Cross-Layer Automated Hardware Design for Accuracy-Configurable Approximate Computing

Approximate Computing trades off computation accuracy against performance or energy efficiency. It is a design paradigm that arose in the last decade as an answer to diminishing returns from Dennard\u27s scaling and a shift in the prominent workloads. A range of modern workloads, categorized mainly as recognition, mining, and synthesis, features an inherent tolerance to approximations. Their characteristics, such as redundancies in their input data and robust-to-noise algorithms, allow them to produce outputs of acceptable quality, despite an approximation in some of their computations. Approximate Computing leverages the application tolerance by relaxing the exactness in computation towards primary design goals of increasing performance or improving energy efficiency. Existing techniques span across the abstraction layers of computer systems where cross-layer techniques are shown to offer a larger design space and yield higher savings. Currently, the majority of the existing work aims at meeting a single accuracy. The extent of approximation tolerance, however, significantly varies with a change in input characteristics and applications. In this dissertation, methods and implementations are presented for cross-layer and automated design of accuracy-configurable Approximate Computing to maximally exploit the performance and energy benefits. In particular, this dissertation addresses the following challenges and introduces novel contributions: A main Approximate Computing category in hardware is to scale either voltage or frequency beyond the safe limits for power or performance benefits, respectively. The rationale is that timing errors would be gradual and for an initial range tolerable. This scaling enables a fine-grain accuracy-configurability by varying the timing error occurrence. However, conventional synthesis tools aim at meeting a single delay for all paths within the circuit. Subsequently, with voltage or frequency scaling, either all paths succeed, or a large number of paths fail simultaneously, with a steep increase in error rate and magnitude. This dissertation presents an automated method for minimizing path delays by individually constraining the primary outputs of combinational circuits. As a result, it reduces the number of failing paths and makes the timing errors significantly more gradual, and also rarer and smaller on average. Additionally, it reveals that delays can be significantly reduced towards the least significant bit (LSB) and allows operating at a higher frequency when small operands are computed. Precision scaling, i.e., reducing the representation of data and its accuracy is widely used in multiple abstraction layers in Approximate Computing. Reducing data precision also reduces the transistor toggles, and therefore the dynamic power consumption. Application and architecture level precision scaling results in using only LSBs of the circuit. Arithmetic circuits often have less complexity and logic depth in LSBs compared to most significant bits (MSB). To take advantage of this circuit property, a delay-altering synthesis methodology is proposed. The method finds energy-optimal delay values under configurable precision usage and assigns them to primary outputs used for different precisions. Thereby, it enables dynamic frequency-precision scalable circuits for energy efficiency. Within the hardware architecture, it is possible to instantiate multiple units with the same functionality with different fixed approximation levels, where each block benefits from having fewer transistors and also synthesis relaxations. These blocks can be selected dynamically and thus allow to configure the accuracy during runtime. Instantiating such approximate blocks can be a lower dynamic power but higher area and leakage cost alternative to the current state-of-the-art gating mechanisms which switch off a group of paths in the circuit to reduce the toggling activity. Jointly, instantiating multiple blocks and gating mechanisms produce a large design space of accuracy-configurable hardware, where energy-optimal solutions require a cross-layer search in architecture and circuit levels. To that end, an approximate hardware synthesis methodology is proposed with joint optimizations in architecture and circuit for dynamic accuracy scaling, and thereby it enables energy vs. area trade-offs

