OPTIMIZING HIGH SPEED AND POWER CARRY SAVE ARITHMETIC CIRCUITS USING RISC PROCESSOR

RISC refers to Reduced Instruction Set Computer. Which means the computer that consists of RISC processor contains reduced (simple) instructions for performing necessary and required operations. Any chip if considered as processor, it should have the capability of performing certain operations like arithmetic, logical, control and data transfer. For performing these operations, a processor should contain some major blocks as Control unit (CU), Flexible computational unit (FCU), Program counter (PC), Accumulator, Instruction register, Memory and additional logic. RISC actually enhances the performance of processor by considering the factors like simple architecture construction and instruction set, easy instruction set for decoding and simplified control architecture. This paper proposes a simple 32 bit RISC processor by using Peres reversible logic gates, which is expected to reduce the size then the conventional architecture that is based on carry save logic adder approach. The synthesis and simulation is carried out using XILINX ISE 12.3i and HDL is developed using VHDL language

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

Compiling dataflow graphs into hardware

Department Head: L. Darrell Whitley.2005 Fall.Includes bibliographical references (pages 121-126).Conventional computers are programmed by supplying a sequence of instructions that perform the desired task. A reconfigurable processor is "programmed" by specifying the interconnections between hardware components, thereby creating a "hardwired" system to do the particular task. For some applications such as image processing, reconfigurable processors can produce dramatic execution speedups. However, programming a reconfigurable processor is essentially a hardware design discipline, making programming difficult for application programmers who are only familiar with software design techniques. To bridge this gap, a programming language, called SA-C (Single Assignment C, pronounced "sassy"), has been designed for programming reconfigurable processors. The process involves two main steps - first, the SA-C compiler analyzes the input source code and produces a hardware-independent intermediate representation of the program, called a dataflow graph (DFG). Secondly, this DFG is combined with hardware-specific information to create the final configuration. This dissertation describes the design and implementation of a system that performs the DFG to hardware translation. The DFG is broken up into three sections: the data generators, the inner loop body, and the data collectors. The second of these, the inner loop body, is used to create a computational structure that is unique for each program. The other two sections are implemented by using prebuilt modules, parameterized for the particular problem. Finally, a "glue module" is created to connect the various pieces into a complete interconnection specification. The dissertation also explores optimizations that can be applied while processing the DFG, to improve performance. A technique for pipelining the inner loop body is described that uses an estimation tool for the propagation delay of the nodes within the dataflow graph. A scheme is also described that identifies subgraphs with the dataflow graph that can be replaced with lookup tables. The lookup tables provide a faster implementation than random logic in some instances

High level compilation for gate reconfigurable architectures

Thesis (Ph. D.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Electrical Engineering and Computer Science, 2001.Includes bibliographical references (p. 205-215).A continuing exponential increase in the number of programmable elements is turning management of gate-reconfigurable architectures as "glue logic" into an intractable problem; it is past time to raise this abstraction level. The physical hardware in gate-reconfigurable architectures is all low level - individual wires, bit-level functions, and single bit registers - hence one should look to the fetch-decode-execute machinery of traditional computers for higher level abstractions. Ordinary computers have machine-level architectural mechanisms that interpret instructions - instructions that are generated by a high-level compiler. Efficiently moving up to the next abstraction level requires leveraging these mechanisms without introducing the overhead of machine-level interpretation. In this dissertation, I solve this fundamental problem by specializing architectural mechanisms with respect to input programs. This solution is the key to efficient compilation of high-level programs to gate reconfigurable architectures. My approach to specialization includes several novel techniques. I develop, with others, extensive bitwidth analyses that apply to registers, pointers, and arrays. I use pointer analysis and memory disambiguation to target devices with blocks of embedded memory. My approach to memory parallelization generates a spatial hierarchy that enables easier-to-synthesize logic state machines with smaller circuits and no long wires.(cont.) My space-time scheduling approach integrates the techniques of high-level synthesis with the static routing concepts developed for single-chip multiprocessors. Using DeepC, a prototype compiler demonstrating my thesis, I compile a new benchmark suite to Xilinx Virtex FPGAs. Resulting performance is comparable to a custom MIPS processor, with smaller area (40 percent on average), higher evaluation speeds (2.4x), and lower energy (18x) and energy-delay (45x). Specialization of advanced mechanisms results in additional speedup, scaling with hardware area, at the expense of power. For comparison, I also target IBM's standard cell SA-27E process and the RAW microprocessor. Results include sensitivity analysis to the different mechanisms specialized and a grand comparison between alternate targets.by Jonathan William Babb.Ph.D

Running deep learning applications on resource constrained devices

The high accuracy of Deep Neural Networks (DNN) come at the expense of high computational cost and memory requirements. During inference, the data is often collected on the edge device which are resource-constrained. The existing solutions for edge deployment include i) executing the entire DNN on the edge (EDGE-ONLY), ii) sending the input from edge to cloud where the DNN is processed (CLOUD-ONLY), and iii) splitting the DNN to execute partially on the edge and partially on the cloud (SPLIT). The choice of deployment between EDGE-ONLY, CLOUD-ONLY and SPLIT is determined by several operating constraints such as device resources and network speed, and application constraints such as latency and accuracy. The EDGE-ONLY approach requires compact DNN with low compute and memory requirements. Thus, the emerging class of DNNs employ low-rank convolutions (LRCONVs) which reduce one or more dimensions compared to the spatial convolutions (CONV). Prior research in hardware accelerators has largely focused on CONVs. The LRCONVs such as depthwise and pointwise convolutions exhibit lower arithmetic intensity and lower data reuse. Thus, LRCONVs result in low hardware utilization and high latency. In our first work, we systematically explore the design space of Cross-layer dataflows to exploit data reuse across layers for emerging DNNs in EDGE-ONLY scenarios. We develop novel fine-grain cross-layer dataflows for LRCONVs that support partial loop dimension completion. Our tool, X-Layer decouples the nested loops in a pipeline and combines them to create a common outer dataflow and several inner dataflows. The CLOUD-ONLY approach can suffer from high latency due to the high transmission cost of large input data from the edge to the cloud. This could be a problem, especially for latency-critical applications. Thankfully, the SPLIT approach reduces latency compared to the CLOUD-ONLY approach. However, existing solutions only split the DNN in floating-point precision. Executing floating-point precision on the edge device can occupy large memory and reduce the potential options for SPLIT solutions. In our second work, we expand and explore the search space of SPLIT solutions by jointly applying mixed-precision post-training quantization and DNN graph split. Our work, Auto-Split finds a balance in the trade-off among the model accuracy, edge device capacity, transmission cost, and the overall latency