Cognitive Radio Programming: Existing Solutions and Open Issues

Software defined radio (sdr) technology has evolved rapidly and is now reaching market maturity, providing solutions for cognitive radio applications. Still, a lot of issues have yet to be studied. In this paper, we highlight the constraints imposed by recent radio protocols and we present current architectures and solutions for programming sdr. We also list the challenges to overcome in order to reach mastery of future cognitive radios systems.La radio logicielle a évolué rapidement pour atteindre la maturité nécessaire pour être mise sur le marché, offrant de nouvelles solutions pour les applications de radio cognitive. Cependant, beaucoup de problèmes restent à étudier. Dans ce papier, nous présentons les contraintes imposées par les nouveaux protocoles radios, les architectures matérielles existantes ainsi que les solutions pour les programmer. De plus, nous listons les difficultés à surmonter pour maitriser les futurs systèmes de radio cognitive

Intrinsically Evolvable Artificial Neural Networks

Dedicated hardware implementations of neural networks promise to provide faster, lower power operation when compared to software implementations executing on processors. Unfortunately, most custom hardware implementations do not support intrinsic training of these networks on-chip. The training is typically done using offline software simulations and the obtained network is synthesized and targeted to the hardware offline. The FPGA design presented here facilitates on-chip intrinsic training of artificial neural networks. Block-based neural networks (BbNN), the type of artificial neural networks implemented here, are grid-based networks neuron blocks. These networks are trained using genetic algorithms to simultaneously optimize the network structure and the internal synaptic parameters. The design supports online structure and parameter updates, and is an intrinsically evolvable BbNN platform supporting functional-level hardware evolution. Functional-level evolvable hardware (EHW) uses evolutionary algorithms to evolve interconnections and internal parameters of functional modules in reconfigurable computing systems such as FPGAs. Functional modules can be any hardware modules such as multipliers, adders, and trigonometric functions. In the implementation presented, the functional module is a neuron block. The designed platform is suitable for applications in dynamic environments, and can be adapted and retrained online. The online training capability has been demonstrated using a case study. A performance characterization model for RC implementations of BbNNs has also been presented

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

Modeling and Mapping of Optimized Schedules for Embedded Signal Processing Systems

The demand for Digital Signal Processing (DSP) in embedded systems has been increasing rapidly due to the proliferation of multimedia- and communication-intensive devices such as pervasive tablets and smart phones. Efficient implementation of embedded DSP systems requires integration of diverse hardware and software components, as well as dynamic workload distribution across heterogeneous computational resources. The former implies increased complexity of application modeling and analysis, but also brings enhanced potential for achieving improved energy consumption, cost or performance. The latter results from the increased use of dynamic behavior in embedded DSP applications. Furthermore, parallel programming is highly relevant in many embedded DSP areas due to the development and use of Multiprocessor System-On-Chip (MPSoC) technology. The need for efficient cooperation among different devices supporting diverse parallel embedded computations motivates high-level modeling that expresses dynamic signal processing behaviors and supports efficient task scheduling and hardware mapping. Starting with dynamic modeling, this thesis develops a systematic design methodology that supports functional simulation and hardware mapping of dynamic reconfiguration based on Parameterized Synchronous Dataflow (PSDF) graphs. By building on the DIF (Dataflow Interchange Format), which is a design language and associated software package for developing and experimenting with dataflow-based design techniques for signal processing systems, we have developed a novel tool for functional simulation of PSDF specifications. This simulation tool allows designers to model applications in PSDF and simulate their functionality, including use of the dynamic parameter reconfiguration capabilities offered by PSDF. With the help of this simulation tool, our design methodology helps to map PSDF specifications into efficient implementations on field programmable gate arrays (FPGAs). Furthermore, valid schedules can be derived from the PSDF models at runtime to adapt hardware configurations based on changing data characteristics or operational requirements. Under certain conditions, efficient quasi-static schedules can be applied to reduce overhead and enhance predictability in the scheduling process. Motivated by the fact that scheduling is critical to performance and to efficient use of dynamic reconfiguration, we have focused on a methodology for schedule design, which complements the emphasis on automated schedule construction in the existing literature on dataflow-based design and implementation. In particular, we have proposed a dataflow-based schedule design framework called the dataflow schedule graph (DSG), which provides a graphical framework for schedule construction based on dataflow semantics, and can also be used as an intermediate representation target for automated schedule generation. Our approach to applying the DSG in this thesis emphasizes schedule construction as a design process rather than an outcome of the synthesis process. Our approach employs dataflow graphs for representing both application models and schedules that are derived from them. By providing a dataflow-integrated framework for unambiguously representing, analyzing, manipulating, and interchanging schedules, the DSG facilitates effective codesign of dataflow-based application models and schedules for execution of these models. As multicore processors are deployed in an increasing variety of embedded image processing systems, effective utilization of resources such as multiprocessor systemon-chip (MPSoC) devices, and effective handling of implementation concerns such as memory management and I/O become critical to developing efficient embedded implementations. However, the diversity and complexity of applications and architectures in embedded image processing systems make the mapping of applications onto MPSoCs difficult. We help to address this challenge through a structured design methodology that is built upon the DSG modeling framework. We refer to this methodology as the DEIPS methodology (DSG-based design and implementation of Embedded Image Processing Systems). The DEIPS methodology provides a unified framework for joint consideration of DSG structures and the application graphs from which they are derived, which allows designers to integrate considerations of parallelization and resource constraints together with the application modeling process. We demonstrate the DEIPS methodology through cases studies on practical embedded image processing systems

FireFly: A High-Throughput and Reconfigurable Hardware Accelerator for Spiking Neural Networks

Spiking neural networks (SNNs) have been widely used due to their strong biological interpretability and high energy efficiency. With the introduction of the backpropagation algorithm and surrogate gradient, the structure of spiking neural networks has become more complex, and the performance gap with artificial neural networks has gradually decreased. However, most SNN hardware implementations for field-programmable gate arrays (FPGAs) cannot meet arithmetic or memory efficiency requirements, which significantly restricts the development of SNNs. They do not delve into the arithmetic operations between the binary spikes and synaptic weights or assume unlimited on-chip RAM resources by using overly expensive devices on small tasks. To improve arithmetic efficiency, we analyze the neural dynamics of spiking neurons, generalize the SNN arithmetic operation to the multiplex-accumulate operation, and propose a high-performance implementation of such operation by utilizing the DSP48E2 hard block in Xilinx Ultrascale FPGAs. To improve memory efficiency, we design a memory system to enable efficient synaptic weights and membrane voltage memory access with reasonable on-chip RAM consumption. Combining the above two improvements, we propose an FPGA accelerator that can process spikes generated by the firing neuron on-the-fly (FireFly). FireFly is implemented on several FPGA edge devices with limited resources but still guarantees a peak performance of 5.53TSOP/s at 300MHz. As a lightweight accelerator, FireFly achieves the highest computational density efficiency compared with existing research using large FPGA devices