Exploration architecturale pour le décodage de codes polaires

Applications in the field of digital communications are becoming increasingly complex and diversified. Hence, the need to correct the transmitted message mistakes becomes an issue to be dealt with. To address this problem, error correcting codes are used. In particular, Polar Codes that are the subject of this thesis. They have recently been discovered (2008) by Arikan. They are considered an important discovery in the field of error correcting codes. Their practicality goes hand in hand with the ability to propose a hardware implementation of a decoder. The subject of this thesis focuses on the architectural exploration of Polar Code decoders implementing particular decoding algorithms. Thus, the subject revolves around two decoding algorithms: a first decoding algorithm, returning hard decisions, and another decoding algorithm, returning soft decisions.The first decoding algorithm, treated in this thesis, is based on the hard decision algorithm called "successive cancellation" (SC) as originally proposed. Analysis of implementations of SC decoders shows that the partial sum computation unit is complex. Moreover, the memory amount from this analysis limits the implementation of large decoders. Research conducted in order to solve these problems presents an original architecture, based on shift registers, to compute the partial sums. This architecture allows to reduce the complexity and increase the maximum working frequency of this unit. We also proposed a new methodology to redesign an existing decoder architecture, relatively simply, to reduce memory requirements. ASIC and FPGA syntheses were performed to characterize these contributions.The second decoding algorithm treated in this thesis is the soft decision algorithm called SCAN. The study of the state of the art shows that the only other implemented soft decision algorithm is the BP algorithm. However, it requires about fifty iterations to obtain the decoding performances of the SC algorithm. In addition, its memory requirements make it not implementable for huge code sizes. The interest of the SCAN algorithm lies in its performances which are better than those of the BP algorithm with only two iterations. In addition, its lower memory footprint makes it more convenient and allows the implementation of larger decoders. We propose in this thesis a first implementation of this algorithm on FPGA targets. FPGA syntheses were carried out in order to compare the SCAN decoder with BP decoders in the state of the art.The contributions proposed in this thesis allowed to bring a complexity reduction of the partial sum computation unit. Moreover, the amount of memory required by an SC decoder has been decreased. At last, a SCAN decoder has been proposed and can be used in the communication field with other blocks requiring soft inputs. This then broadens the application field of Polar Codes.Les applications dans le domaine des communications numériques deviennent de plus en plus complexes et diversifiées. En témoigne la nécessité de corriger les erreurs des messages transmis. Pour répondre à cette problématique, des codes correcteurs d’erreurs sont utilisés. En particulier, les Codes Polaires qui font l’objet de cette thèse. Ils ont été découverts récemment (2008) par Arıkan. Ils sont considérés comme une découverte importante dans le domaine des codes correcteurs d’erreurs. Leur aspect pratique va de paire avec la capacité à proposer une implémentation matérielle de décodeur. Le sujet de cette thèse porte sur l’exploration architecturale de décodeurs de Codes Polaires implémentant des algorithmes de décodage particuliers. Ainsi, le sujet gravite autour de deux algorithmes de décodage : un premier algorithme de décodage à décisions dures et un autre algorithme de décodage à décisions souples.Le premier algorithme de décodage, à décisions dures, traité dans cette thèse repose sur l’algorithme par annulation successive (SC) comme proposé originellement. L’analyse des implémentations de décodeurs montre que l’unité de calcul des sommes partielles est complexe. De plus,la quantité mémoire ressort de cette analyse comme étant un point limitant de l’implémentation de décodeurs de taille importante. Les recherches menées afin de palier ces problèmes montrent qu’une architecture de mise à jour des sommes partielles à base de registres à décalages permet de réduire la complexité de cette unité. Nous avons également proposé une nouvelle méthodologie permettant de revoir la conception d’une architecture de décodeur déjà existante de manière relativement simple afin de réduire le besoin en mémoire. Des synthèses en technologie ASIC et sur cibles FPGA ont été effectués pour caractériser ces contributions. Le second algorithme de décodage, à décisions souples, traité dans ce mémoire, est l’algorithme SCAN. L’étude de l’état de l’art montre que le seul autre algorithme à décisions souples implémenté est l’algorithme BP. Cependant, il nécessite une cinquantaine d’itérations pour obtenir des performances de décodages au niveau de l’algorithme SC. De plus, son besoin mémoire le rend non implémentable pour des tailles de codes élevées. L’intérêt de l’algorithme SCAN réside dans ses performances qui sont meilleures que celles de l’algorithme BP avec seulement 2 itérations.De plus, sa plus faible empreinte mémoire le rend plus pratique et permet l’implémentation de décodeurs plus grands. Nous proposons dans cette thèse une première implémentation de cetalgorithme sur cibles FPGA. Des synthèses sur cibles FPGA ont été effectuées pour pouvoir comparer le décodeur SCAN avec les décodeurs BP de l’état de l’art.Les contributions proposées dans cette thèse ont permis d’apporter une réduction de la complexité matérielle du calcul des sommes partielles ainsi que du besoin général du décodeur en éléments de mémorisation. Le décodeur SCAN peut être utilisé dans la chaîne de communication avec d’autres blocs nécessitant des entrées souples. Cela permet alors d’ouvrir le champ d’applications des Codes Polaires à ces blocs

