Accelerating Reconfigurable Financial Computing

This thesis proposes novel approaches to the design, optimisation, and management of reconfigurable computer accelerators for financial computing. There are three contributions. First, we propose novel reconfigurable designs for derivative pricing using both Monte-Carlo and quadrature methods. Such designs involve exploring techniques such as control variate optimisation for Monte-Carlo, and multi-dimensional analysis for quadrature methods. Significant speedups and energy savings are achieved using our Field-Programmable Gate Array (FPGA) designs over both Central Processing Unit (CPU) and Graphical Processing Unit (GPU) designs. Second, we propose a framework for distributing computing tasks on multi-accelerator heterogeneous clusters. In this framework, different computational devices including FPGAs, GPUs and CPUs work collaboratively on the same financial problem based on a dynamic scheduling policy. The trade-off in speed and in energy consumption of different accelerator allocations is investigated. Third, we propose a mixed precision methodology for optimising Monte-Carlo designs, and a reduced precision methodology for optimising quadrature designs. These methodologies enable us to optimise throughput of reconfigurable designs by using datapaths with minimised precision, while maintaining the same accuracy of the results as in the original designs

Quantifying the latency benefits of near-edge and in-network FPGA acceleration

Transmitting data to cloud datacenters in distributed IoT applications introduces significant communication latency, but is often the only feasible solution when source nodes are computationally limited. To address latency concerns, cloudlets, in-network computing, and more capable edge nodes are all being explored as a way of moving processing capability towards the edge of the network. Hardware acceleration using Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) is also seeing increased interest due to reduced computation latency and improved efficiency. This paper evaluates the the implications of these offloading approaches using a case study neural network based image classification application, quantifying both the computation and communication latency resulting from different platform choices. We consider communication latency including the ingestion of packets for processing on the target platform, showing that this varies significantly with the choice of platform. We demonstrate that emerging in-network accelerator approaches offer much improved and predictable performance as well as better scaling to support multiple data sources

Fast and energy-efficient derivatives risk analysis: Streaming option Greeks on Xilinx and Intel FPGAs

Whilst FPGAs have enjoyed success in accelerating high-frequency financial workloads for some time, their use for quantitative finance, which is the use of mathematical models to analyse financial markets and securities, has been far more limited to-date. Currently, CPUs are the most common architecture for such workloads, and an important question is whether FPGAs can ameliorate some of the bottlenecks encountered on those architectures. In this paper we extend our previous work accelerating the industry standard Securities Technology Analysis Center's (STAC\textregistered) derivatives risk analysis benchmark STAC-A2\texttrademark{}, by first porting this from our previous Xilinx implementation to an Intel Stratix-10 FPGA, exploring the challenges encountered when moving from one FPGA architecture to another and suitability of techniques. We then present a host-data-streaming approach that ultimately outperforms our previous version on a Xilinx Alveo U280 FPGA by up to 4.6 times and requiring 9 times less energy at the largest problem size, while outperforming the CPU and GPU versions by up to 8.2 and 5.2 times respectively. The result of this work is a significant enhancement in FPGA performance against the previous version for this industry standard benchmark running on both Xilinx and Intel FPGAs, and furthermore an exploration of optimisation and porting techniques that can be applied to other HPC workloads.Comment: Accepted version of paper that appeared in 2022 IEEE/ACM International Workshop on Heterogeneous High-performance Reconfigurable Computing (H2RC). arXiv admin note: text overlap with arXiv:2206.0371

ASC: A stream compiler for computing with FPGAs

Published versio

Algorithm/Architecture Co-Exploration of Visual Computing: Overview and Future Perspectives

Concurrently exploring both algorithmic and architectural optimizations is a new design paradigm. This survey paper addresses the latest research and future perspectives on the simultaneous development of video coding, processing, and computing algorithms with emerging platforms that have multiple cores and reconfigurable architecture. As the algorithms in forthcoming visual systems become increasingly complex, many applications must have different profiles with different levels of performance. Hence, with expectations that the visual experience in the future will become continuously better, it is critical that advanced platforms provide higher performance, better flexibility, and lower power consumption. To achieve these goals, algorithm and architecture co-design is significant for characterizing the algorithmic complexity used to optimize targeted architecture. This paper shows that seamless weaving of the development of previously autonomous visual computing algorithms and multicore or reconfigurable architectures will unavoidably become the leading trend in the future of video technology

Bit Fusion: Bit-Level Dynamically Composable Architecture for Accelerating Deep Neural Networks

Fully realizing the potential of acceleration for Deep Neural Networks (DNNs) requires understanding and leveraging algorithmic properties. This paper builds upon the algorithmic insight that bitwidth of operations in DNNs can be reduced without compromising their classification accuracy. However, to prevent accuracy loss, the bitwidth varies significantly across DNNs and it may even be adjusted for each layer. Thus, a fixed-bitwidth accelerator would either offer limited benefits to accommodate the worst-case bitwidth requirements, or lead to a degradation in final accuracy. To alleviate these deficiencies, this work introduces dynamic bit-level fusion/decomposition as a new dimension in the design of DNN accelerators. We explore this dimension by designing Bit Fusion, a bit-flexible accelerator, that constitutes an array of bit-level processing elements that dynamically fuse to match the bitwidth of individual DNN layers. This flexibility in the architecture enables minimizing the computation and the communication at the finest granularity possible with no loss in accuracy. We evaluate the benefits of BitFusion using eight real-world feed-forward and recurrent DNNs. The proposed microarchitecture is implemented in Verilog and synthesized in 45 nm technology. Using the synthesis results and cycle accurate simulation, we compare the benefits of Bit Fusion to two state-of-the-art DNN accelerators, Eyeriss and Stripes. In the same area, frequency, and process technology, BitFusion offers 3.9x speedup and 5.1x energy savings over Eyeriss. Compared to Stripes, BitFusion provides 2.6x speedup and 3.9x energy reduction at 45 nm node when BitFusion area and frequency are set to those of Stripes. Scaling to GPU technology node of 16 nm, BitFusion almost matches the performance of a 250-Watt Titan Xp, which uses 8-bit vector instructions, while BitFusion merely consumes 895 milliwatts of power

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

Profile driven dataflow optimisation of mean shift visual tracking

Profile guided optimisation is a common technique used by compilers and runtime systems to shorten execution runtimes and to optimise locality aware scheduling and memory access on heterogeneous hardware platforms. Some profiling tools trace the execution of low level code, whilst others are designed for abstract models of computation to provide rich domain-specific context in profiling reports. We have implemented mean shift, a computer vision tracking algorithm, in the RVC-CAL dataflow language and use both dynamic runtime and static dataflow profiling mechanisms to identify and eliminate bottlenecks in our naive initial version. We use these profiling reports to tune the CPU scheduler reducing runtime by 88%, and to optimise our dataflow implementation that reduces runtime by a further 43% - an overall runtime reduction of 93%. We also assess the portability of our mean shift optimisations by trading off CPU runtime against resource utilisation on FPGAs. Applying all dataflow optimisations reduces FPGA design space significantly, requiring fewer slice LUTs and less block memory