Cross-Layer Rapid Prototyping and Synthesis of Application-Specific and Reconfigurable Many-accelerator Platforms

Technological advances of recent years laid the foundation consolidation of informatisationof society, impacting on economic, political, cultural and socialdimensions. At the peak of this realization, today, more and more everydaydevices are connected to the web, giving the term ”Internet of Things”. The futureholds the full connection and interaction of IT and communications systemsto the natural world, delimiting the transition to natural cyber systems and offeringmeta-services in the physical world, such as personalized medical care, autonomoustransportation, smart energy cities etc. . Outlining the necessities of this dynamicallyevolving market, computer engineers are required to implement computingplatforms that incorporate both increased systemic complexity and also cover awide range of meta-characteristics, such as the cost and design time, reliabilityand reuse, which are prescribed by a conflicting set of functional, technical andconstruction constraints. This thesis aims to address these design challenges bydeveloping methodologies and hardware/software co-design tools that enable therapid implementation and efficient synthesis of architectural solutions, which specifyoperating meta-features required by the modern market. Specifically, this thesispresents a) methodologies to accelerate the design flow for both reconfigurableand application-specific architectures, b) coarse-grain heterogeneous architecturaltemplates for processing and communication acceleration and c) efficient multiobjectivesynthesis techniques both at high abstraction level of programming andphysical silicon level.Regarding to the acceleration of the design flow, the proposed methodologyemploys virtual platforms in order to hide architectural details and drastically reducesimulation time. An extension of this framework introduces the systemicco-simulation using reconfigurable acceleration platforms as co-emulation intermediateplatforms. Thus, the development cycle of a hardware/software productis accelerated by moving from a vertical serial flow to a circular interactive loop.Moreover the simulation capabilities are enriched with efficient detection and correctiontechniques of design errors, as well as control methods of performancemetrics of the system according to the desired specifications, during all phasesof the system development. In orthogonal correlation with the aforementionedmethodological framework, a new architectural template is proposed, aiming atbridging the gap between design complexity and technological productivity usingspecialized hardware accelerators in heterogeneous systems-on-chip and networkon-chip platforms. It is presented a novel co-design methodology for the hardwareaccelerators and their respective programming software, including the tasks allocationto the available resources of the system/network. The introduced frameworkprovides implementation techniques for the accelerators, using either conventionalprogramming flows with hardware description language or abstract programmingmodel flows, using techniques from high-level synthesis. In any case, it is providedthe option of systemic measures optimization, such as the processing speed,the throughput, the reliability, the power consumption and the design silicon area.Finally, on addressing the increased complexity in design tools of reconfigurablesystems, there are proposed novel multi-objective optimization evolutionary algo-rithms which exploit the modern multicore processors and the coarse-grain natureof multithreaded programming environments (e.g. OpenMP) in order to reduce theplacement time, while by simultaneously grouping the applications based on theirintrinsic characteristics, the effectively explore the design space effectively.The efficiency of the proposed architectural templates, design tools and methodologyflows is evaluated in relation to the existing edge solutions with applicationsfrom typical computing domains, such as digital signal processing, multimedia andarithmetic complexity, as well as from systemic heterogeneous environments, suchas a computer vision system for autonomous robotic space navigation and manyacceleratorsystems for HPC and workstations/datacenters. The results strengthenthe belief of the author, that this thesis provides competitive expertise to addresscomplex modern - and projected future - design challenges.Οι τεχνολογικές εξελίξεις των τελευταίων ετών έθεσαν τα θεμέλια εδραίωσης της πληροφοριοποίησης της κοινωνίας, επιδρώντας σε οικονομικές,πολιτικές, πολιτιστικές και κοινωνικές διαστάσεις. Στο απόγειο αυτής τη ςπραγμάτωσης, σήμερα, ολοένα και περισσότερες καθημερινές συσκευές συνδέονται στο παγκόσμιο ιστό, αποδίδοντας τον όρο «Ίντερνετ των πραγμάτων».