Des explications pour reconnaître et exploiter les structures cachées

http://www710.univ-lyon1.fr/~csolnonL'identification de structures propres à un problème est souvent une étape clef pour la conception d'heuristiques de recherche comme la compréhension de la complexité du problème. De nombreuses approches en Recherche Opérationnelle emploient des stratégies de relaxations ou décompositions dès lors que certaines structures idoines ont été identifiées. L'étape suivante est la conception d'algorithmes de résolution qui puisse intégrer à la volée, pendant la résolution, ce type d'information. Cet article propose d'utiliser un solveur de contraintes à base d'explications pour collecter de l'information pertinente sur les structures dynamiques et statiques inhérentes au problème. Par ailleurs, la reconnaissance de relations spécifiques entre les variables suggère l'adaptation d'algorithmes dédiés issus du monde de la Recherche Opérationnelle au contexte de la programmation par contraintes. Une telle adaptation est discutée dans le cadre de la décomposition de Benders

Conception de dispositifs de contrôle asynchrones et distribués pour la gestion de l’énergie

Today integrated systems are increasingly faced with the constraints of low consumption or energy efficiency. These issues need to be integrated as far upstream as possible in the design flow to reduce design time and avoid much iteration in the flow. In this context, the collaborative project HiCool, between LIRMM and TIMA laboratories, Defacto, Docea and ST Microelectronics companies, has set up a strategy and design flow to design integrated low power systems while facilitating the reuse of existing hardware blocks (IPs). The approach proposed in this thesis fits into this strategy by bringing a small dose of asynchrony in completely synchronous systems. Indeed, the reduction in consumption is based on the observation that permanent activation of the entire circuit is unnecessary in many cases. However, controlling the activity with techniques of "clock gating" or "power gating" usually need to perform a re-design of the system and to add a control device for controlling activation of areas effecting treatment. The work presented in this manuscript provides a strategy based clock controllers and power domain, asynchronous, distributed and easily insertable into a circuit with a low cost design.Les systèmes intégrés sont aujourd’hui de plus en plus fréquemment confrontés à des contraintes de faible consommation ou d’efficacité énergétique. Ces problématiques se doivent d’être intégrées le plus en amont possible dans le flot de conception afin de réduire les temps de design et d’éviter de nombreuses itérations dans le flot. Dans ce contexte, le projet collaboratif HiCool, partenariat entre les laboratoires LIRMM et TIMA, les sociétés Defacto, Docea et ST Microelectronics, a mis en place une stratégie et un flot de conception pour concevoir des systèmes intégrés faible consommation tout en facilitant la réutilisation de blocks matériels (IPs) existants. L’approche proposée dans cette thèse s’intègre dans cette stratégie en apportant une petite dose d’asynchronisme dans des systèmes complètement synchrones. En effet, la réduction de la consommation est basée sur le constat que l’activation permanente de la totalité du circuit est inutile dans bien des cas. Néanmoins, contrôler l’activité avec des techniques de « clock gating » ou de « power gating » nécessitent usuellement d’effectuer un re-design du système et d’ajouter un organe de commande pour contrôler l’activation des zones effectuant un traitement. Le travail présenté dans ce manuscrit définit une stratégie basée sur des contrôleurs d’horloge et de domaine d’alimentation, asynchrones, distribués et facilement insérables dans un circuit avec un coût de re-design des plus réduit

Etude du comportement global d'un SED en vue de la validation de sa commande spécifiée par Grafcet

International audienc

Synthèse et description de circuits numériques au niveau des transferts synchronisés par les données

