Speeding-Up Expensive Evaluations in High-Level Synthesis Using Solution Modeling and Fitness Inheritance

High-Level Synthesis (HLS) is the process of developing digital circuits from behavioral specifications. It involves three interdependent and NP-complete optimization problems: (i) the operation scheduling, (ii) the resource allocation, and (iii) the controller synthesis. Evolutionary Algorithms have been already effectively applied to HLS to find good solution in presence of conflicting design objectives. In this paper, we present an evolutionary approach to HLS that extends previous works in three respects: (i) we exploit the NSGA-II, a multi-objective genetic algorithm, to fully automate the design space exploration without the need of any human intervention, (ii) we replace the expensive evaluation process of candidate solutions with a quite accurate regression model, and (iii) we reduce the number of evaluations with a fitness inheritance scheme. We tested our approach on several benchmark problems. Our results suggest that all the enhancements introduced improve the overall performance of the evolutionary search

Методи і засоби проєктування спеціалізованих конвеєрних обчислювачів на базі ПЛІС для обробки сигналів

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 123 — Комп’ютерна інженерія. — Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2023. Тема дисертації пов’язана з автоматизацією проєктування обчислювальних засобів на базі інтегральних схем надвисокої інтеграції (НВІС) та програмовних логічних інтегральних схем. В даний час складність проєктів обчислювальних систем для НВІС та програмовних логічних інтегральних схем досягла десятків мільйонів вентилів. Причому досі вирішальну роль грає технологія, яка основана на описі проєктів на рівні регістрових передач, продуктивність якої є обмеженою. Розвивається галузь високорівневого синтезу, який ґрунтується на трансляції опису алгоритму в опис на рівні регістрових передач і на порядок прискорює проєктування. Але в наявних засобах такого синтезу необхідно вручну задавати паралелізм алгоритму та особливості відображення в опис обчислювальної системи на рівні регістрових передач, яка часто одержує надмірні апаратні витрати чи продуктивність, що не відповідає заданій. Невідповідність ефективності наявних засобів високорівневого синтезу складності та продуктивності обчислювальних систем, що проєктуються, представляє актуальну технічну проблему. Обчислювальні системи для цифрової обробки сигналів є такими системами, які вимагають для своєї реалізації проєктування НВІС та програмовних логічних інтегральних схем найбільшої складності і для них ця проблема стає актуальнішою. Об’єктом дослідження є процес розроблення високопродуктивних паралельних обчислювальних засобів. Предметом дослідження є методи та засоби проєктування спеціалізованих обчислювальних систем конвеєрного типу для цифрової обробки сигналів на базі програмовних логічних інтегральних схем (ПЛІС). Метою дисертації є підвищення ефективності проєктування конвеєрних обчислювальних систем на основі програмовних логічних інтегральних схем на базі запропонованого методу проєктування спеціалізованих конвеєрних структур на основі генетичного програмування, який дає змогу прискорити проєктування конвеєрних обчислювальних систем і підвищити відношення продуктивність — апаратні витрати завдяки формалізації проєктування і новим алгоритмам пошуку апаратних рішень із мінімізованими апаратними витратами при заданому періоді обчислень. Для досягнення мети в дисертації виконуються завдання: проаналізувати алгоритми і пристрої цифрової обробки сигналів і сформулювати вимоги до елементної бази й засобів проєктування обчислювальних систем для цифрової обробки сигналів, проаналізувати алгоритмічні моделі та мови опису алгоритмів цифрової обробки сигналів, методи і засоби їхнього відображення в паралельні обчислювальні системи, вибрати найбільш придатні модель та метод відображення, теоретично обґрунтувати та розробити новий метод відображення алгоритму цифрової обробки сигналів у апаратні засоби, які конфігуруються в програмовну логічну інтегральну схему, на основі запропонованого методу розробити засоби автоматизації відображення алгоритмів цифрової обробки сигналів в обчислювальні системи на основі програмовних логічних інтегральних схем, перевірити ефективність розробленого методу під час проєктування низки