Integration of Digital Signal Processing Block in SymbiFlow FPGA Toolchain for Artix-7 Devices

The open-source community is a valuable resource for many hobbyists and researchers interested in collaborating and contributing towards publicly available tools. In the area of field programmable gate arrays (FPGAs) this is no exception. Contributors seek to reverse-engineer the functions of large proprietary FPGA devices. An interesting challenge for open-source FPGA engineers has been reverse-engineering the operation and bitstreams of digital signal processing (DSP) blocks located in FPGAs. SymbiFlow is an open-source FPGA toolchain designed as a free alternative to proprietary computer-aided design tools like Xilinx’s Vivado. For SymbiFlow, mapping logical multipliers to DSP blocks and generating DSP block bitstreams has been left unimplemented for the Artix-7 family of FPGAs. This research seeks to rectify this shortcoming by introducing DSP information for the place and route functions into SymbiFlow. By delving into the SymbiFlow architecture definitions and creating functioning FPGA assembly code (FASM) files for Project X-Ray, a bitstream generator for Artix-7, we have been able to determine the desired output of the open-source Versatile Place & Route tool that will generate a working DSP bitstream. We diagnose and implement changes needed throughout the SymbiFlow toolchain, allowing for DSP design bitstreams to be successfully generated with open-source tools

Virtualized Reconfigurable Resources and Their Secured Provision in an Untrusted Cloud Environment

The cloud computing business grows year after year. To keep up with increasing demand and to offer more services, data center providers are always searching for novel architectures. One of them are FPGAs, reconfigurable hardware with high compute power and energy efficiency. But some clients cannot make use of the remote processing capabilities. Not every involved party is trustworthy and the complex management software has potential security flaws. Hence, clients’ sensitive data or algorithms cannot be sufficiently protected. In this thesis state-of-the-art hardware, cloud and security concepts are analyzed and com- bined. On one side are reconfigurable virtual FPGAs. They are a flexible resource and fulfill the cloud characteristics at the price of security. But on the other side is a strong requirement for said security. To provide it, an immutable controller is embedded enabling a direct, confidential and secure transfer of clients’ configurations. This establishes a trustworthy compute space inside an untrusted cloud environment. Clients can securely transfer their sensitive data and algorithms without involving vulnerable software or a data center provider. This concept is implemented as a prototype. Based on it, necessary changes to current FPGAs are analyzed. To fully enable reconfigurable yet secure hardware in the cloud, a new hybrid architecture is required.Das Geschäft mit dem Cloud Computing wächst Jahr für Jahr. Um mit der steigenden Nachfrage mitzuhalten und neue Angebote zu bieten, sind Betreiber von Rechenzentren immer auf der Suche nach neuen Architekturen. Eine davon sind FPGAs, rekonfigurierbare Hardware mit hoher Rechenleistung und Energieeffizienz. Aber manche Kunden können die ausgelagerten Rechenkapazitäten nicht nutzen. Nicht alle Beteiligten sind vertrauenswürdig und die komplexe Verwaltungssoftware ist anfällig für Sicherheitslücken. Daher können die sensiblen Daten dieser Kunden nicht ausreichend geschützt werden. In dieser Arbeit werden modernste Hardware, Cloud und Sicherheitskonzept analysiert und kombiniert. Auf der einen Seite sind virtuelle FPGAs. Sie sind eine flexible Ressource und haben Cloud Charakteristiken zum Preis der Sicherheit. Aber auf der anderen Seite steht ein hohes Sicherheitsbedürfnis. Um dieses zu bieten ist ein unveränderlicher Controller eingebettet und ermöglicht eine direkte, vertrauliche und sichere Übertragung der Konfigurationen der Kunden. Das etabliert eine vertrauenswürdige Rechenumgebung in einer nicht vertrauenswürdigen Cloud Umgebung. Kunden können sicher ihre sensiblen Daten und Algorithmen übertragen ohne verwundbare Software zu nutzen oder den Betreiber des Rechenzentrums einzubeziehen. Dieses Konzept ist als Prototyp implementiert. Darauf basierend werden nötige Änderungen von modernen FPGAs analysiert. Um in vollem Umfang eine rekonfigurierbare aber dennoch sichere Hardware in der Cloud zu ermöglichen, wird eine neue hybride Architektur benötigt

Optimisations arithmétiques et synthèse de haut niveau

High-level synthesis (HLS) tools offer increased productivity regarding FPGA programming.However, due to their relatively young nature, they still lack many arithmetic optimizations.This thesis proposes safe arithmetic optimizations that should always be applied.These optimizations are simple operator specializations, following the C semantic.Other require to a lift the semantic embedded in high-level input program languages, which are inherited from software programming, for an improved accuracy/cost/performance ratio.To demonstrate this claim, the sum-of-product of floating-point numbers is used as a case study. The sum is performed on a fixed-point format, which is tailored to the application, according to the context in which the operator is instantiated.In some cases, there is not enough information about the input data to tailor the fixed-point accumulator.The fall-back strategy used in this thesis is to generate an accumulator covering the entire floating-point range.This thesis explores different strategies for implementing such a large accumulator, including new ones.The use of a 2's complement representation instead of a sign+magnitude is demonstrated to save resources and to reduce the accumulation loop delay.Based on a tapered precision scheme and an exact accumulator, the posit number systems claims to be a candidate to replace the IEEE floating-point format.A throughout analysis of posit operators is performed, using the same level of hardware optimization as state-of-the-art floating-point operators.Their cost remains much higher that their floating-point counterparts in terms of resource usage and performance. Finally, this thesis presents a compatibility layer for HLS tools that allows one code to be deployed on multiple tools.This library implements a strongly typed custom size integer type along side a set of optimized custom operators.À cause de la nature relativement jeune des outils de synthèse de haut-niveau (HLS), de nombreuses optimisations arithmétiques n'y sont pas encore implémentées. Cette thèse propose des optimisations arithmétiques se servant du contexte spécifique dans lequel les opérateurs sont instanciés.Certaines optimisations sont de simples spécialisations d'opérateurs, respectant la sémantique du C.D'autres nécéssitent de s'éloigner de cette sémantique pour améliorer le compromis précision/coût/performance.Cette proposition est démontré sur des sommes de produits de nombres flottants.La somme est réalisée dans un format en virgule-fixe défini par son contexte.Quand trop peu d’informations sont disponibles pour définir ce format en virgule-fixe, une stratégie est de générer un accumulateur couvrant l'intégralité du format flottant.Cette thèse explore plusieurs implémentations d'un tel accumulateur.L'utilisation d'une représentation en complément à deux permet de réduire le chemin critique de la boucle d'accumulation, ainsi que la quantité de ressources utilisées. Un format alternatif aux nombres flottants, appelé posit, propose d'utiliser un encodage à précision variable.De plus, ce format est augmenté par un accumulateur exact.Pour évaluer précisément le coût matériel de ce format, cette thèse présente des architectures d'opérateurs posits, implémentés avec le même degré d'optimisation que celui de l'état de l'art des opérateurs flottants.Une analyse détaillée montre que le coût des opérateurs posits est malgré tout bien plus élevé que celui de leurs équivalents flottants.Enfin, cette thèse présente une couche de compatibilité entre outils de HLS, permettant de viser plusieurs outils avec un seul code. Cette bibliothèque implémente un type d'entiers de taille variable, avec de plus une sémantique strictement typée, ainsi qu'un ensemble d'opérateurs ad-hoc optimisés

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