669 research outputs found

    High performance communication on reconfigurable clusters

    Get PDF
    High Performance Computing (HPC) has matured to where it is an essential third pillar, along with theory and experiment, in most domains of science and engineering. Communication latency is a key factor that is limiting the performance of HPC, but can be addressed by integrating communication into accelerators. This integration allows accelerators to communicate with each other without CPU interactions, and even bypassing the network stack. Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) are the accelerators that currently best integrate communication with computation. The large number of Multi-gigabit Transceivers (MGTs) on most high-end FPGAs can provide high-bandwidth and low-latency inter-FPGA connections. Additionally, the reconfigurable FPGA fabric enables tight coupling between computation kernel and network interface. Our thesis is that an application-aware communication infrastructure for a multi-FPGA system makes substantial progress in solving the HPC communication bottleneck. This dissertation aims to provide an application-aware solution for communication infrastructure for FPGA-centric clusters. Specifically, our solution demonstrates application-awareness across multiple levels in the network stack, including low-level link protocols, router microarchitectures, routing algorithms, and applications. We start by investigating the low-level link protocol and the impact of its latency variance on performance. Our results demonstrate that, although some link jitter is always present, we can still assume near-synchronous communication on an FPGA-cluster. This provides the necessary condition for statically-scheduled routing. We then propose two novel router microarchitectures for two different kinds of workloads: a wormhole Virtual Channel (VC)-based router for workloads with dynamic communication, and a statically-scheduled Virtual Output Queueing (VOQ)-based router for workloads with static communication. For the first (VC-based) router, we propose a framework that generates application-aware router configurations. Our results show that, by adding application-awareness into router configuration, the network performance of FPGA clusters can be substantially improved. For the second (VOQ-based) router, we propose a novel offline collective routing algorithm. This shows a significant advantage over a state-of-the-art collective routing algorithm. We apply our communication infrastructure to a critical strong-scaling HPC kernel, the 3D FFT. The experimental results demonstrate that the performance of our design is faster than that on CPUs and GPUs by at least one order of magnitude (achieving strong scaling for the target applications). Surprisingly, the FPGA cluster performance is similar to that of an ASIC-cluster. We also implement the 3D FFT on another multi-FPGA platform: the Microsoft Catapult II cloud. Its performance is also comparable or superior to CPU and GPU HPC clusters. The second application we investigate is Molecular Dynamics Simulation (MD). We model MD on both FPGA clouds and clusters. We find that combining processing and general communication in the same device leads to extremely promising performance and the prospect of MD simulations well into the us/day range with a commodity cloud

