Incremental placement for layout driven optimizations on FPGAs

This paper presents an algorithm to update the placement of logic elements when given an incremental netlist change. Specifically, these algorithms are targeted to incrementally place logic elements created by layout-driven circuit restruc-turing techniques. The incremental placement engine as-sumes that the restructuring algorithms provide a list of new logic elements along with preferred locations for each of these new elements. It then tries to shift non-critical logic elements in the original placement out of the way to satisfy the preferred location requests. Our algorithm considers modern FPGA architectures with clustered logic blocks that have numerous architectural constraints. Experiments indi-cate that our technique produces results of extremely high quality. 1

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

Power Efficient Data-Aware SRAM Cell for SRAM-Based FPGA Architecture

The design of low-power SRAM cell becomes a necessity in today\u27s FPGAs, because SRAM is a critical component in FPGA design and consumes a large fraction of the total power. The present chapter provides an overview of various factors responsible for power consumption in FPGA and discusses the design techniques of low-power SRAM-based FPGA at system level, device level, and architecture levels. Finally, the chapter proposes a data-aware dynamic SRAM cell to control the power consumption in the cell. Stack effect has been adopted in the design to reduce the leakage current. The various peripheral circuits like address decoder circuit, write/read enable circuits, and sense amplifier have been modified to implement a power-efficient SRAM-based FPGA

Direct Measures of Path Delays on Commercial FPGA Chips

We present a general technique for measuring the propagation delay on the internal wires of FPGA chips. The measure is based on the comparison between the operating frequencies of two ring oscillators that differ only for the structure under test, that is included (or not) in the loop. Experimental results are presented for a device of the Xilinx XC4000 family

Timing and Congestion Driven Algorithms for FPGA Placement

Placement is one of the most important steps in physical design for VLSI circuits. For field programmable gate arrays (FPGAs), the placement step determines the location of each logic block. I present novel timing and congestion driven placement algorithms for FPGAs with minimal runtime overhead. By predicting the post-routing timing-critical edges and estimating congestion accurately, this algorithm is able to simultaneously reduce the critical path delay and the minimum number of routing tracks. The core of the algorithm consists of a criticality-history record of connection edges and a congestion map. This approach is applied to the 20 largest Microelectronics Center of North Carolina (MCNC) benchmark circuits. Experimental results show that compared with the state-of-the-art FPGA place and route package, the Versatile Place and Route (VPR) suite, this algorithm yields an average of 8.1% reduction (maximum 30.5%) in the critical path delay and 5% reduction in channel width. Meanwhile, the average runtime of the algorithm is only 2.3X as of VPR

Hardware-software codesign in a high-level synthesis environment

Interfacing hardware-oriented high-level synthesis to software development is a computationally hard problem for which no general solution exists. Under special conditions, the hardware-software codesign (system-level synthesis) problem may be analyzed with traditional tools and efficient heuristics. This dissertation introduces a new alternative to the currently used heuristic methods. The new approach combines the results of top-down hardware development with existing basic hardware units (bottom-up libraries) and compiler generation tools. The optimization goal is to maximize operating frequency or minimize cost with reasonable tradeoffs in other properties. The dissertation research provides a unified approach to hardware-software codesign. The improvements over previously existing design methodologies are presented in the frame-work of an academic CAD environment (PIPE). This CAD environment implements a sufficient subset of functions of commercial microelectronics CAD packages. The results may be generalized for other general-purpose algorithms or environments. Reference benchmarks are used to validate the new approach. Most of the well-known benchmarks are based on discrete-time numerical simulations, digital filtering applications, and cryptography (an emerging field in benchmarking). As there is a need for high-performance applications, an additional requirement for this dissertation is to investigate pipelined hardware-software systems\u27 performance and design methods. The results demonstrate that the quality of existing heuristics does not change in the enhanced, hardware-software environment

FASTER: Facilitating Analysis and Synthesis Technologies for Effective Reconfiguration

The FASTER (Facilitating Analysis and Synthesis Technologies for Effective Reconfiguration) EU FP7 project, aims to ease the design and implementation of dynamically changing hardware systems. Our motivation stems from the promise reconfigurable systems hold for achieving high performance and extending product functionality and lifetime via the addition of new features that operate at hardware speed. However, designing a changing hardware system is both challenging and time-consuming. FASTER facilitates the use of reconfigurable technology by providing a complete methodology enabling designers to easily specify, analyze, implement and verify applications on platforms with general-purpose processors and acceleration modules implemented in the latest reconfigurable technology. Our tool-chain supports both coarse- and fine-grain FPGA reconfiguration, while during execution a flexible run-time system manages the reconfigurable resources. We target three applications from different domains. We explore the way each application benefits from reconfiguration, and then we asses them and the FASTER tools, in terms of performance, area consumption and accuracy of analysis

Novel Architectures for Offloading and Accelerating Computations in Artificial Intelligence and Big Data

Due to the end of Moore's Law and Dennard Scaling, performance gains in general-purpose architectures have significantly slowed in recent years. While raising the number of cores has been a viable approach for further performance increases, Amdahl's Law and its implications on parallelization also limit further performance gains. Consequently, research has shifted towards different approaches, including domain-specific custom architectures tailored to specific workloads. This has led to a new golden age for computer architecture, as noted in the Turing Award Lecture by Hennessy and Patterson, which has spawned several new architectures and architectural advances specifically targeted at highly current workloads, including Machine Learning. This thesis introduces a hierarchy of architectural improvements ranging from minor incremental changes, such as High-Bandwidth Memory, to more complex architectural extensions that offload workloads from the general-purpose CPU towards more specialized accelerators. Finally, we introduce novel architectural paradigms, namely Near-Data or In-Network Processing, as the most complex architectural improvements. This cumulative dissertation then investigates several architectural improvements to accelerate Sum-Product Networks, a novel Machine Learning approach from the class of Probabilistic Graphical Models. Furthermore, we use these improvements as case studies to discuss the impact of novel architectures, showing that minor and major architectural changes can significantly increase performance in Machine Learning applications. In addition, this thesis presents recent works on Near-Data Processing, which introduces Smart Storage Devices as a novel architectural paradigm that is especially interesting in the context of Big Data. We discuss how Near-Data Processing can be applied to improve performance in different database settings by offloading database operations to smart storage devices. Offloading data-reductive operations, such as selections, reduces the amount of data transferred, thus improving performance and alleviating bandwidth-related bottlenecks. Using Near-Data Processing as a use-case, we also discuss how Machine Learning approaches, like Sum-Product Networks, can improve novel architectures. Specifically, we introduce an approach for offloading Cardinality Estimation using Sum-Product Networks that could enable more intelligent decision-making in smart storage devices. Overall, we show that Machine Learning can benefit from developing novel architectures while also showing that Machine Learning can be applied to improve the applications of novel architectures