Automated Design of Approximate Accelerators

In den letzten zehn Jahren hat das Bedürfnis nach Recheneffizienz die Entwicklung neuer Geräte, Architekturen und Entwurfstechniken motiviert. Approximate Computing hat sich als modernes, energieeffizientes Entwurfsparadigma für Anwendungen herausgestellt, die eine inhärente Fehlertoleranz aufweisen. Wenn die Genauigkeit der Ergebnisse in aktuellen Anwendungen wie Bildverarbeitung, Computer Vision und maschinellem Lernen auf ein akzeptables Maß reduziert wird, können Einsparungen im Schaltungsbereich, bei der Schaltkreisverzögerung und beim Stromverbrauch erzielt werden. Mit dem Aufkommen dieses Approximate Computing Paradigmas wurden in der Literatur viele approximierte Funktionseinheiten angegeben, insbesondere approximierte Addierer und Multiplizierer. Für eine Vielzahl solcher approximierter Schaltkreise und unter Berücksichtigung ihrer Verwendung als Bausteine für den Entwurf von approximierten Beschleunigern für fehlertolerante Anwendungen, ergibt sich eine Herausforderung: die Auswahl dieser approximierten Schaltkreise für eine bestimmte Anwendung, die die erforderlichen Ressourcen minimieren und gleichzeitig eine definierte Genauigkeit erfüllen. Diese Dissertation schlägt automatisierte Methoden zum Entwerfen und Implementieren von approximierten Beschleunigern vor, die aus approximierten arithmetischen Schaltungen aufgebaut sind. Um dies zu erreichen, befasst sich diese Dissertation mit folgenden Herausforderungen und liefert die nachfolgenden neuartigen Beiträge: In der Literatur wurden viele approximierte Addierer und Multiplizierer vorgestellt, indem entweder approximierte Entwürfe aus genauen Implementierungen wie dem Ripple-Carry-Addierer vorgeschlagen oder durch Approximate Logic Synthesis (ALS) Methoden generiert wurden. Ein repräsentativer Satz dieser approximierten Komponenten ist erforderlich, um approximierte Beschleuniger zu bauen. In diesem Sinne präsentiert diese Dissertation zwei Ansätze, um solche approximierte arithmetische Schaltungen zu erstellen. Zunächst wird AUGER vorgestellt, ein Tool, mit dem Register-Transfer Level (RTL) Beschreibungen für einen breiten Satz von approximierten Addierern und Multiplizierer für unterschiedliche Datenbitbreiten- und Genauigkeitskonfigurationen generiert werden können. Mit AUGER kann eine Design Space Exploration (DSE) von approximierten Komponenten durchgeführt werden, um diejenigen zu finden, die für eine gegebene Bitbreite, einen gegebenen Approximationsbereich und eine gegebene Schaltungsmetrik Pareto-optimal sind. Anschließend wird AxLS vorgestellt, ein Framework für ALS, das die Implementierung modernster Methoden und den Vorschlag neuartiger Methoden ermöglicht, um strukturelle Netzlistentransformationen durchzuführen und approximierte arithmetische Schaltungen aus genauen Schaltungen zu generieren. Darüber hinaus bieten beide Werkzeuge eine Fehlercharakterisierung in Form einer Fehlerverteilung und Schaltungseigenschaften (Fläche, Schaltkreisverzögerung und Leistung) für jede von ihnen erzeugte approximierte Schaltung. Diese Informationen sind für das Untersuchungsziel dieser Dissertation von wesentlicher Bedeutung. Trotz der Fehlertoleranz müssen approximierte Beschleuniger so ausgelegt sein, dass sie Genauigkeitsvorgaben erfüllen. Für den Entwurf solcher Beschleuniger unter Verwendung von approximierten arithmetischen Schaltungen ist es daher unerlässlich zu bewerten, wie sich die durch approximierte Schaltungen verursachten Fehler durch andere Berechnungen ausbreiten, entweder genau oder ungenau, und sich schließlich am Ausgang ansammeln. Diese Dissertation schlägt analytische Modelle vor, um die Fehlerpropagation durch genaue und approximierte Berechnungen zu beschreiben. Mit ihnen wird eine automatisierte, compilerbasierte Methodik vorgeschlagen, um die Fehlerpropagation auf approximierten Beschleunigerdesigns abzuschätzen. Diese Methode ist in ein Tool, CEDA, integriert, um schnelle, simulationsfreie Genauigkeitsschätzungen von approximierten Beschleunigermodellen durchzuführen, die unter Verwendung von C-Code beschrieben wurden. Beim Entwurf von approximierten Beschleunigern benötigen sich wiederholende Simulationen auf Gate-Level und die Schaltungssynthese viel Zeit, um viele oder sogar alle möglichen Kombinationen für einen gegebenen Satz von approximierten arithmetischen Schaltungen zu untersuchen. Andererseits basieren aktuelle Trends beim Entwerfen von Beschleunigern auf High-Level Synthesis (HLS) Werkzeugen. In dieser Dissertation werden analytische Modelle zur Schätzung der erforderlichen Rechenressourcen vorgestellt, wenn approximierte Addierer und Multiplizierer in Konstruktionen von approximierten Beschleunigern verwendet werden. Darüber hinaus werden diese Modelle zusammen mit den vorgeschlagenen analytischen Modellen zur Genauigkeitsschätzung in eine DSE-Methodik für fehlertolerante Anwendungen, DSEwam, integriert, um Pareto-optimale oder nahezu Pareto-optimale Lösungen für approximierte Beschleuniger zu identifizieren. DSEwam ist in ein HLS-Tool integriert, um automatisch RTL-Beschreibungen von approximierten Beschleunigern aus C-Sprachbeschreibungen für eine bestimmte Fehlerschwelle und ein bestimmtes Minimierungsziel zu generieren. Die Verwendung von approximierten Beschleunigern muss sicherstellen, dass Fehler, die aufgrund von approximierten Berechnungen erzeugt werden, innerhalb eines definierten Maximalwerts für eine gegebene Genauigkeitsmetrik bleiben. Die Fehler, die durch approximierte Beschleuniger erzeugt werden, hängen jedoch von den Eingabedaten ab, die hinsichtlich der für das Design verwendeten Daten unterschiedlich sein können. In dieser Dissertation wird ECAx vorgestellt, eine automatisierte Methode zur Untersuchung und Anwendung feinkörniger Fehlerkorrekturen mit geringem Overhead in approximierten Beschleunigern, um die Kosten für die Fehlerkorrektur auf Softwareebene (wie es in der Literatur gemacht wird) zu senken. Dies erfolgt durch selektive Korrektur der signifikantesten Fehler (in Bezug auf ihre Größenordnung), die von approximierten Komponenten erzeugt werden, ohne die Vorteile der Approximationen zu verlieren. Die experimentelle Auswertung zeigt Beschleunigungsverbesserungen für die Anwendung im Austausch für einen leicht gestiegenen Flächen- und Leistungsverbrauch im approximierten Beschleunigerdesign