    Interconnect architectures for dynamically partially reconfigurable systems

    Get PDF
    Dynamically partially reconfigurable FPGAs (Field-Programmable Gate Arrays) allow hardware modules to be placed and removed at runtime while other parts of the system keep working. With their potential benefits, they have been the topic of a great deal of research over the last decade. To exploit the partial reconfiguration capability of FPGAs, there is a need for efficient, dynamically adaptive communication infrastructure that automatically adapts as modules are added to and removed from the system. Many bus and network-on-chip (NoC) architectures have been proposed to exploit this capability on FPGA technology. However, few realizations have been reported in the public literature to demonstrate or compare their performance in real world applications. While partial reconfiguration can offer many benefits, it is still rarely exploited in practical applications. Few full realizations of partially reconfigurable systems in current FPGA technologies have been published. More application experiments are required to understand the benefits and limitations of implementing partially reconfigurable systems and to guide their further development. The motivation of this thesis is to fill this research gap by providing empirical evidence of the cost and benefits of different interconnect architectures. The results will provide a baseline for future research and will be directly useful for circuit designers who must make a well-reasoned choice between the alternatives. This thesis contains the results of experiments to compare different NoC and bus interconnect architectures for FPGA-based designs in general and dynamically partially reconfigurable systems. These two interconnect schemes are implemented and evaluated in terms of performance, area and power consumption using FFT (Fast Fourier Transform) andANN(Artificial Neural Network) systems as benchmarks. Conclusions drawn from these results include recommendations concerning the interconnect approach for different kinds of applications. It is found that a NoC provides much better performance than a single channel bus and similar performance to a multi-channel bus in both parallel and parallel-pipelined FFT systems. This suggests that a NoC is a better choice for systems with multiple simultaneous communications like the FFT. Bus-based interconnect achieves better performance and consume less area and power than NoCbased scheme for the fully-connected feed-forward NN system. This suggests buses are a better choice for systems that do not require many simultaneous communications or systems with broadcast communications like a fully-connected feed-forward NN. Results from the experiments with dynamic partial reconfiguration demonstrate that buses have the advantages of better resource utilization and smaller reconfiguration time and memory than NoCs. However, NoCs are more flexible and expansible. They have the advantage of placing almost all of the communication infrastructure in the dynamic reconfiguration region. This means that different applications running on the FPGA can use different interconnection strategies without the overhead of fixed bus resources in the static region. Another objective of the research is to examine the partial reconfiguration process and reconfiguration overhead with current FPGA technologies. Partial reconfiguration allows users to efficiently change the number of running PEs to choose an optimal powerperformance operating point at the minimum cost of reconfiguration. However, this brings drawbacks including resource utilization inefficiency, power consumption overhead and decrease in system operating frequency. The experimental results report a 50% of resource utilization inefficiency with a power consumption overhead of less than 5% and a decrease in frequency of up to 32% compared to a static implementation. The results also show that most of the drawbacks of partial reconfiguration implementation come from the restrictions and limitations of partial reconfiguration design flow. If these limitations can be addressed, partial reconfiguration should still be considered with its potential benefits.Thesis (Ph.D.) -- University of Adelaide, School of Electrical and Electronic Engineering, 201

    Cross-Layer Rapid Prototyping and Synthesis of Application-Specific and Reconfigurable Many-accelerator Platforms

    Get PDF
    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

    Experimental survey of FPGA-based monolithic switches and a novel queue balancer

    Get PDF
    This paper studies small to medium-sized monolithic switches for FPGA implementation and presents a novel switch design that achieves high algorithmic performance and FPGA implementation efficiency. Crossbar switches based on virtual output queues (VOQs) and variations have been rather popular for implementing switches on FPGAs, with applications in network switches, memory interconnects, network-on-chip (NoC) routers etc. The implementation efficiency of crossbar-based switches is well-documented on ASICs, though we show that their disadvantages can outweigh their advantages on FPGAs. One of the most important challenges in such input-queued switches is the requirement for iterative scheduling algorithms. In contrast to ASICs, this is more harmful on FPGAs, as the reduced operating frequency and narrower packets cannot “hide” multiple iterations of scheduling that are required to achieve a modest scheduling performance.Our proposed design uses an output-queued switch internally for simplifying scheduling, and a queue balancing technique to avoid queue fragmentation and reduce the need for memory-sharing VOQs. Its implementation approaches the scheduling performance of a state-of-the-art FPGA-based switch, while requiring considerably fewer resources

