Experimental Test bed to De-Risk the Navy Advanced Development Model

This paper presents a reduced scale demonstration test-bed at the University of Texas’ Center for Electromechanics (UT-CEM) which is well equipped to support the development and assessment of the anticipated Navy Advanced Development Model (ADM). The subscale ADM test bed builds on collaborative power management experiments conducted as part of the Swampworks Program under the US/UK Project Arrangement as well as non-military applications. The system includes the required variety of sources, loads, and controllers as well as an Opal-RT digital simulator. The test bed architecture is described and the range of investigations that can be carried out on it is highlighted; results of preliminary system simulations and some initial tests are also provided. Subscale ADM experiments conducted on the UT-CEM microgrid can be an important step in the realization of a full-voltage, full-power ADM three-zone demonstrator, providing a test-bed for components, subsystems, controls, and the overall performance of the Medium Voltage Direct Current (MVDC) ship architecture.Center for Electromechanic

Efficient Neural Network Implementations on Parallel Embedded Platforms Applied to Real-Time Torque-Vectoring Optimization Using Predictions for Multi-Motor Electric Vehicles

The combination of machine learning and heterogeneous embedded platforms enables new potential for developing sophisticated control concepts which are applicable to the field of vehicle dynamics and ADAS. This interdisciplinary work provides enabler solutions -ultimately implementing fast predictions using neural networks (NNs) on field programmable gate arrays (FPGAs) and graphical processing units (GPUs)- while applying them to a challenging application: Torque Vectoring on a multi-electric-motor vehicle for enhanced vehicle dynamics. The foundation motivating this work is provided by discussing multiple domains of the technological context as well as the constraints related to the automotive field, which contrast with the attractiveness of exploiting the capabilities of new embedded platforms to apply advanced control algorithms for complex control problems. In this particular case we target enhanced vehicle dynamics on a multi-motor electric vehicle benefiting from the greater degrees of freedom and controllability offered by such powertrains. Considering the constraints of the application and the implications of the selected multivariable optimization challenge, we propose a NN to provide batch predictions for real-time optimization. This leads to the major contribution of this work: efficient NN implementations on two intrinsically parallel embedded platforms, a GPU and a FPGA, following an analysis of theoretical and practical implications of their different operating paradigms, in order to efficiently harness their computing potential while gaining insight into their peculiarities. The achieved results exceed the expectations and additionally provide a representative illustration of the strengths and weaknesses of each kind of platform. Consequently, having shown the applicability of the proposed solutions, this work contributes valuable enablers also for further developments following similar fundamental principles.Some of the results presented in this work are related to activities within the 3Ccar project, which has received funding from ECSEL Joint Undertaking under grant agreement No. 662192. This Joint Undertaking received support from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme and Germany, Austria, Czech Republic, Romania, Belgium, United Kingdom, France, Netherlands, Latvia, Finland, Spain, Italy, Lithuania. This work was also partly supported by the project ENABLES3, which received funding from ECSEL Joint Undertaking under grant agreement No. 692455-2

Thermal Characterization of Next-Generation Workloads on Heterogeneous MPSoCs

Next-generation High-Performance Computing (HPC) applications need to tackle outstanding computational complexity while meeting latency and Quality-of-Service constraints. Heterogeneous Multi-Processor Systems-on-Chip (MPSoCs), equipped with a mix of general-purpose cores and reconfigurable fabric for custom acceleration of computational blocks, are key in providing the flexibility to meet the requirements of next-generation HPC. However, heterogeneity brings new challenges to efficient chip thermal management. In this context, accurate and fast thermal simulators are becoming crucial to understand and exploit the trade-offs brought by heterogeneous MPSoCs. In this paper, we first thermally characterize a next-generation HPC workload, the online video transcoding application, using a highly-accurate Infra-Red (IR) microscope. Second, we extend the 3D-ICE thermal simulation tool with a new generic heat spreader model capable of accurately reproducing package surface temperature, with an average error of 6.8% for the hot spots of the chip. Our model is used to characterize the thermal behaviour of the online transcoding application when running on a heterogeneous MPSoC. Moreover, by using our detailed thermal system characterization we are able to explore different application mappings as well as the thermal limits of such heterogeneous platforms

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

HW-SW Emulation Framework for Temperature-Aware Design in MPSoCs

New tendencies envisage Multi-Processor Systems-On-Chip (MPSoCs) as a promising solution for the consumer electronics market. MPSoCs are complex to design, as they must execute multiple applications (games, video), while meeting additional design constraints (energy consumption, time-to-market). Moreover, the rise of temperature in the die for MPSoCs can seriously affect their final performance and reliability. In this paper, we present a new hardware-software emulation framework that allows designers a complete exploration of the thermal behavior of final MPSoC designs early in the design flow. The proposed framework uses FPGA emulation as the key element to model the hardware components of the considered MPSoC platform at multi-megahertz speeds. It automatically extracts detailed system statistics that are used as input to our software thermal library running in a host computer. This library calculates at run-time the temperature of on-chip components, based on the collected statistics from the emulated system and the final floorplan of the MPSoC. This enables fast testing of various thermal management techniques. Our results show speed-ups of three orders of magnitude compared to cycle-accurate MPSoC simulator

The review of heterogeneous design frameworks/Platforms for digital systems embedded in FPGAs and SoCs

Systems-on-a-chip integrate specialized modules to provide well-defined functionality. In order to guarantee its efficiency, designersare careful to choose high-level electronic components. In particular,FPGAs (field-programmable gate array) have demonstrated theirability to meet the requirements of emerging technology. However,traditional design methods cannot keep up with the speed andefficiency imposed by the embedded systems industry, so severalframeworks have been developed to simplify the design process of anelectronic system, from its modeling to its physical implementation.This paper illustrates some of them and presents a comparative studybetween them. Indeed, we have selected design methods of SoC(ESP4ML and HLS4ML, OpenESP, LiteX, RubyRTL, PyMTL,SysPy, PyRTL, DSSoC) and NoC networks on OCN chip (PyOCN)and in general on FPGA (PRGA, OpenFPGA, AnyHLS, PYNQ, andPyLog).The objective of this article is to analyze each tool at several levelsand to discuss the benefit of each in the scientific community. Wewill analyze several aspects constituting the architecture and thestructure of the platforms to make a comparative study of thehardware and software design flows of digital systems.

Readout for intersatellite laser interferometry: Measuring low frequency phase fluctuations of HF signals with microradian precision

Precision phase readout of optical beat note signals is one of the core techniques required for intersatellite laser interferometry. Future space based gravitational wave detectors like eLISA require such a readout over a wide range of MHz frequencies, due to orbit induced Doppler shifts, with a precision in the order of $\mu \textrm{rad}/\sqrt{\textrm{Hz}}$ at frequencies between $0.1\,\textrm{mHz}$ and $1\,\textrm{Hz}$. In this paper, we present phase readout systems, so-called phasemeters, that are able to achieve such precisions and we discuss various means that have been employed to reduce noise in the analogue circuit domain and during digitisation. We also discuss the influence of some non-linear noise sources in the analogue domain of such phasemeters. And finally, we present the performance that was achieved during testing of the elegant breadboard model of the LISA phasemeter, that was developed in the scope of an ESA technology development activity.Comment: submitted to Review of Scientific Instruments on April 30th 201