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

Pervasive handheld computing systems

The technological role of handheld devices is fundamentally changing. Portable computers were traditionally application specific. They were designed and optimised to deliver a specific task. However, it is now commonly acknowledged that future handheld devices need to be multi-functional and need to be capable of executing a range of high-performance applications. This thesis has coined the term pervasive handheld computing systems to refer to this type of mobile device. Portable computers are faced with a number of constraints in trying to meet these objectives. They are physically constrained by their size, their computational power, their memory resources, their power usage, and their networking ability. These constraints challenge pervasive handheld computing systems in achieving their multi-functional and high-performance requirements. This thesis proposes a two-pronged methodology to enable pervasive handheld computing systems meet their future objectives. The methodology is a fusion of two independent and yet complementary concepts. The first step utilises reconfigurable technology to enhance the physical hardware resources within the environment of a handheld device. This approach recognises that reconfigurable computing has the potential to dynamically increase the system functionality and versatility of a handheld device without major loss in performance. The second step of the methodology incorporates agent-based middleware protocols to support handheld devices to effectively manage and utilise these reconfigurable hardware resources within their environment. The thesis asserts the combined characteristics of reconfigurable computing and agent technology can meet the objectives of pervasive handheld computing systems

Runtime Hardware Reconfiguration in Wireless Sensor Networks for Condition Monitoring

The integration of miniaturized heterogeneous electronic components has enabled the deployment of tiny sensing platforms empowered by wireless connectivity known as wireless sensor networks. Thanks to an optimized duty-cycled activity, the energy consumption of these battery-powered devices can be reduced to a level where several years of operation is possible. However, the processing capability of currently available wireless sensor nodes does not scale well with the observation of phenomena requiring a high sampling resolution. The large amount of data generated by the sensors cannot be handled efficiently by low-power wireless communication protocols without a preliminary filtering of the information relevant for the application. For this purpose, energy-efficient, flexible, fast and accurate processing units are required to extract important features from the sensor data and relieve the operating system from computationally demanding tasks. Reconfigurable hardware is identified as a suitable technology to fulfill these requirements, balancing implementation flexibility with performance and energy-efficiency. While both static and dynamic power consumption of field programmable gate arrays has often been pointed out as prohibitive for very-low-power applications, recent programmable logic chips based on non-volatile memory appear as a potential solution overcoming this constraint. This thesis first verifies this assumption with the help of a modular sensor node built around a field programmable gate array based on Flash technology. Short and autonomous duty-cycled operation combined with hardware acceleration efficiently drop the energy consumption of the device in the considered context. However, Flash-based devices suffer from restrictions such as long configuration times and limited resources, which reduce their suitability for complex processing tasks. A template of a dynamically reconfigurable architecture built around coarse-grained reconfigurable function units is proposed in a second part of this work to overcome these issues. The module is conceived as an overlay of the sensor node FPGA increasing the implementation flexibility and introducing a standardized programming model. Mechanisms for virtual reconfiguration tailored for resource-constrained systems are introduced to minimize the overhead induced by this genericity. The definition of this template architecture leaves room for design space exploration and application- specific customization. Nevertheless, this aspect must be supported by appropriate design tools which facilitate and automate the generation of low-level design files. For this purpose, a software tool is introduced to graphically configure the architecture and operation of the hardware accelerator. A middleware service is further integrated into the wireless sensor network operating system to bridge the gap between the hardware and the design tools, enabling remote reprogramming and scheduling of the hardware functionality at runtime. At last, this hardware and software toolchain is applied to real-world wireless sensor network deployments in the domain of condition monitoring. This category of applications often require the complex analysis of signals in the considered range of sampling frequencies such as vibrations or electrical currents, making the proposed system ideally suited for the implementation. The flexibility of the approach is demonstrated by taking examples with heterogeneous algorithmic specifications. Different data processing tasks executed by the sensor node hardware accelerator are modified at runtime according to application requests

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

NASA Tech Briefs, September 2012

Topics covered include: Beat-to-Beat Blood Pressure Monitor; Measurement Techniques for Clock Jitter; Lightweight, Miniature Inertial Measurement System; Optical Density Analysis of X-Rays Utilizing Calibration Tooling to Estimate Thickness of Parts; Fuel Cell/Electrochemical Cell Voltage Monitor; Anomaly Detection Techniques with Real Test Data from a Spinning Turbine Engine-Like Rotor; Measuring Air Leaks into the Vacuum Space of Large Liquid Hydrogen Tanks; Antenna Calibration and Measurement Equipment; Glass Solder Approach for Robust, Low-Loss, Fiber-to-Waveguide Coupling; Lightweight Metal Matrix Composite Segmented for Manufacturing High-Precision Mirrors; Plasma Treatment to Remove Carbon from Indium UV Filters; Telerobotics Workstation (TRWS) for Deep Space Habitats; Single-Pole Double-Throw MMIC Switches for a Microwave Radiometer; On Shaft Data Acquisition System (OSDAS); ASIC Readout Circuit Architecture for Large Geiger Photodiode Arrays; Flexible Architecture for FPGAs in Embedded Systems; Polyurea-Based Aerogel Monoliths and Composites; Resin-Impregnated Carbon Ablator: A New Ablative Material for Hyperbolic Entry Speeds; Self-Cleaning Particulate Prefilter Media; Modular, Rapid Propellant Loading System/Cryogenic Testbed; Compact, Low-Force, Low-Noise Linear Actuator; Loop Heat Pipe with Thermal Control Valve as a Variable Thermal Link; Process for Measuring Over-Center Distances; Hands-Free Transcranial Color Doppler Probe; Improving Balance Function Using Low Levels of Electrical Stimulation of the Balance Organs; Developing Physiologic Models for Emergency Medical Procedures Under Microgravity; PMA-Linked Fluorescence for Rapid Detection of Viable Bacterial Endospores; Portable Intravenous Fluid Production Device for Ground Use; Adaptation of a Filter Assembly to Assess Microbial Bioburden of Pressurant Within a Propulsion System; Multiplexed Force and Deflection Sensing Shell Membranes for Robotic Manipulators; Whispering Gallery Mode Optomechanical Resonator; Vision-Aided Autonomous Landing and Ingress of Micro Aerial Vehicles; Self-Sealing Wet Chemistry Cell for Field Analysis; General MACOS Interface for Modeling and Analysis for Controlled Optical Systems; Mars Technology Rover with Arm-Mounted Percussive Coring Tool, Microimager, and Sample-Handling Encapsulation Containerization Subsystem; Fault-Tolerant, Real-Time, Multi-Core Computer System; Water Detection Based on Object Reflections; SATPLOT for Analysis of SECCHI Heliospheric Imager Data; Plug-in Plan Tool v3.0.3.1; Frequency Correction for MIRO Chirp Transformation Spectroscopy Spectrum; Nonlinear Estimation Approach to Real-Time Georegistration from Aerial Images; Optimal Force Control of Vibro-Impact Systems for Autonomous Drilling Applications; Low-Cost Telemetry System for Small/Micro Satellites; Operator Interface and Control Software for the Reconfigurable Surface System Tri-ATHLETE; and Algorithms for Determining Physical Responses of Structures Under Load