Runtime Scheduling, Allocation, and Execution of Real-Time Hardware Tasks onto Xilinx FPGAs Subject to Fault Occurrence

This paper describes a novel way to exploit the computation capabilities delivered by modern Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs), not only towards a higher performance, but also towards an improved reliability. Computation-specific pieces of circuitry are dynamically scheduled and allocated to different resources on the chip based on a set of novel algorithms which are described in detail in this article. These algorithms consider most of the technological constraints existing in modern partially reconfigurable FPGAs as well as spontaneously occurring faults and emerging permanent damage in the silicon substrate of the chip. In addition, the algorithms target other important aspects such as communications and synchronization among the different computations that are carried out, either concurrently or at different times. The effectiveness of the proposed algorithms is tested by means of a wide range of synthetic simulations, and, notably, a proof-of-concept implementation of them using real FPGA hardware is outlined

Smart technologies for effective reconfiguration: the FASTER approach

Current and future computing systems increasingly require that their functionality stays flexible after the system is operational, in order to cope with changing user requirements and improvements in system features, i.e. changing protocols and data-coding standards, evolving demands for support of different user applications, and newly emerging applications in communication, computing and consumer electronics. Therefore, extending the functionality and the lifetime of products requires the addition of new functionality to track and satisfy the customers needs and market and technology trends. Many contemporary products along with the software part incorporate hardware accelerators for reasons of performance and power efficiency. While adaptivity of software is straightforward, adaptation of the hardware to changing requirements constitutes a challenging problem requiring delicate solutions. The FASTER (Facilitating Analysis and Synthesis Technologies for Effective Reconfiguration) project aims at introducing a complete methodology to allow designers to easily implement a system specification on a platform which includes a general purpose processor combined with multiple accelerators running on an FPGA, taking as input a high-level description and fully exploiting, both at design time and at run time, the capabilities of partial dynamic reconfiguration. The goal is that for selected application domains, the FASTER toolchain will be able to reduce the design and verification time of complex reconfigurable systems providing additional novel verification features that are not available in existing tool flows

Defragmenting the Module Layout of a Partially Reconfigurable Device

Modern generations of field-programmable gate arrays (FPGAs) allow for partial reconfiguration. In an online context, where the sequence of modules to be loaded on the FPGA is unknown beforehand, repeated insertion and deletion of modules leads to progressive fragmentation of the available space, making defragmentation an important issue. We address this problem by propose an online and an offline component for the defragmentation of the available space. We consider defragmenting the module layout on a reconfigurable device. This corresponds to solving a two-dimensional strip packing problem. Problems of this type are NP-hard in the strong sense, and previous algorithmic results are rather limited. Based on a graph-theoretic characterization of feasible packings, we develop a method that can solve two-dimensional defragmentation instances of practical size to optimality. Our approach is validated for a set of benchmark instances.Comment: 10 pages, 11 figures, 1 table, Latex, to appear in "Engineering of Reconfigurable Systems and Algorithms" as a "Distinguished Paper

Software development of reconfigurable real-time systems : from specification to implementation