Το μέλλον επιφυλάσσει την πλήρη σύνδεση και αλληλεπίδραση των συστημάτων πληροφορικής και επικοινωνιών με τον φυσικό κόσμο, οριοθετώντας τη μετάβαση στα συστήματα φυσικού κυβερνοχώρου και προσφέροντας μεταυπηρεσίες στον φυσικό κόσμο όπως προσωποποιημένη ιατρική περίθαλψη, αυτόνομες μετακινήσεις, έξυπνες ενεργειακά πόλεις κ.α. . Σκιαγραφώντας τις ανάγκες αυτής της δυναμικά εξελισσόμενης αγοράς, οι μηχανικοί υπολογιστών καλούνται να υλοποιήσουν υπολογιστικές πλατφόρμες που αφενός ενσωματώνουν αυξημένη συστημική πολυπλοκότητα και αφετέρου καλύπτουν ένα ευρύ φάσμα μεταχαρακτηριστικών, όπως λ.χ. το κόστος σχεδιασμού, ο χρόνος σχεδιασμού, η αξιοπιστία και η επαναχρησιμοποίηση, τα οποία προδιαγράφονται από ένα αντικρουόμενο σύνολο λειτουργικών, τεχνολογικών και κατασκευαστικών περιορισμών. Η παρούσα διατριβή στοχεύει στην αντιμετώπιση των παραπάνω σχεδιαστικών προκλήσεων, μέσω της ανάπτυξης μεθοδολογιών και εργαλείων συνσχεδίασης υλικού/λογισμικού που επιτρέπουν την ταχεία υλοποίηση καθώς και την αποδοτική σύνθεση αρχιτεκτονικών λύσεων, οι οποίες προδιαγράφουν τα μετα-χαρακτηριστικά λειτουργίας που απαιτεί η σύγχρονη αγορά. Συγκεκριμένα, στα πλαίσια αυτής της διατριβής, παρουσιάζονται α) μεθοδολογίες επιτάχυνσης της ροής σχεδιασμού τόσο για επαναδιαμορφούμενες όσο και για εξειδικευμένες αρχιτεκτονικές, β) ετερογενή αδρομερή αρχιτεκτονικά πρότυπα επιτάχυνσης επεξεργασίας και επικοινωνίας και γ) αποδοτικές τεχνικές πολυκριτηριακής σύνθεσης τόσο σε υψηλό αφαιρετικό επίπεδο προγραμματισμού,όσο και σε φυσικό επίπεδο πυριτίου.Αναφορικά προς την επιτάχυνση της ροής σχεδιασμού, προτείνεται μια μεθοδολογία που χρησιμοποιεί εικονικές πλατφόρμες, οι οποίες αφαιρώντας τις αρχιτεκτονικές λεπτομέρειες καταφέρνουν να μειώσουν σημαντικά το χρόνο εξομοίωσης. Παράλληλα, εισηγείται η συστημική συν-εξομοίωση με τη χρήση επαναδιαμορφούμενων πλατφορμών, ως μέσων επιτάχυνσης. Με αυτόν τον τρόπο, ο κύκλος ανάπτυξης ενός προϊόντος υλικού, μετατεθειμένος από την κάθετη σειριακή ροή σε έναν κυκλικό αλληλεπιδραστικό βρόγχο, καθίσταται ταχύτερος, ενώ οι δυνατότητες προσομοίωσης εμπλουτίζονται με αποδοτικότερες μεθόδους εντοπισμού και διόρθωσης σχεδιαστικών σφαλμάτων, καθώς και μεθόδους ελέγχου των μετρικών απόδοσης του συστήματος σε σχέση με τις επιθυμητές προδιαγραφές, σε όλες τις φάσεις ανάπτυξης του συστήματος. Σε ορθογώνια συνάφεια με το προαναφερθέν μεθοδολογικό πλαίσιο, προτείνονται νέα αρχιτεκτονικά πρότυπα που στοχεύουν στη γεφύρωση του χάσματος μεταξύ της σχεδιαστικής πολυπλοκότητας και της τεχνολογικής παραγωγικότητας, με τη χρήση συστημάτων εξειδικευμένων επιταχυντών υλικού σε ετερογενή συστήματα-σε-ψηφίδα καθώς και δίκτυα-σε-ψηφίδα. Παρουσιάζεται κατάλληλη μεθοδολογία συν-σχεδίασης των επιταχυντών υλικού και του λογισμικού προκειμένου να αποφασισθεί η κατανομή των εργασιών στους διαθέσιμους πόρους του συστήματος/δικτύου. Το μεθοδολογικό πλαίσιο προβλέπει την υλοποίηση των επιταχυντών είτε με συμβατικές μεθόδους προγραμματισμού σε γλώσσα περιγραφής υλικού είτε με αφαιρετικό προγραμματιστικό μοντέλο με τη χρήση τεχνικών υψηλού επιπέδου σύνθεσης. Σε κάθε περίπτωση, δίδεται η δυνατότητα στο σχεδιαστή για βελτιστοποίηση συστημικών μετρικών, όπως η ταχύτητα επεξεργασίας, η ρυθμαπόδοση, η αξιοπιστία, η κατανάλωση ενέργειας και η επιφάνεια πυριτίου του σχεδιασμού. Τέλος, προκειμένου να αντιμετωπισθεί η αυξημένη πολυπλοκότητα στα σχεδιαστικά εργαλεία επαναδιαμορφούμενων συστημάτων, προτείνονται νέοι εξελικτικοί αλγόριθμοι πολυκριτηριακής βελτιστοποίησης, οι οποίοι εκμεταλλευόμενοι τους σύγχρονους πολυπύρηνους επεξεργαστές και την αδρομερή φύση των πολυνηματικών περιβαλλόντων προγραμματισμού (π.χ. OpenMP), μειώνουν το χρόνο επίλυσης του προβλήματος της τοποθέτησης των λογικών πόρων σε φυσικούς,ενώ ταυτόχρονα, ομαδοποιώντας τις εφαρμογές βάση των εγγενών χαρακτηριστικών τους, διερευνούν αποτελεσματικότερα το χώρο σχεδίασης.Η αποδοτικότητά των προτεινόμενων αρχιτεκτονικών προτύπων και μεθοδολογιών επαληθεύτηκε σε σχέση με τις υφιστάμενες λύσεις αιχμής τόσο σε αυτοτελής εφαρμογές, όπως η ψηφιακή επεξεργασία σήματος, τα πολυμέσα και τα προβλήματα αριθμητικής πολυπλοκότητας, καθώς και σε συστημικά ετερογενή περιβάλλοντα, όπως ένα σύστημα όρασης υπολογιστών για αυτόνομα διαστημικά ρομποτικά οχήματα και ένα σύστημα πολλαπλών επιταχυντών υλικού για σταθμούς εργασίας και κέντρα δεδομένων, στοχεύοντας εφαρμογές υψηλής υπολογιστικής απόδοσης (HPC). Τα αποτελέσματα ενισχύουν την πεποίθηση του γράφοντα, ότι η παρούσα διατριβή παρέχει ανταγωνιστική τεχνογνωσία για την αντιμετώπιση των πολύπλοκων σύγχρονων και προβλεπόμενα μελλοντικών σχεδιαστικών προκλήσεων