Design of approximate overclocked datapath

Embedded applications can often demand stringent latency requirements. While high degrees of parallelism within custom FPGA-based accelerators may help to some extent, it may also be necessary to limit the precision used in the datapath to boost the operating frequency of the implementation. However, by reducing the precision, the engineer introduces quantisation error into the design. In this thesis, we describe an alternative circuit design methodology when considering trade-offs between accuracy, performance and silicon area. We compare two different approaches that could trade accuracy for performance. One is the traditional approach where the precision used in the datapath is limited to meet a target latency. The other is a proposed new approach which simply allows the datapath to operate without timing closure. We demonstrate analytically and experimentally that for many applications it would be preferable to simply overclock the design and accept that timing violations may arise. Since the errors introduced by timing violations occur rarely, they will cause less noise than quantisation errors. Furthermore, we show that conventional forms of computer arithmetic do not fail gracefully when pushed beyond the deterministic clocking region. In this thesis we take a fresh look at Online Arithmetic, originally proposed for digit serial operation, and synthesize unrolled digit parallel online arithmetic operators to allow for graceful degradation. We quantify the impact of timing violations on key arithmetic primitives, and show that substantial performance benefits can be obtained in comparison to binary arithmetic. Since timing errors are caused by long carry chains, these result in errors in least significant digits with online arithmetic, causing less impact than conventional implementations.Open Acces

Image Processing Using FPGAs

This book presents a selection of papers representing current research on using field programmable gate arrays (FPGAs) for realising image processing algorithms. These papers are reprints of papers selected for a Special Issue of the Journal of Imaging on image processing using FPGAs. A diverse range of topics is covered, including parallel soft processors, memory management, image filters, segmentation, clustering, image analysis, and image compression. Applications include traffic sign recognition for autonomous driving, cell detection for histopathology, and video compression. Collectively, they represent the current state-of-the-art on image processing using FPGAs

Tuning the Computational Effort: An Adaptive Accuracy-aware Approach Across System Layers

This thesis introduces a novel methodology to realize accuracy-aware systems, which will help designers integrate accuracy awareness into their systems. It proposes an adaptive accuracy-aware approach across system layers that addresses current challenges in that domain, combining and tuning accuracy-aware methods on different system layers. To widen the scope of accuracy-aware computing including approximate computing for other domains, this thesis presents innovative accuracy-aware methods and techniques for different system layers. The required tuning of the accuracy-aware methods is integrated into a configuration layer that tunes the available knobs of the accuracy-aware methods integrated into a system

Intelligent Circuits and Systems

ICICS-2020 is the third conference initiated by the School of Electronics and Electrical Engineering at Lovely Professional University that explored recent innovations of researchers working for the development of smart and green technologies in the fields of Energy, Electronics, Communications, Computers, and Control. ICICS provides innovators to identify new opportunities for the social and economic benefits of society.　 This conference bridges the gap between academics and R&D institutions, social visionaries, and experts from all strata of society to present their ongoing research activities and foster research relations between them. It provides opportunities for the exchange of new ideas, applications, and experiences in the field of smart technologies and finding global partners for future collaboration. The ICICS-2020 was conducted in two broad categories, Intelligent Circuits & Intelligent Systems and Emerging Technologies in Electrical Engineering

Towards Computational Efficiency of Next Generation Multimedia Systems

To address throughput demands of complex applications (like Multimedia), a next-generation system designer needs to co-design and co-optimize the hardware and software layers. Hardware/software knobs must be tuned in synergy to increase the throughput efficiency. This thesis provides such algorithmic and architectural solutions, while considering the new technology challenges (power-cap and memory aging). The goal is to maximize the throughput efficiency, under timing- and hardware-constraints