optimal preparation of the Greenberger-Horne-Zeilinger states, also known as "cat states". We further demonstrate that our approach can efficiently prepare approximate representations of coherent thermal states, wave functions that encode Boltzmann probabilities in their amplitudes. Finally, complementing proposals to characterize the power or usefulness of near-term quantum devices, such as IBM's quantum volume, we provide a new hardware-independent metric called the qBAS score. It is based on the performance yield in a specific sampling task on one of the canonical machine learning data sets known as Bars and Stripes. We show how entanglement is a key ingredient in encoding the patterns of this data set; an ideal benchmark for testing hardware starting at four qubits and up. We provide experimental results and evaluation of this metric to probe the trade off between several architectural circuit designs and circuit depths on an ion-trap quantum computer.Comment: 16 pages, 9 figures. Minor revisions. As published in npj Quantum Informatio

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

Design and Implementation of Hybrid Multiplier for DSP Applications

In recent decades, there has been a consistent reduction in feature sizes in integrated circuit (IC) technology, leading to the need for increased placement of functional circuits on each chip. When it comes to the design of digital circuits, there is a significant focus on hybrid logic. Hybrid logic is highly regarded due to its ability to consume less power while achieving higher efficiency. Hybrid logic circuits have similarities to complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) transistors, yet possess a reduced transistor count while offering enhanced performance and reliability capabilities. This study examines the modeling and implementation hybrid multiplier with of help of hybrid adder. The functionality of adder is determined with the help of hybrid logic producing XOR/XNOR functionalities in single circuit.    The proposed hybrid Multiplier, which incorporates a hybrid Adder, has been successfully designed and implemented using CMOS 45nm technology and Mentor Graphics software the hybrid transistor logic multiplier demonstrates a decrease in total delay of 60% compared to CMOS

Approximate Computing Survey, Part I: Terminology and Software & Hardware Approximation Techniques

The rapid growth of demanding applications in domains applying multimedia processing and machine learning has marked a new era for edge and cloud computing. These applications involve massive data and compute-intensive tasks, and thus, typical computing paradigms in embedded systems and data centers are stressed to meet the worldwide demand for high performance. Concurrently, the landscape of the semiconductor field in the last 15 years has constituted power as a first-class design concern. As a result, the community of computing systems is forced to find alternative design approaches to facilitate high-performance and/or power-efficient computing. Among the examined solutions, Approximate Computing has attracted an ever-increasing interest, with research works applying approximations across the entire traditional computing stack, i.e., at software, hardware, and architectural levels. Over the last decade, there is a plethora of approximation techniques in software (programs, frameworks, compilers, runtimes, languages), hardware (circuits, accelerators), and architectures (processors, memories). The current article is Part I of our comprehensive survey on Approximate Computing, and it reviews its motivation, terminology and principles, as well it classifies and presents the technical details of the state-of-the-art software and hardware approximation techniques.Comment: Under Review at ACM Computing Survey