Radiation Mitigation and Power Optimization Design Tools for Reconfigurable Hardware in Orbit

The Reconfigurable Hardware in Orbit (RHinO)project is focused on creating a set of design tools that facilitate and automate design techniques for reconfigurable computing in space, using SRAM-based field-programmable-gate-array (FPGA) technology. In the second year of the project, design tools that leverage an established FPGA design environment have been created to visualize and analyze an FPGA circuit for radiation weaknesses and power inefficiencies. For radiation, a single event Upset (SEU) emulator, persistence analysis tool, and a half-latch removal tool for Xilinx/Virtex-II devices have been created. Research is underway on a persistence mitigation tool and multiple bit upsets (MBU) studies. For power, synthesis level dynamic power visualization and analysis tools have been completed. Power optimization tools are under development and preliminary test results are positive

Evolutionary computing and particle filtering: a hardware-based motion estimation system

Particle filters constitute themselves a highly powerful estimation tool, especially when dealing with non-linear non-Gaussian systems. However, traditional approaches present several limitations, which reduce significantly their performance. Evolutionary algorithms, and more specifically their optimization capabilities, may be used in order to overcome particle-filtering weaknesses. In this paper, a novel FPGA-based particle filter that takes advantage of evolutionary computation in order to estimate motion patterns is presented. The evolutionary algorithm, which has been included inside the resampling stage, mitigates the known sample impoverishment phenomenon, very common in particle-filtering systems. In addition, a hybrid mutation technique using two different mutation operators, each of them with a specific purpose, is proposed in order to enhance estimation results and make a more robust system. Moreover, implementing the proposed Evolutionary Particle Filter as a hardware accelerator has led to faster processing times than different software implementations of the same algorithm