This thesis deals with reconfigurable real-time systems solving real-time tasks scheduling problems in a mono-core and multi-core architectures. The main focus in this thesis is on providing guidelines, methods, and tools for the synthesis of feasible reconfigurable real-time systems in a mono-processor and multi-processor architectures. The development of these systems faces various challenges particularly in terms of stability, energy consumption, response and blocking time. To address this problem, we propose in this work a new strategy of i) placement and scheduling of tasks to execute real-time applications on mono-core and multi-core architectures, ii) optimization step based on Mixed integer linear programming (MILP), and iii) guidance tool that assists designers to implement a feasible multi-core reconfigurable real-time from specification level to implementation level. We apply and simulate the contribution to a case study, and compare the proposed results with related works in order to show the originality of this methodology.Echtzeitsysteme laufen unter harten Bedingungen an ihre Ausführungszeit. Die Einhaltung der Echtzeit-Bedingungen bestimmt die Zuverlässigkeit und Genauigkeit dieser Systeme. Neben den Echtzeit-Bedingungen müssen rekonfigurierbare Echtzeitsysteme zusätzliche Rekonfigurations-Bedingungen erfüllen. Diese Arbeit beschäftigt sich mit rekonfigurierbaren Echtzeitsystemen in Mono- und Multicore-Architekturen. An die Entwicklung dieser Systeme sind verschiedene Anforderungen gestellt. Insbesondere muss die Rekonfigurierbarkeit beachtet werden. Dabei sind aber Echtzeit-Bedingungen und Ressourcenbeschränkungen weiterhin zu beachten. Darüber hinaus werden die Kosten für die Entwicklung dieser Systeme insbesondere durch falsche Designentscheidungen in den frühen Phasen der Entwicklung stark beeinträchtigt. Das Hauptziel in dieser Arbeit liegt deshalb auf der Bereitstellung von Handlungsempfehlungen, Methoden und Werkzeugen für die zielgerichtete Entwicklung von realisierbaren rekonfigurierbaren Echtzeitsystemen in Mono- und Multicore-Architekturen. Um diese Herausforderungen zu adressieren wird eine neue Strategie vorgeschlagen, die 1) die Funktionsallokation, 2) die Platzierung und das Scheduling von Tasks, 3) einen Optimierungsschritt auf der Basis von Mixed Integer Linear Programming (MILP) und 4) eine entscheidungsunterstützende Lösung umfasst, die den Designern hilft, eine realisierbare rekonfigurierbare Echtzeitlösung von der Spezifikationsebene bis zur Implementierungsebene zu entwickeln. Die vorgeschlagene Methodik wird auf eine Fallstudie angewendet und mit verwandten Arbeiten vergliche

Enabling virtual radio functions on software defined radio for future wireless networks

Today's wired networks have become highly flexible, thanks to the fact that an increasing number of functionalities are realized by software rather than dedicated hardware. This trend is still in its early stages for wireless networks, but it has the potential to improve the network's flexibility and resource utilization regarding both the abundant computational resources and the scarce radio spectrum resources. In this work we provide an overview of the enabling technologies for network reconfiguration, such as Network Function Virtualization, Software Defined Networking, and Software Defined Radio. We review frequently used terminology such as softwarization, virtualization, and orchestration, and how these concepts apply to wireless networks. We introduce the concept of Virtual Radio Function, and illustrate how softwarized/virtualized radio functions can be placed and initialized at runtime, allowing radio access technologies and spectrum allocation schemes to be formed dynamically. Finally we focus on embedded Software-Defined Radio as an end device, and illustrate how to realize the placement, initialization and configuration of virtual radio functions on such kind of devices

Reliability and Makespan Optimization of Hardware Task Graphs in Partially Reconfigurable Platforms

This paper addresses the problem of reliability and makespan optimization of hardware task graphs in reconfigurable platforms by applying fault tolerance (FT) techniques to the running tasks based on the exploration of the Pareto set of solutions. In the presented solution, in contrast to the existing approaches in the literature, task graph scheduling, tasks parallelism, reconfiguration delay, and FT requirements are taken into account altogether. This paper first presents a model for hardware task graphs, task prefetch and scheduling, reconfigurable computer, and a fault model for reliability. Then, a mathematical model of an integer nonlinear multi-objective optimization problem is presented for improving the FT of hardware task graphs, scheduled in partially reconfigurable platforms. Experimental results show the positive impacts of choosing the FT techniques selected by the proposed solution, which is named Pareto-based. Thus, in comparison to nonfault-tolerant designs or other state-of-the-art FT approaches, without increasing makespan, about 850% mean time to failure (MTTF) improvement is achieved and, without degrading reliability, makespan is improved by 25%. In addition, experiments in fault-varying environments have demonstrated that the presented approach outperforms the existing state-of-the-art adaptive FT techniques in terms of both MTTF and makespan

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

A Dynamic Programming Approach to Energy-Efficient Scheduling on Multi-FPGA based Partial Runtime Reconfigurable Systems

This paper has been studied an important issue of energy-efficient scheduling on multi-FPGA systems. The main challenges are integral allocation, reconfiguration overhead and exclusiveness and energy minimization with deadline constraint. To tackle these challenges, based on the theory of dynamic programming, we have designed and implemented an energy-efficient scheduling on multi-FPGA systems. Differently, we have presented a MLPF algorithm for task placement on FPGAs. Finally, the experimental results have demonstrated that the proposed algorithm can successfully accommodate all tasks without violation of the deadline constraint. Additionally, it gains higher energy reduction 13.3% and 26.3% than that of Particle Swarm Optimization and fully balanced algorithm, respectively