AutoAccel: Automated Accelerator Generation and Optimization with Composable, Parallel and Pipeline Architecture

CPU-FPGA heterogeneous architectures are attracting ever-increasing attention in an attempt to advance computational capabilities and energy efficiency in today's datacenters. These architectures provide programmers with the ability to reprogram the FPGAs for flexible acceleration of many workloads. Nonetheless, this advantage is often overshadowed by the poor programmability of FPGAs whose programming is conventionally a RTL design practice. Although recent advances in high-level synthesis (HLS) significantly improve the FPGA programmability, it still leaves programmers facing the challenge of identifying the optimal design configuration in a tremendous design space. This paper aims to address this challenge and pave the path from software programs towards high-quality FPGA accelerators. Specifically, we first propose the composable, parallel and pipeline (CPP) microarchitecture as a template of accelerator designs. Such a well-defined template is able to support efficient accelerator designs for a broad class of computation kernels, and more importantly, drastically reduce the design space. Also, we introduce an analytical model to capture the performance and resource trade-offs among different design configurations of the CPP microarchitecture, which lays the foundation for fast design space exploration. On top of the CPP microarchitecture and its analytical model, we develop the AutoAccel framework to make the entire accelerator generation automated. AutoAccel accepts a software program as an input and performs a series of code transformations based on the result of the analytical-model-based design space exploration to construct the desired CPP microarchitecture. Our experiments show that the AutoAccel-generated accelerators outperform their corresponding software implementations by an average of 72x for a broad class of computation kernels

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

Energy-efficient hardware design based on high-level synthesis

This dissertation describes research activities broadly concerning the area of High-level synthesis (HLS), but more specifically, regarding the HLS-based design of energy-efficient hardware (HW) accelerators. HW accelerators, mostly implemented on FPGAs, are integral to the heterogeneous architectures employed in modern high performance computing (HPC) systems due to their ability to speed up the execution while dramatically reducing the energy consumption of computationally challenging portions of complex applications. Hence, the first activity was regarding an HLS-based approach to directly execute an OpenCL code on an FPGA instead of its traditional GPU-based counterpart. Modern FPGAs offer considerable computational capabilities while consuming significantly smaller power as compared to high-end GPUs. Several different implementations of the K-Nearest Neighbor algorithm were considered on both FPGA- and GPU-based platforms and their performance was compared. FPGAs were generally more energy-efficient than the GPUs in all the test cases. Eventually, we were also able to get a faster (in terms of execution time) FPGA implementation by using an FPGA-specific OpenCL coding style and utilizing suitable HLS directives. The second activity was targeted towards the development of a methodology complementing HLS to automatically derive power optimization directives (also known as "power intent") from a system-level design description and use it to drive the design steps after HLS, by producing a directive file written using the common power format (CPF) to achieve power shut-off (PSO) in case of an ASIC design. The proposed LP-HLS methodology reduces the design effort by enabling designers to infer low power information from the system-level description of a design rather than at the RTL. This methodology required a SystemC description of a generic power management module to describe the design context of a HW module also modeled in SystemC, along with the development of a tool to automatically produce the CPF file to accomplish PSO. Several test cases were considered to validate the proposed methodology and the results demonstrated its ability to correctly extract the low power information and apply it to achieve power optimization in the backend flow