    Automated Hardware Prototyping for 3D Network on Chips

    Get PDF
    Vor mehr als 50 Jahren stellte Intel® Mitbegründer Gordon Moore eine Prognose zum Entwicklungsprozess der Transistortechnologie auf. Er prognostizierte, dass sich die Zahl der Transistoren in integrierten Schaltungen alle zwei Jahre verdoppeln wird. Seine Aussage ist immer noch gültig, aber ein Ende von Moores Gesetz ist in Sicht. Mit dem Ende von Moore’s Gesetz müssen neue Aspekte untersucht werden, um weiterhin die Leistung von integrierten Schaltungen zu steigern. Zwei mögliche Ansätze für "More than Moore” sind 3D-Integrationsverfahren und heterogene Systeme. Gleichzeitig entwickelt sich ein Trend hin zu Multi-Core Prozessoren, basierend auf Networks on chips (NoCs). Neben dem Ende des Mooreschen Gesetzes ergeben sich bei immer kleiner werdenden Technologiegrößen, vor allem jenseits der 60 nm, neue Herausforderungen. Eine Schwierigkeit ist die Wärmeableitung in großskalierten integrierten Schaltkreisen und die daraus resultierende Überhitzung des Chips. Um diesem Problem in modernen Multi-Core Architekturen zu begegnen, muss auch die Verlustleistung der Netzwerkressourcen stark reduziert werden. Diese Arbeit umfasst eine durch Hardware gesteuerte Kombination aus Frequenzskalierung und Power Gating für 3D On-Chip Netzwerke, einschließlich eines FPGA Prototypen. Dafür wurde ein Takt-synchrones 2D Netzwerk auf ein dreidimensionales asynchrones Netzwerk mit mehreren Frequenzbereichen erweitert. Zusätzlich wurde ein skalierbares Online-Power-Management System mit geringem Ressourcenaufwand entwickelt. Die Verifikation neuer Hardwarekomponenten ist einer der zeitaufwendigsten Schritte im Entwicklungsprozess hochintegrierter digitaler Schaltkreise. Um diese Aufgabe zu beschleunigen und um eine parallele Softwareentwicklung zu ermöglichen, wurde im Rahmen dieser Arbeit ein automatisiertes und benutzerfreundliches Tool für den Entwurf neuer Hardware Projekte entwickelt. Eine grafische Benutzeroberfläche zum Erstellen des gesamten Designablaufs, vom Erstellen der Architektur, Parameter Deklaration, Simulation, Synthese und Test ist Teil dieses Werkzeugs. Zudem stellt die Größe der Architektur für die Erstellung eines Prototypen eine besondere Herausforderung dar. Frühere Arbeiten haben es versäumt, eine schnelles und unkompliziertes Prototyping, insbesondere von Architekturen mit mehr als 50 Prozessorkernen, zu realisieren. Diese Arbeit umfasst eine Design Space Exploration und FPGA-basierte Prototypen von verschiedenen 3D-NoC Implementierungen mit mehr als 80 Prozessoren

    Circuit design and analysis for on-FPGA communication systems

    No full text
    On-chip communication system has emerged as a prominently important subject in Very-Large- Scale-Integration (VLSI) design, as the trend of technology scaling favours logics more than interconnects. Interconnects often dictates the system performance, and, therefore, research for new methodologies and system architectures that deliver high-performance communication services across the chip is mandatory. The interconnect challenge is exacerbated in Field-Programmable Gate Array (FPGA), as a type of ASIC where the hardware can be programmed post-fabrication. Communication across an FPGA will be deteriorating as a result of interconnect scaling. The programmable fabrics, switches and the specific routing architecture also introduce additional latency and bandwidth degradation further hindering intra-chip communication performance. Past research efforts mainly focused on optimizing logic elements and functional units in FPGAs. Communication with programmable interconnect received little attention and is inadequately understood. This thesis is among the first to research on-chip communication systems that are built on top of programmable fabrics and proposes methodologies to maximize the interconnect throughput performance. There are three major contributions in this thesis: (i) an analysis of on-chip interconnect fringing, which degrades the bandwidth of communication channels due to routing congestions in reconfigurable architectures; (ii) a new analogue wave signalling scheme that significantly improves the interconnect throughput by exploiting the fundamental electrical characteristics of the reconfigurable interconnect structures. This new scheme can potentially mitigate the interconnect scaling challenges. (iii) a novel Dynamic Programming (DP)-network to provide adaptive routing in network-on-chip (NoC) systems. The DP-network architecture performs runtime optimization for route planning and dynamic routing which, effectively utilizes the in-silicon bandwidth. This thesis explores a new horizon in reconfigurable system design, in which new methodologies and concepts are proposed to enhance the on-FPGA communication throughput performance that is of vital importance in new technology processes
    corecore