RÉSUMÉ Au-delà des processeurs d’instructions multi-coeurs, le monde du traitement numérique haute performance moderne est également caractérisé par l’utilisation de circuits spécifiques à un domaine d’application implémentés au moyen de circuits programmables FPGA (réseau de portes programmables in situ). Les FPGA représentent des candidats intéressants à la réalisation de calculs haute-performances pour différentes raisons. D’une part, le nombre importants de blocs de propriétés intellectuelles gravés en dur sur ces puces (processeurs, mémoires, unités de traitement de signal numérique) réduit l’écart qui les sépare des circuits intégrés dédiés en termes de ressources disponibles. Un écart qui s’explique par le haut niveau de configurabilité offert par le circuit programmable, une capacité pour laquelle un grand nombre de ressources doit être dédié sans être utilisé par le circuit programmé. Néanmoins dans un contexte où souvent plus de transistors sont disponibles qu’on puisse en utiliser, le coût associé à la configurabilité s’en trouve d’autant réduit. De par leur capacité à être reconfigurés complètement ou partiellement, les FPGAs modernes, tout comme les processeurs d’instructions, offrent la flexibilité requise pour supporter un grand nombre d’applications. Néanmoins, contrairement aux processeurs d’instructions qui peuvent être programmés avec différents langages de programmation haut-niveau (Java, C#, C/C++, MPI, OpenMP, OpenCL), la programmation d’un FPGA requiert la spécification d’un circuit numérique, ce qui représente un obstacle majeur à leur plus grande adoption. La description de circuits numériques est généralement exprimée au moyen d’un langage concurrent pour lequel le niveau d’abstraction se situe au niveau des transferts entre registres (RTL), tels les langages VHDL et Verilog. Pour une application donnée, la réalisation d’un circuit numérique spécialisé requiert typiquement un effort de conception significativement plus grand qu’une réalisation logicielle. Il existe aujourd’hui différents outils académiques et commerciaux permettant la synthèse haut-niveau de circuits numériques en partant de descriptions C/C++/SystemC, et plus récemment OpenCL. Cependant, selon l’application considérée, ces outils ne permettent pas toujours d’obtenir des performances comparables à celles qui peuvent être obtenues avec une description RTL produite manuellement. On s’intéresse dans ce travail à un outil de synthèse de niveau intermédiaire offrant un compromis entre les performances atteignables au moyen d’une méthode de conception RTL, ainsi que les temps de conception que permet la synthèse à haut-niveau.----------ABSTRACT Beyond modern multi/many-cores processors, the world of computing is also caracterized by the use of dedicated circuits implemented on Field-Programmable Gate-Arrays (FPGAs). For many reasons, modern FPGAs have become interesting targets for high-performance computing applications. On one hand, their integration of considerable amounts of IP blocks (processors, memories, DSPs) has contributed to reduce the resource/performance gap that exist with Application Specific Integrated Devices (ASICs). A gap that is easily explained by the high-level of reconfigurability that these devices provide, a feature for which a considerable amount of resources (transistors) must be dedicated. Nevertheless, in a context where often more transistors are often available than it is needed or required, the impact of such a cost is less important. The ability to reconfigure completely or partially modern FPGAs further offer the flexibility required to support multiple different applications over time, similarly to instruction processors. However, while instruction processors can be programmed with different high abstraction level software programming languages (Java, C#, C/C++, MPI, OpenMP, OpenCL), FPGA programming typically requires the specification of a hardware design, which is a major obstacle to their widespread use. The description of a hardware design is generally done at the register-transfer level (RTL), using hardware description languages (HDLs) such as VHDL and Verilog. For a given application, the design and verification of a dedicated circuit requires a significantly more important effort than a software implementation. Nowadays, numerous commercial and academic tools allow the high-level synthesis of hardware designs starting from a software description using programming languages such as C/C++/SystemC, and more recently OpenCL. Nevertheless, depending on the application considered, at current state of the art, these tools do not allow performances that matches those which can be obtained through hand-made RTL designs. In this work, we consider an intermediate-level synthesis methodology offering a compromise between the performances and design times that can be obtained with RTL and high-level synthesis methodologies. We consider an input hardware description language that allows the description of algorithmic state machines (ASMs) handling connections between sources and sinks with predefined streaming interfaces. These interfaces are similar AXI4-Streaming and Avalon-Streaming interfaces, featuring ready-to-send/ready-to-receive synchronisation signals