A Multi-layer Fpga Framework Supporting Autonomous Runtime Partial Reconfiguration

Partial reconfiguration is a unique capability provided by several Field Programmable Gate Array (FPGA) vendors recently, which involves altering part of the programmed design within an SRAM-based FPGA at run-time. In this dissertation, a Multilayer Runtime Reconfiguration Architecture (MRRA) is developed, evaluated, and refined for Autonomous Runtime Partial Reconfiguration of FPGA devices. Under the proposed MRRA paradigm, FPGA configurations can be manipulated at runtime using on-chip resources. Operations are partitioned into Logic, Translation, and Reconfiguration layers along with a standardized set of Application Programming Interfaces (APIs). At each level, resource details are encapsulated and managed for efficiency and portability during operation. An MRRA mapping theory is developed to link the general logic function and area allocation information to the device related physical configuration level data by using mathematical data structure and physical constraints. In certain scenarios, configuration bit stream data can be read and modified directly for fast operations, relying on the use of similar logic functions and common interconnection resources for communication. A corresponding logic control flow is also developed to make the entire process autonomous. Several prototype MRRA systems are developed on a Xilinx Virtex II Pro platform. The Virtex II Pro on-chip PowerPC core and block RAM are employed to manage control operations while multiple physical interfaces establish and supplement autonomous reconfiguration capabilities. Area, speed and power optimization techniques are developed based on the developed Xilinx prototype. Evaluations and analysis of these prototype and techniques are performed on a number of benchmark and hashing algorithm case studies. The results indicate that based on a variety of test benches, up to 70% reduction in the resource utilization, up to 50% improvement in power consumption, and up to 10 times increase in run-time performance are achieved using the developed architecture and approaches compared with Xilinx baseline reconfiguration flow. Finally, a Genetic Algorithm (GA) for a FPGA fault tolerance case study is evaluated as a ultimate high-level application running on this architecture. It demonstrated that this is a hardware and software infrastructure that enables an FPGA to dynamically reconfigure itself efficiently under the control of a soft microprocessor core that is instantiated within the FPGA fabric. Such a system contributes to the observed benefits of intelligent control, fast reconfiguration, and low overhead

Development of Urban Electric Bus Drivetrain

The development of the drivetrain for a new series of urban electric buses is presented in the paper. The traction and design properties of several drive variants are compared. The efficiency of the drive was tested using simulation calculations of the vehicle rides based on data from real bus lines in Prague. The results of the design work and simulation calculations are presented in the paper

A Finite Domain Constraint Approach for Placement and Routing of Coarse-Grained Reconfigurable Architectures

Scheduling, placement, and routing are important steps in Very Large Scale Integration (VLSI) design. Researchers have developed numerous techniques to solve placement and routing problems. As the complexity of Application Specific Integrated Circuits (ASICs) increased over the past decades, so did the demand for improved place and route techniques. The primary objective of these place and route approaches has typically been wirelength minimization due to its impact on signal delay and design performance. With the advent of Field Programmable Gate Arrays (FPGAs), the same place and route techniques were applied to FPGA-based design. However, traditional place and route techniques may not work for Coarse-Grained Reconfigurable Architectures (CGRAs), which are reconfigurable devices offering wider path widths than FPGAs and more flexibility than ASICs, due to the differences in architecture and routing network. Further, the routing network of several types of CGRAs, including the Field Programmable Object Array (FPOA), has deterministic timing as compared to the routing fabric of most ASICs and FPGAs reported in the literature. This necessitates a fresh look at alternative approaches to place and route designs. This dissertation presents a finite domain constraint-based, delay-aware placement and routing methodology targeting an FPOA. The proposed methodology takes advantage of the deterministic routing network of CGRAs to perform a delay aware placement

Fine-grained parallelization of fitness functions in bioinformatics optimization problems: gene selection for cancer classification and biclustering of gene expression data

