IP-Enabled C/C++ Based High Level Synthesis: A Step towards Better Designer Productivity and Design Performance

Intellectual property (IP) core based design is an emerging design methodology to deal with increasing chip design complexity. C/C++ based high level synthesis (HLS) is also gaining traction as a design methodology to deal with increasing design complexity. In the work presented here, we present a design methodology that combines these two individual methodologies and is therefore more powerful. We discuss our proposed methodology in the context of supporting efficient hardware synthesis of a class of mathematical functions without altering original C/C++ source code. Additionally, we also discuss and propose methods to integrate legacy IP cores in existing HLS flows. Relying on concepts from the domains of program recognition and optimized low level implementations of such arithmetic functions, the described design methodology is a step towards intelligent synthesis where application characteristics are matched with specific architectural resources and relevant IP cores in a transparent manner for improved area-delay results. The combined methodology is more aware of the target hardware architecture than the conventional HLS flow. Implementation results of certain compute kernels from a commercial tool Vivado-HLS as well as proposed flow are also compared to show that proposed flow gives better results

Hardware Acceleration Using Functional Languages

Cílem této práce je prozkoumat možnosti využití funkcionálního paradigmatu pro hardwarovou akceleraci, konkrétně pro datově paralelní úlohy. Úroveň abstrakce tradičních jazyků pro popis hardwaru, jako VHDL a Verilog, přestáví stačit. Pro popis na algoritmické či behaviorální úrovni se rozmáhají jazyky původně navržené pro vývoj softwaru a modelování, jako C/C++, SystemC nebo MATLAB. Funkcionální jazyky se s těmi imperativními nemůžou měřit v rozšířenosti a oblíbenosti mezi programátory, přesto je předčí v mnoha vlastnostech, např. ve verifikovatelnosti, schopnosti zachytit inherentní paralelismus a v kompaktnosti kódu. Pro akceleraci datově paralelních výpočtů se často používají jednotky FPGA, grafické karty (GPU) a vícejádrové procesory. Praktická část této práce rozšiřuje existující knihovnu Accelerate pro počítání na grafických kartách o výstup do VHDL. Accelerate je možno chápat jako doménově specifický jazyk vestavěný do Haskellu s backendem pro prostředí NVIDIA CUDA. Rozšíření pro vysokoúrovňovou syntézu obvodů ve VHDL představené v této práci používá stejný jazyk a frontend.The aim of this thesis is to research how the functional paradigm can be used for hardware acceleration with an emphasis on data-parallel tasks. The level of abstraction of the traditional hardware description languages, such as VHDL or Verilog, is becoming to low. High-level languages from the domains of software development and modeling, such as C/C++, SystemC or MATLAB, are experiencing a boom for hardware description on the algorithmic or behavioral level. Functional Languages are not so commonly used, but they outperform imperative languages in verification, the ability to capture inherent paralellism and the compactness of code. Data-parallel task are often accelerated on FPGAs, GPUs and multicore processors. In this thesis, we use a library for general-purpose GPU programs called Accelerate and extend it to produce VHDL. Accelerate is a domain-specific language embedded into Haskell with a backend for the NVIDIA CUDA platform. We use the language and its frontend, and create a new backend for high-level synthesis of circuits in VHDL.

Resource-aware Programming in a High-level Language - Improved performance with manageable effort on clustered MPSoCs

Bis 2001 bedeutete Moores und Dennards Gesetz eine Verdoppelung der Ausführungszeit alle 18 Monate durch verbesserte CPUs. Heute ist Nebenläufigkeit das dominante Mittel zur Beschleunigung von Supercomputern bis zu mobilen Geräten. Allerdings behindern neuere Phänomene wie "Dark Silicon" zunehmend eine weitere Beschleunigung durch Hardware. Um weitere Beschleunigung zu erreichen muss sich auch die Soft­ware mehr ihrer Hardware Resourcen gewahr werden. Verbunden mit diesem Phänomen ist eine immer heterogenere Hardware. Supercomputer integrieren Beschleuniger wie GPUs. Mobile SoCs (bspw. Smartphones) integrieren immer mehr Fähigkeiten. Spezialhardware auszunutzen ist eine bekannte Methode, um den Energieverbrauch zu senken, was ein weiterer wichtiger Aspekt ist, welcher mit der reinen Geschwindigkeit abgewogen werde muss. Zum Beispiel werden Supercomputer auch nach "Performance pro Watt" bewertet. Zur Zeit sind systemnahe low-level Programmierer es gewohnt über Hardware nachzudenken, während der gemeine high-level Programmierer es vorzieht von der Plattform möglichst zu abstrahieren (bspw. Cloud). "High-level" bedeutet nicht, dass Hardware irrelevant ist, sondern dass sie abstrahiert werden kann. Falls Sie eine Java-Anwendung für Android entwickeln, kann der Akku ein wichtiger Aspekt sein. Irgendwann müssen aber auch Hochsprachen resourcengewahr werden, um Geschwindigkeit oder Energieverbrauch zu verbessern. Innerhalb des Transregio "Invasive Computing" habe ich an diesen Problemen gearbeitet. In meiner Dissertation stelle ich ein Framework vor, mit dem man Hochsprachenanwendungen resourcengewahr machen kann, um so die Leistung zu verbessern. Das könnte beispielsweise erhöhte Effizienz oder schnellerer Ausführung für das System als Ganzes bringen. Ein Kerngedanke dabei ist, dass Anwendungen sich nicht selbst optimieren. Stattdessen geben sie alle Informationen an das Betriebssystem. Das Betriebssystem hat eine globale Sicht und trifft Entscheidungen über die Resourcen. Diesen Prozess nennen wir "Invasion". Die Aufgabe der Anwendung ist es, sich an diese Entscheidungen anzupassen, aber nicht selbst welche zu fällen. Die Herausforderung besteht darin eine Sprache zu definieren, mit der Anwendungen Resourcenbedingungen und Leistungsinformationen kommunizieren. So eine Sprache muss ausdrucksstark genug für komplexe Informationen, erweiterbar für neue Resourcentypen, und angenehm für den Programmierer sein. Die zentralen Beiträge dieser Dissertation sind: Ein theoretisches Modell der Resourcen-Verwaltung, um die Essenz des resourcengewahren Frameworks zu beschreiben, die Korrektheit der Entscheidungen des Betriebssystems bezüglich der Bedingungen einer Anwendung zu begründen und zum Beweis meiner Thesen von Effizienz und Beschleunigung in der Theorie. Ein Framework und eine Übersetzungspfad resourcengewahrer Programmierung für die Hochsprache X10. Zur Bewertung des Ansatzes haben wir Anwendungen aus dem High Performance Computing implementiert. Eine Beschleunigung von 5x konnte gemessen werden. Ein Speicherkonsistenzmodell für die X10 Programmiersprache, da dies ein notwendiger Schritt zu einer formalen Semantik ist, die das theoretische Modell und die konkrete Implementierung verknüpft. Zusammengefasst zeige ich, dass resourcengewahre Programmierung in Hoch\-sprachen auf zukünftigen Architekturen mit vielen Kernen mit vertretbarem Aufwand machbar ist und die Leistung verbessert

Static resource models for code generation of embedded processors

xii+129hlm.;24c