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

Design and Programming Methods for Reconfigurable Multi-Core Architectures using a Network-on-Chip-Centric Approach

A current trend in the semiconductor industry is the use of Multi-Processor Systems-on-Chip (MPSoCs) for a wide variety of applications such as image processing, automotive, multimedia, and robotic systems. Most applications gain performance advantages by executing parallel tasks on multiple processors due to the inherent parallelism. Moreover, heterogeneous structures provide high performance/energy efficiency, since application-specific processing elements (PEs) can be exploited. The increasing number of heterogeneous PEs leads to challenging communication requirements. To overcome this challenge, Networks-on-Chip (NoCs) have emerged as scalable on-chip interconnect. Nevertheless, NoCs have to deal with many design parameters such as virtual channels, routing algorithms and buffering techniques to fulfill the system requirements. This thesis highly contributes to the state-of-the-art of FPGA-based MPSoCs and NoCs. In the following, the three major contributions are introduced. As a first major contribution, a novel router concept is presented that efficiently utilizes communication times by performing sequences of arithmetic operations on the data that is transferred. The internal input buffers of the routers are exchanged with processing units that are capable of executing operations. Two different architectures of such processing units are presented. The first architecture provides multiply and accumulate operations which are often used in signal processing applications. The second architecture introduced as Application-Specific Instruction Set Routers (ASIRs) contains a processing unit capable of executing any operation and hence, it is not limited to multiply and accumulate operations. An internal processing core located in ASIRs can be developed in C/C++ using high-level synthesis. The second major contribution comprises application and performance explorations of the novel router concept. Models that approximate the achievable speedup and the end-to-end latency of ASIRs are derived and discussed to show the benefits in terms of performance. Furthermore, two applications using an ASIR-based MPSoC are implemented and evaluated on a Xilinx Zynq SoC. The first application is an image processing algorithm consisting of a Sobel filter, an RGB-to-Grayscale conversion, and a threshold operation. The second application is a system that helps visually impaired people by navigating them through unknown indoor environments. A Light Detection and Ranging (LIDAR) sensor scans the environment, while Inertial Measurement Units (IMUs) measure the orientation of the user to generate an audio signal that makes the distance as well as the orientation of obstacles audible. This application consists of multiple parallel tasks that are mapped to an ASIR-based MPSoC. Both applications show the performance advantages of ASIRs compared to a conventional NoC-based MPSoC. Furthermore, dynamic partial reconfiguration in terms of relocation and security aspects are investigated. The third major contribution refers to development and programming methodologies of NoC-based MPSoCs. A software-defined approach is presented that combines the design and programming of heterogeneous MPSoCs. In addition, a Kahn-Process-Network (KPN) –based model is designed to describe parallel applications for MPSoCs using ASIRs. The KPN-based model is extended to support not only the mapping of tasks to NoC-based MPSoCs but also the mapping to ASIR-based MPSoCs. A static mapping methodology is presented that assigns tasks to ASIRs and processors for a given KPN-model. The impact of external hardware components such as sensors, actuators and accelerators connected to the processors is also discussed which makes the approach of high interest for embedded systems

The review of heterogeneous design frameworks/Platforms for digital systems embedded in FPGAs and SoCs

Systems-on-a-chip integrate specialized modules to provide well-defined functionality. In order to guarantee its efficiency, designersare careful to choose high-level electronic components. In particular,FPGAs (field-programmable gate array) have demonstrated theirability to meet the requirements of emerging technology. However,traditional design methods cannot keep up with the speed andefficiency imposed by the embedded systems industry, so severalframeworks have been developed to simplify the design process of anelectronic system, from its modeling to its physical implementation.This paper illustrates some of them and presents a comparative studybetween them. Indeed, we have selected design methods of SoC(ESP4ML and HLS4ML, OpenESP, LiteX, RubyRTL, PyMTL,SysPy, PyRTL, DSSoC) and NoC networks on OCN chip (PyOCN)and in general on FPGA (PRGA, OpenFPGA, AnyHLS, PYNQ, andPyLog).The objective of this article is to analyze each tool at several levelsand to discuss the benefit of each in the scientific community. Wewill analyze several aspects constituting the architecture and thestructure of the platforms to make a comparative study of thehardware and software design flows of digital systems.

Just In Time Assembly (JITA) - A Run Time Interpretation Approach for Achieving Productivity of Creating Custom Accelerators in FPGAs

The reconfigurable computing community has yet to be successful in allowing programmers to access FPGAs through traditional software development flows. Existing barriers that prevent programmers from using FPGAs include: 1) knowledge of hardware programming models, 2) the need to work within the vendor specific CAD tools and hardware synthesis. This thesis presents a series of published papers that explore different aspects of a new approach being developed to remove the barriers and enable programmers to compile accelerators on next generation reconfigurable manycore architectures. The approach is entitled Just In Time Assembly (JITA) of hardware accelerators. The approach has been defined to allow hardware accelerators to be built and run through software compilation and run time interpretation outside of CAD tools and without requiring each new accelerator to be synthesized. The approach advocates the use of libraries of pre-synthesized components that can be referenced through symbolic links in a similar fashion to dynamically linked software libraries. Synthesis still must occur but is moved out of the application programmers software flow and into the initial coding process that occurs when programming patterns that define a Domain Specific Language (DSL) are first coded. Programmers see no difference between creating software or hardware functionality when using the DSL. A new run time interpreter is introduced to assemble the individual pre-synthesized hardware accelerators that comprise the accelerator functionality within a configurable tile array of partially reconfigurable slots at run time. Quantitative results are presented that compares utilization, performance, and productivity of the approach to what would be achieved by full custom accelerators created through traditional CAD flows using hardware programming models and passing through synthesis

Toolflows for Mapping Convolutional Neural Networks on FPGAs: A Survey and Future Directions

In the past decade, Convolutional Neural Networks (CNNs) have demonstrated state-of-the-art performance in various Artificial Intelligence tasks. To accelerate the experimentation and development of CNNs, several software frameworks have been released, primarily targeting power-hungry CPUs and GPUs. In this context, reconfigurable hardware in the form of FPGAs constitutes a potential alternative platform that can be integrated in the existing deep learning ecosystem to provide a tunable balance between performance, power consumption and programmability. In this paper, a survey of the existing CNN-to-FPGA toolflows is presented, comprising a comparative study of their key characteristics which include the supported applications, architectural choices, design space exploration methods and achieved performance. Moreover, major challenges and objectives introduced by the latest trends in CNN algorithmic research are identified and presented. Finally, a uniform evaluation methodology is proposed, aiming at the comprehensive, complete and in-depth evaluation of CNN-to-FPGA toolflows.Comment: Accepted for publication at the ACM Computing Surveys (CSUR) journal, 201