Mutual Impact between Clock Gating and High Level Synthesis in Reconfigurable Hardware Accelerators

With the diffusion of cyber-physical systems and internet of things, adaptivity and low power consumption became of primary importance in digital systems design. Reconfigurable heterogeneous platforms seem to be one of the most suitable choices to cope with such challenging context. However, their development and power optimization are not trivial, especially considering hardware acceleration components. On the one hand high level synthesis could simplify the design of such kind of systems, but on the other hand it can limit the positive effects of the adopted power saving techniques. In this work, the mutual impact of different high level synthesis tools and the application of the well known clock gating strategy in the development of reconfigurable accelerators is studied. The aim is to optimize a clock gating application according to the chosen high level synthesis engine and target technology (Application Specific Integrated Circuit (ASIC) or Field Programmable Gate Array (FPGA)). Different levels of application of clock gating are evaluated, including a novel multi level solution. Besides assessing the benefits and drawbacks of the clock gating application at different levels, hints for future design automation of low power reconfigurable accelerators through high level synthesis are also derived

Design and management of image processing pipelines within CPS : Acquired experience towards the end of the FitOptiVis ECSEL Project

Cyber-Physical Systems (CPSs) are dynamic and reactive systems interacting with processes, environment and, sometimes, humans. They are often distributed with sensors and actuators, characterized for being smart, adaptive, predictive and react in real-time. Indeed, image- and video-processing pipelines are a prime source for environmental information for systems allowing them to take better decisions according to what they see. Therefore, in FitOptiVis, we are developing novel methods and tools to integrate complex image- and video-processing pipelines. FitOptiVis aims to deliver a reference architecture for describing and optimizing quality and resource management for imaging and video pipelines in CPSs both at design- and run-time. The architecture is concretized in low-power, high-performance, smart components, and in methods and tools for combined design-time and run-time multi-objective optimization and adaptation within system and environment constraints.Peer reviewe

Hierarchical Agent-based Adaptation for Self-Aware Embedded Computing Systems

Siirretty Doriast

Feasibility study and porting of the damped least square algorithm on FPGA

Modern embedded computing platforms used within Cyber-Physical Systems (CPS) are nowadays leveraging more and more often on heterogeneous computing substrates, such as newest Field Programmable Gate Array (FPGA) devices. Compared to general purpose platforms, which have a fixed datapath, FPGAs provide designers the possibility of customizing part of the computing infrastructure, to better shape the execution on the application needs/features, and offer high efficiency in terms of timing and power performance, while naturally featuring parallelism. In the context of FPGA-based CPSs, this article has a two fold mission. On the one hand, it presents an analysis of the Damped Least Square (DLS) algorithm for a perspective hardware implementation. On the other hand, it describes the implementation of a robotic arm controller based on the DLS to numerically solve Inverse Kinematics problems over a heterogeneous FPGA. Assessments involve a Trossen Robotics WidowX robotic arm controlled by a Digilent ZedBoard provided with a Xilinx Zynq FPGA that computes the Inverse Kinematic

Virtual Runtime Application Partitions for Resource Management in Massively Parallel Architectures

This thesis presents a novel design paradigm, called Virtual Runtime Application Partitions (VRAP), to judiciously utilize the on-chip resources. As the dark silicon era approaches, where the power considerations will allow only a fraction chip to be powered on, judicious resource management will become a key consideration in future designs. Most of the works on resource management treat only the physical components (i.e. computation, communication, and memory blocks) as resources and manipulate the component to application mapping to optimize various parameters (e.g. energy efficiency). To further enhance the optimization potential, in addition to the physical resources we propose to manipulate abstract resources (i.e. voltage/frequency operating point, the fault-tolerance strength, the degree of parallelism, and the configuration architecture). The proposed framework (i.e. VRAP) encapsulates methods, algorithms, and hardware blocks to provide each application with the abstract resources tailored to its needs. To test the efficacy of this concept, we have developed three distinct self adaptive environments: (i) Private Operating Environment (POE), (ii) Private Reliability Environment (PRE), and (iii) Private Configuration Environment (PCE) that collectively ensure that each application meets its deadlines using minimal platform resources. In this work several novel architectural enhancements, algorithms and policies are presented to realize the virtual runtime application partitions efficiently. Considering the future design trends, we have chosen Coarse Grained Reconfigurable Architectures (CGRAs) and Network on Chips (NoCs) to test the feasibility of our approach. Specifically, we have chosen Dynamically Reconfigurable Resource Array (DRRA) and McNoC as the representative CGRA and NoC platforms. The proposed techniques are compared and evaluated using a variety of quantitative experiments. Synthesis and simulation results demonstrate VRAP significantly enhances the energy and power efficiency compared to state of the art.Siirretty Doriast

