Genomic co-processor for long read assembly

Genomics data is transforming medicine and our understanding of life in fundamental ways; however, it is far outpacing Moore's Law. Third-generation sequencing technologies produce 100X longer reads than second generation technologies and reveal a much broader mutation spectrum of disease and evolution. However, these technologies incur prohibitively high computational costs. In order to enable the vast potential of exponentially growing genomics data, domain specific acceleration provides one of the few remaining approaches to continue to scale compute performance and efficiency, since general-purpose architectures are struggling to handle the huge amount of data needed for genome alignment. The aim of this project is to implement a genomic-coprocessor targeting HPC FPGAs starting from the Darwin FPGA co-processor. In this scenario, the final objective is the simulation and implementation of the algorithms described by Darwin using Alveo boards, exploiting High Bandwidth Memory (HBM) to increase its performance

LEGaTO: first steps towards energy-efficient toolset for heterogeneous computing

LEGaTO is a three-year EU H2020 project which started in December 2017. The LEGaTO project will leverage task-based programming models to provide a software ecosystem for Made-in-Europe heterogeneous hardware composed of CPUs, GPUs, FPGAs and dataflow engines. The aim is to attain one order of magnitude energy savings from the edge to the converged cloud/HPC.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Array-specific dataflow caches for high-level synthesis of memory-intensive algorithms on FPGAs

Designs implemented on field-programmable gate arrays (FPGAs) via high-level synthesis (HLS) suffer from off-chip memory latency and bandwidth bottlenecks. FPGAs can access both large but slow off-chip memories (DRAM), and fast but small on-chip memories (block RAMs and registers). HLS tools allow exploiting the memory hierarchy in a scratchpad-like fashion, requring a significant manual effort. We propose an automation of the FPGA memory management in Xilinx Vitis HLS through a fully- configurable C++ source-level cache. Each DRAM-mapped array can be associated with a private level 2 (L2) cache with one or more ports, and each port can optionally provide level 1 cache. The L2 cache runs in a separate dataflow task with respect to the application accessing it. This solution isolates off-chip memory accesses and data buffering into dedicated dataflow tasks, resembling the load, compute, store design paradigm, but without the drawback of manual algorithm refactoring. Experimental results collected from FPGA board show that our cache speeds up the execution of a variety of benchmarks by up to 60 times compared to the out-of-the-box solution provided by HLS, requiring very limited optimization effort. Our caches are not meant to compete with manually optimized implementations quality of results (QoR), but rather to significantly save design effort, in exchange for some QoR, to make the HLS flow a bit more software-like, allowing the designer to focus on algorithmic optimizations, rather than on explicit memory management. Moreover, caching could be the only feasible memory optimization for algorithms with data-dependent or irregular memory access patterns, but with good data locality

Reconfigurable Computing and Hardware/Software Codesign

none3Article ID 731830 - EditorialPLAKS T. P; SANTAMBROGIO M. D; D. SCIUTOPLAKS T., P; Santambrogio, MARCO DOMENICO; Sciuto, Donatell

MgX: Near-Zero Overhead Memory Protection with an Application to Secure DNN Acceleration

In this paper, we propose MgX, a near-zero overhead memory protection scheme for hardware accelerators. MgX minimizes the performance overhead of off-chip memory encryption and integrity verification by exploiting the application-specific aspect of accelerators. Accelerators tend to explicitly manage data movement between on-chip and off-chip memory, typically at an object granularity that is much larger than cache lines. Exploiting these accelerator-specific characteristics, MgX generates version numbers used in memory encryption and integrity verification only using on-chip state without storing them in memory, and also customizes the granularity of the memory protection to match the granularity used by the accelerator. To demonstrate the applicability of MgX, we present an in-depth study of MgX for deep neural network (DNN) and also describe implementations for H.264 video decoding and genome alignment. Experimental results show that applying MgX has less than 1% performance overhead for both DNN inference and training on state-of-the-art DNN architectures

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

Domain-Specific Computing Architectures and Paradigms

We live in an exciting era where artificial intelligence (AI) is fundamentally shifting the dynamics of industries and businesses around the world. AI algorithms such as deep learning (DL) have drastically advanced the state-of-the-art cognition and learning capabilities. However, the power of modern AI algorithms can only be enabled if the underlying domain-specific computing hardware can deliver orders of magnitude more performance and energy efficiency. This work focuses on this goal and explores three parts of the domain-specific computing acceleration problem; encapsulating specialized hardware and software architectures and paradigms that support the ever-growing processing demand of modern AI applications from the edge to the cloud. This first part of this work investigates the optimizations of a sparse spatio-temporal (ST) cognitive system-on-a-chip (SoC). This design extracts ST features from videos and leverages sparse inference and kernel compression to efficiently perform action classification and motion tracking. The second part of this work explores the significance of dataflows and reduction mechanisms for sparse deep neural network (DNN) acceleration. This design features a dynamic, look-ahead index matching unit in hardware to efficiently discover fine-grained parallelism, achieving high energy efficiency and low control complexity for a wide variety of DNN layers. Lastly, this work expands the scope to real-time machine learning (RTML) acceleration. A new high-level architecture modeling framework is proposed. Specifically, this framework consists of a set of high-performance RTML-specific architecture design templates, and a Python-based high-level modeling and compiler tool chain for efficient cross-stack architecture design and exploration.PHDElectrical and Computer EngineeringUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttp://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/162870/1/lchingen_1.pd

GME: GPU-based Microarchitectural Extensions to Accelerate Homomorphic Encryption

Fully Homomorphic Encryption (FHE) enables the processing of encrypted data without decrypting it. FHE has garnered significant attention over the past decade as it supports secure outsourcing of data processing to remote cloud services. Despite its promise of strong data privacy and security guarantees, FHE introduces a slowdown of up to five orders of magnitude as compared to the same computation using plaintext data. This overhead is presently a major barrier to the commercial adoption of FHE. While prior efforts recommend moving to custom accelerators to accelerate FHE computing, these solutions lack cost-effectiveness and scalability. In this work, we leverage GPUs to accelerate FHE, capitalizing on a well-established GPU ecosystem that is available in the cloud. We propose GME, which combines three key microarchitectural extensions along with a compile-time optimization to the current AMD CDNA GPU architecture. First, GME integrates a lightweight on-chip compute unit (CU)-side hierarchical interconnect to retain ciphertext in cache across FHE kernels, thus eliminating redundant memory transactions and improving performance. Second, to tackle compute bottlenecks, GME introduces special MOD-units that provide native custom hardware support for modular reduction operations, one of the most commonly executed sets of operations in FHE. Third, by integrating the MOD-unit with our novel pipelined 64-bit integer arithmetic cores (WMAC-units), GME further accelerates FHE workloads by 19%. Finally, we propose a Locality-Aware Block Scheduler (LABS) that improves FHE workload performance, exploiting the temporal locality available in FHE primitive blocks. Incorporating these microarchitectural features and compiler optimizations, we create a synergistic approach achieving average speedups of 796×, 14.2×, and 2.3× over Intel Xeon CPU, NVIDIA V100 GPU, and Xilinx FPGA implementations, respectively