FDSOI Design using Automated Standard-Cell-Grained Body Biasing

With the introduction of FDSOI processes at competitive technology nodes, body biasing on an unprecedented scale was made possible. Body biasing influences one of the central transistor characteristics, the threshold voltage. By being able to heighten or lower threshold voltage by more than 100mV, the very physics of transistor switching can be manipulated at run time. Furthermore, as body biasing does not lead to different signal levels, it can be applied much more fine-grained than, e.g., DVFS. With the state of the art mainly focused on combinations of body biasing with DVFS, it has thus ignored granularities unfeasible for DVFS. This thesis fills this gap by proposing body bias domain partitioning techniques and for body bias domain partitionings thereby generated, algorithms that search for body bias assignments. Several different granularities ranging from entire cores to small groups of standard cells were examined using two principal approaches: Designer aided pre-partitioning based determination of body bias domains and a first-time, fully automatized, netlist based approach called domain candidate exploration. Both approaches operate along the lines of activation and timing of standard cell groups. These approaches were evaluated using the example of a Dynamically Reconfigurable Processor (DRP), a highly efficient category of reconfigurable architectures which consists of an array of processing elements and thus offers many opportunities for generalization towards many-core architectures. Finally, the proposed methods were validated by manufacturing a test-chip. Extensive simulation runs as well as the test-chip evaluation showed the validity of the proposed methods and indicated substantial improvements in energy efficiency compared to the state of the art. These improvements were accomplished by the fine-grained partitioning of the DRP design. This method allowed reducing dynamic power through supply voltage levels yielding higher clock frequencies using forward body biasing, while simultaneously reducing static power consumption in unused parts.Die Einführung von FDSOI Prozessen in gegenwärtigen Prozessgrößen ermöglichte die Nutzung von Substratvorspannung in nie zuvor dagewesenem Umfang. Substratvorspannung beeinflusst unter anderem eine zentrale Eigenschaft von Transistoren, die Schwellspannung. Mittels Substratvorspannung kann diese um mehr als 100mV erhöht oder gesenkt werden, was es ermöglicht, die schiere Physik des Schaltvorgangs zu manipulieren. Da weiterhin hiervon der Signalpegel der digitalen Signale unberührt bleibt, kann diese Technik auch in feineren Granularitäten angewendet werden, als z.B. Dynamische Spannungs- und Frequenz Anpassung (Engl. Dynamic Voltage and Frequency Scaling, Abk. DVFS). Da jedoch der Stand der Technik Substratvorspannung hauptsächlich in Kombinationen mit DVFS anwendet, werden feinere Granularitäten, welche für DVFS nicht mehr wirtschaftlich realisierbar sind, nicht berücksichtigt. Die vorliegende Arbeit schließt diese Lücke, indem sie Partitionierungsalgorithmen zur Unterteilung eines Entwurfs in Substratvorspannungsdomänen vorschlägt und für diese hierdurch unterteilten Domänen entsprechende Substratvorspannungen berechnet. Hierzu wurden verschiedene Granularitäten berücksichtigt, von ganzen Prozessorkernen bis hin zu kleinen Gruppen von Standardzellen. Diese Entwürfe wurden dann mit zwei verschiedenen Herangehensweisen unterteilt: Chipdesigner unterstützte, vorpartitionierungsbasierte Bestimmung von Substratvorspannungsdomänen, sowie ein erstmals vollautomatisierter, Netzlisten basierter Ansatz, in dieser Arbeit Domänen Kandidaten Exploration genannt. Beide Ansätze funktionieren nach dem Prinzip der Aktivierung, d.h. zu welchem Zeitpunkt welcher Teil des Entwurfs aktiv ist, sowie der Signallaufzeit durch die entsprechenden Entwurfsteile. Diese Ansätze wurden anhand des Beispiels Dynamisch Rekonfigurierbarer Prozessoren (DRP) evaluiert. DRPs stellen eine Klasse hocheffizienter rekonfigurierbarer Architekturen dar, welche hauptsächlich aus einem Feld von Rechenelementen besteht und dadurch auch zahlreiche Möglichkeiten zur Verallgemeinerung hinsichtlich Many-Core Architekturen zulässt. Schließlich wurden die vorgeschlagenen Methoden in einem Testchip validiert. Alle ermittelten Ergebnisse zeigen im Vergleich zum Stand der Technik drastische Verbesserungen der Energieeffizienz, welche durch die feingranulare Unterteilung in Substratvorspannungsdomänen erzielt wurde. Hierdurch konnten durch die Anwendung von Substratvorspannung höhere Taktfrequenzen bei gleicher Versorgungsspannung erzielt werden, während zeitgleich in zeitlich unkritischen oder ungenutzten Entwurfsteilen die statische Leistungsaufnahme minimiert wurde