Dependable Embedded Systems

This Open Access book introduces readers to many new techniques for enhancing and optimizing reliability in embedded systems, which have emerged particularly within the last five years. This book introduces the most prominent reliability concerns from today’s points of view and roughly recapitulates the progress in the community so far. Unlike other books that focus on a single abstraction level such circuit level or system level alone, the focus of this book is to deal with the different reliability challenges across different levels starting from the physical level all the way to the system level (cross-layer approaches). The book aims at demonstrating how new hardware/software co-design solution can be proposed to ef-fectively mitigate reliability degradation such as transistor aging, processor variation, temperature effects, soft errors, etc. Provides readers with latest insights into novel, cross-layer methods and models with respect to dependability of embedded systems; Describes cross-layer approaches that can leverage reliability through techniques that are pro-actively designed with respect to techniques at other layers; Explains run-time adaptation and concepts/means of self-organization, in order to achieve error resiliency in complex, future many core systems

The Customizable Virtual FPGA: Generation, System Integration and Configuration of Application-Specific Heterogeneous FPGA Architectures

In den vergangenen drei Jahrzehnten wurde die Entwicklung von Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) stark von Moore’s Gesetz, Prozesstechnologie (Skalierung) und kommerziellen Märkten beeinflusst. State-of-the-Art FPGAs bewegen sich einerseits dem Allzweck näher, aber andererseits, da FPGAs immer mehr traditionelle Domänen der Anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (ASICs) ersetzt haben, steigen die Effizienzerwartungen. Mit dem Ende der Dennard-Skalierung können Effizienzsteigerungen nicht mehr auf Technologie-Skalierung allein zurückgreifen. Diese Facetten und Trends in Richtung rekonfigurierbarer System-on-Chips (SoCs) und neuen Low-Power-Anwendungen wie Cyber Physical Systems und Internet of Things erfordern eine bessere Anpassung der Ziel-FPGAs. Neben den Trends für den Mainstream-Einsatz von FPGAs in Produkten des täglichen Bedarfs und Services wird es vor allem bei den jüngsten Entwicklungen, FPGAs in Rechenzentren und Cloud-Services einzusetzen, notwendig sein, eine sofortige Portabilität von Applikationen über aktuelle und zukünftige FPGA-Geräte hinweg zu gewährleisten. In diesem Zusammenhang kann die Hardware-Virtualisierung ein nahtloses Mittel für Plattformunabhängigkeit und Portabilität sein. Ehrlich gesagt stehen die Zwecke der Anpassung und der Virtualisierung eigentlich in einem Konfliktfeld, da die Anpassung für die Effizienzsteigerung vorgesehen ist, während jedoch die Virtualisierung zusätzlichen Flächenaufwand hinzufügt. Die Virtualisierung profitiert aber nicht nur von der Anpassung, sondern fügt auch mehr Flexibilität hinzu, da die Architektur jederzeit verändert werden kann. Diese Besonderheit kann für adaptive Systeme ausgenutzt werden. Sowohl die Anpassung als auch die Virtualisierung von FPGA-Architekturen wurden in der Industrie bisher kaum adressiert. Trotz einiger existierenden akademischen Werke können diese Techniken noch als unerforscht betrachtet werden und sind aufstrebende Forschungsgebiete. Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Generierung von FPGA-Architekturen, die auf eine effiziente Anpassung an die Applikation zugeschnitten sind. Im Gegensatz zum üblichen Ansatz mit kommerziellen FPGAs, bei denen die FPGA-Architektur als gegeben betrachtet wird und die Applikation auf die vorhandenen Ressourcen abgebildet wird, folgt diese Arbeit einem neuen Paradigma, in dem die Applikation oder Applikationsklasse fest steht und die Zielarchitektur auf die effiziente Anpassung an die Applikation zugeschnitten ist. Dies resultiert in angepassten anwendungsspezifischen FPGAs. Die drei Säulen dieser Arbeit sind die Aspekte der Virtualisierung, der Anpassung und des Frameworks. Das zentrale Element ist eine weitgehend parametrierbare virtuelle FPGA-Architektur, die V-FPGA genannt wird, wobei sie als primäres Ziel auf jeden kommerziellen FPGA abgebildet werden kann, während Anwendungen auf der virtuellen Schicht ausgeführt werden. Dies sorgt für Portabilität und Migration auch auf Bitstream-Ebene, da die Spezifikation der virtuellen Schicht bestehen bleibt, während die physische Plattform ausgetauscht werden kann. Darüber hinaus wird diese Technik genutzt, um eine dynamische und partielle Rekonfiguration auf Plattformen zu ermöglichen, die sie nicht nativ unterstützen. Neben der Virtualisierung soll die V-FPGA-Architektur auch als eingebettetes FPGA in ein ASIC integriert werden, das effiziente und dennoch flexible System-on-Chip-Lösungen bietet. Daher werden Zieltechnologie-Abbildungs-Methoden sowohl für Virtualisierung als auch für die physikalische Umsetzung adressiert und ein Beispiel für die physikalische Umsetzung in einem 45 nm Standardzellen Ansatz aufgezeigt. Die hochflexible V-FPGA-Architektur kann mit mehr als 20 Parametern angepasst werden, darunter LUT-Grösse, Clustering, 3D-Stacking, Routing-Struktur und vieles mehr. Die Auswirkungen der Parameter auf Fläche und Leistung der Architektur werden untersucht und eine umfangreiche Analyse von über 1400 Benchmarkläufen zeigt eine hohe Parameterempfindlichkeit bei Abweichungen bis zu ±95, 9% in der Fläche und ±78, 1% in der Leistung, was die hohe Bedeutung von Anpassung für Effizienz aufzeigt. Um die Parameter systematisch an die Bedürfnisse der Applikation anzupassen, wird eine parametrische Entwurfsraum-Explorationsmethode auf der Basis geeigneter Flächen- und Zeitmodellen vorgeschlagen. Eine Herausforderung von angepassten Architekturen ist der Entwurfsaufwand und die Notwendigkeit für angepasste Werkzeuge. Daher umfasst diese Arbeit ein Framework für die Architekturgenerierung, die Entwurfsraumexploration, die Anwendungsabbildung und die Evaluation. Vor allem ist der V-FPGA in einem vollständig synthetisierbaren generischen Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language (VHDL) Code konzipiert, der sehr flexibel ist und die Notwendigkeit für externe Codegeneratoren eliminiert. Systementwickler können von verschiedenen Arten von generischen SoC-Architekturvorlagen profitieren, um die Entwicklungszeit zu reduzieren. Alle notwendigen Konstruktionsschritte für die Applikationsentwicklung und -abbildung auf den V-FPGA werden durch einen Tool-Flow für Entwurfsautomatisierung unterstützt, der eine Sammlung von vorhandenen kommerziellen und akademischen Werkzeugen ausnutzt, die durch geeignete Modelle angepasst und durch ein neues Werkzeug namens V-FPGA-Explorer ergänzt werden. Dieses neue Tool fungiert nicht nur als Back-End-Tool für die Anwendungsabbildung auf dem V-FPGA sondern ist auch ein grafischer Konfigurations- und Layout-Editor, ein Bitstream-Generator, ein Architekturdatei-Generator für die Place & Route Tools, ein Script-Generator und ein Testbenchgenerator. Eine Besonderheit ist die Unterstützung der Just-in-Time-Kompilierung mit schnellen Algorithmen für die In-System Anwendungsabbildung. Die Arbeit schliesst mit einigen Anwendungsfällen aus den Bereichen industrielle Prozessautomatisierung, medizinische Bildgebung, adaptive Systeme und Lehre ab, in denen der V-FPGA eingesetzt wird