ANTECEDENTES: las metaheurísticas se utilizan ampliamente para resolver grandes problemas de optimización combinatoria en bioinformática debido al enorme conjunto de posibles soluciones. Dos problemas representativos son la selección de genes para la clasificación del cáncer y el agrupamiento de los datos de expresión génica. En la mayoría de los casos, estas metaheurísticas, así como otras técnicas no lineales, aplican una función de adecuación a cada solución posible con una población de tamaño limitado, y ese paso involucra latencias más altas que otras partes de los algoritmos, lo cual es la razón por la cual el tiempo de ejecución de las aplicaciones dependerá principalmente del tiempo de ejecución de la función de aptitud. Además, es habitual encontrar formulaciones aritméticas de punto flotante para las funciones de fitness. De esta manera, una paralelización cuidadosa de estas funciones utilizando la tecnología de hardware reconfigurable acelerará el cálculo, especialmente si se aplican en paralelo a varias soluciones de la población. RESULTADOS: una paralelización de grano fino de dos funciones de aptitud de punto flotante de diferentes complejidades y características involucradas en el biclustering de los datos de expresión génica y la selección de genes para la clasificación del cáncer permitió obtener mayores aceleraciones y cómputos de potencia reducida con respecto a los microprocesadores habituales. CONCLUSIONES: Los resultados muestran mejores rendimientos utilizando tecnología de hardware reconfigurable en lugar de los microprocesadores habituales, en términos de tiempo de consumo y consumo de energía, no solo debido a la paralelización de las operaciones aritméticas, sino también gracias a la evaluación de aptitud concurrente para varios individuos de la población en La metaheurística. Esta es una buena base para crear soluciones aceleradas y de bajo consumo de energía para escenarios informáticos intensivos.BACKGROUND: Metaheuristics are widely used to solve large combinatorial optimization problems in bioinformatics because of the huge set of possible solutions. Two representative problems are gene selection for cancer classification and biclustering of gene expression data. In most cases, these metaheuristics, as well as other non-linear techniques, apply a fitness function to each possible solution with a size-limited population, and that step involves higher latencies than other parts of the algorithms, which is the reason why the execution time of the applications will mainly depend on the execution time of the fitness function. In addition, it is usual to find floating-point arithmetic formulations for the fitness functions. This way, a careful parallelization of these functions using the reconfigurable hardware technology will accelerate the computation, specially if they are applied in parallel to several solutions of the population. RESULTS: A fine-grained parallelization of two floating-point fitness functions of different complexities and features involved in biclustering of gene expression data and gene selection for cancer classification allowed for obtaining higher speedups and power-reduced computation with regard to usual microprocessors. CONCLUSIONS: The results show better performances using reconfigurable hardware technology instead of usual microprocessors, in computing time and power consumption terms, not only because of the parallelization of the arithmetic operations, but also thanks to the concurrent fitness evaluation for several individuals of the population in the metaheuristic. This is a good basis for building accelerated and low-energy solutions for intensive computing scenarios.• Ministerio de Economía y Competitividad y Fondos FEDER. Contrato TIN2012-30685 (I+D+i) • Gobierno de Extremadura. Ayuda GR15011 para grupos TIC015 • CONICYT/FONDECYT/REGULAR/1160455. Beca para Ricardo Soto Guzmán • CONICYT/FONDECYT/REGULAR/1140897. Beca para Broderick CrawfordpeerReviewe

A Novel Multi-objective Optimisation Algorithm for Routability and Timing Driven Circuit Clustering on FPGAs

Circuit clustering algorithms fit synthesised circuits into FPGA configurable logic blocks (CLBs) efficiently. This fundamental process in FPGA CAD flow directly impacts both effort required and performance achievable in subsequent place-and-route processes. Circuit clustering is limited by hardware constraints of specific target architectures. Hence, better circuit clustering approaches are essential for improving device utilisation whilst at the same time optimising circuit performance parameters such as, e.g., power and delay. In this paper, we present a method based on multi-objective genetic algorithm (MOGA) to facilitate circuit clustering. We address a number of challenges including CLB input bandwidth constraints, improvement of CLB utilisation, minimisation of interconnects between CLBs. Our new approach has been validated using the "Golden 20" MCNC benchmark circuits that are regularly used in FPGA-related literature. The results show that the method proposed in this paper achieves improvements of up to 50% in clustering, routability and timing when compared to state-of-the-art approaches including VPack, T-VPack, RPack, DPack, HDPack, MOPack and iRAC. Key contribution of this work is a flexible EDA flow that can incorporate numerous objectives required to successfully tackle real-world circuit design on FPGA, providing device utilisation at increased design performance