спеціалізованих обчислювальних систем для вирішення завдань цифрової обробки сигналів. Під час аналізу алгоритмічних моделей вибрана модель просторового графа синхронних потоків даних (ГСПД) та його відображення у структуру обчислювальної системи і розклад виконання алгоритму як найбільш придатні модель та метод відображення. Просторовий граф синхронних потоків даних представляє собою граф, операторні вершини якого розміщується у просторі з координатами місця, такту виконання і типу оператора таким чином, щоби шуканий розклад виконання алгоритму був коректним. Відображення просторового графа синхронних потоків даних є афінним відображенням у підпростір структур обчислювальних систем та підпростір розкладів. Наукова новизна роботи. Вперше запропоновано метод проєктування спеціалізованих конвеєрних структур на основі генетичного програмування, який відрізняється тим, що алгоритм цифрової обробки сигналів, який відображається в структуру, задається просторовим ГСПД, задача мінімізації апаратних витрат вирішується із заданими часовими обмеженнями за допомогою еволюційного підходу, який ґрунтується на поданні хромосоми як закодованого ГСПД та відповідних функціях її зміни, а також двохетапному алгоритмі оптимізації. Запропонований метод дає змогу формалізовано вирішувати задачу синтезу обчислювальних систем для цифрової обробки сигналів і завдяки регулюванню ступеня розпаралелювання алгоритму та мінімізації апаратних витрат одержані структури мають високе співвідношення продуктивність — вартість. Вперше запропоновано спосіб проєктування рекурсивних фільтрів на ПЛІС, який відрізняється тим, що завдяки застосуванню методу відображення просторового ГСПД, використання схем без блоків множення, а також пошуку коефіцієнтів фільтра методом модельованого відпалювання та застосування мови VHDL (VHSICVHSIC (vveryery highhigh speedspeed integratedintegrated circuitscircuits) hhardwareardware ddescriptionescription llanguageanguage), забезпечується одержання фільтрів з мінімізованими апаратними витратами та високою тактовою частотою. Практична цінність результатів дисертаційної роботи полягає в тому, що використання нового методу проєктування обчислювальних систем забезпечує зниження трудомісткості і скорочення термінів одержання множини альтернативних оптимізованих структурних рішень, мінімізація використання обчислювальних ресурсів, зокрема пам’яті обчислювальних систем, розроблення високоефективних конвеєрних обчислювальних систем обробки сигналів із мінімізованими апаратними витратами за заданих пропускної спроможності й порядку подання даних у вхідному та вихідному потоках даних. Розроблено програмний застосунок SDFCAD (synchronoussynchronous datadata flowflow computercomputer-aidedaided designdesign), у якому впроваджений запропонований метод. Цей застосунок дає змогу проєктувальнику описувати за допомогою графа синхронних потоків даних алгоритм цифрової обробки сигналів, моделювати алгоритм з різними степенями паралелізму, забезпечує автоматизований синтез обчислювальної системи із заданими властивостями, яка придатна для подальшої компіляції та конфігурування в програмовну логічну інтегральну схему довільної серії, а також впровадження в замовлену НВІС. Розроблені з використанням нового методу проєкти обчислювальних систем, такі як процесор дискретного косинусного перетворення, процесор для швидкого перетворення Фур’є, рекурсивні фільтри, модулі обчислення синусоїдальних функцій у програмовних логічних інтегральних схемах, є налаштовуваними обчислювальними модулями, які описані на VHDL, мають високе відношення продуктивність — апаратні витрати та можуть бути впроваджені в нових розробках із мінімальними додатковими часовими і фінансовими витратами. Запропонований спосіб проєктування рекурсивних цифрових фільтрів впроваджено у вебзастосунку, який може бути вільно використаний у практиці проєктування пристроїв цифрової обробки сигналів. Результати роботи впроваджені у двох НДР, що проводяться в Національному технічному університеті України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» на кафедрі обчислювальної техніки, які присвячені проєктуванню високопродуктивних апаратних і програмних засобів. Матеріали дисертації є корисними для викладачів і спеціалістів у галузях проєктування апаратних засобів обчислювальної техніки, систем телекомунікацій, зв’язку, вимірювання, радіолокації, штучного інтелекту, засобів мікроелектроніки