Evolving Software Systems for Self-Adaptation

There is a strong synergy between the concepts of evolution and adaptation in software engineering: software adaptation refers to both the current software being adapted and to the evolution process that leads to the new adapted software. Evolution changes for the purpose of adaptation are usually made at development or compile time, and are meant to handle predictable situations in the form of software change requests. On the other hand, software may also change and adapt itself based on the changes in its environment. Such adaptive changes are usually dynamic, and are suitable for dealing with unpredictable or temporary changes in the software's operating environment. A promising solution for software adaptation is to develop self-adaptive software systems that can manage changes dynamically at runtime in a rapid and reliable way. One of the main advantages of self-adaptive software is its ability to manage the complexity that stems from highly dynamic and nondeterministic operating environments. If a self-adaptive software system has been engineered and used properly, it can greatly improve the cost-effectiveness of software change through its lifespan. However, in practice, many of the existing approaches towards self-adaptive software are rather expensive and may increase the overall system complexity, as well as subsequent future maintenance costs. This means that in many cases, self-adaptive software is not a good solution, because its development and maintenance costs are not paid off. The situation is even worse in the case of making current (legacy) systems adaptive. There are several factors that have an impact on the cost-effectiveness and usability of self-adaptive software; however the main objective of this thesis is to make a software system adaptive in a cost-effective way, while keeping the target adaptive software generic, usable, and evolvable, so as to support future changes. In order to effectively engineer and use self-adaptive software systems, in this thesis we propose a new conceptual model for identifying and specifying problem spaces in the context of self-adaptive software systems. Based on the foundations of this conceptual model, we propose a model-centric approach for engineering self-adaptive software by designing a generic adaptation framework and a supporting evolution process. This approach is particularly tailored to facilitate and simplify the process of evolving and adapting current (legacy) software towards runtime adaptivity. The conducted case studies reveal the applicability and effectiveness of this approach in bringing self-adaptive behaviour into non-adaptive applications that essentially demand adaptive behaviour to sustain