Vector support for multicore processors with major emphasis on configurable multiprocessors

It recently became increasingly difficult to build higher speed uniprocessor chips because of performance degradation and high power consumption. The quadratically increasing circuit complexity forbade the exploration of more instruction-level parallelism (JLP). To continue raising the performance, processor designers then focused on thread-level parallelism (TLP) to realize a new architecture design paradigm. Multicore processor design is the result of this trend. It has proven quite capable in performance increase and provides new opportunities in power management and system scalability. But current multicore processors do not provide powerful vector architecture support which could yield significant speedups for array operations while maintaining arealpower efficiency. This dissertation proposes and presents the realization of an FPGA-based prototype of a multicore architecture with a shared vector unit (MCwSV). FPGA stands for Filed-Programmable Gate Array. The idea is that rather than improving only scalar or TLP performance, some hardware budget could be used to realize a vector unit to greatly speedup applications abundant in data-level parallelism (DLP). To be realistic, limited by the parallelism in the application itself and by the compiler\u27s vectorizing abilities, most of the general-purpose programs can only be partially vectorized. Thus, for efficient resource usage, one vector unit should be shared by several scalar processors. This approach could also keep the overall budget within acceptable limits. We suggest that this type of vector-unit sharing be established in future multicore chips. The design, implementation and evaluation of an MCwSV system with two scalar processors and a shared vector unit are presented for FPGA prototyping. The MicroBlaze processor, which is a commercial IP (Intellectual Property) core from Xilinx, is used as the scalar processor; in the experiments the vector unit is connected to a pair of MicroBlaze processors through standard bus interfaces. The overall system is organized in a decoupled and multi-banked structure. This organization provides substantial system scalability and better vector performance. For a given area budget, benchmarks from several areas show that the MCwSV system can provide significant performance increase as compared to a multicore system without a vector unit. However, a MCwSV system with two MicroBlazes and a shared vector unit is not always an optimized system configuration for various applications with different percentages of vectorization. On the other hand, the MCwSV framework was designed for easy scalability to potentially incorporate various numbers of scalar/vector units and various function units. Also, the flexibility inherent to FPGAs can aid the task of matching target applications. These benefits can be taken into account to create optimized MCwSV systems for various applications. So the work eventually focused on building an architecture design framework incorporating performance and resource management for application-specific MCwSV (AS-MCwSV) systems. For embedded system design, resource usage, power consumption and execution latency are three metrics to be used in design tradeoffs. The product of these metrics is used here to choose the MCwSV system with the smallest value

Performance and area evaluations of processor-based benchmarks on FPGA devices

The computing system on SoCs is being long-term research since the FPGA technology has emerged due to its personality of re-programmable fabric, reconfigurable computing, and fast development time to market. During the last decade, uni-processor in a SoC is no longer to deal with the high growing market for complex applications such as Mobile Phones audio and video encoding, image and network processing. Due to the number of transistors on a silicon wafer is increasing, the recent FPGAs or embedded systems are advancing toward multi-processor-based design to meet tremendous performance and benefit this kind of systems are possible. Therefore, is an upcoming age of the MPSoC. In addition, most of the embedded processors are soft-cores, because they are flexible and reconfigurable for specific software functions and easy to build homogenous multi-processor systems for parallel programming. Moreover, behavioural synthesis tools are becoming a lot more powerful and enable to create datapath of logic units from high-level algorithms such as C to HDL and available for partitioning a HW/SW concurrent methodology. A range of embedded processors is able to implement on a FPGA-based prototyping to integrate the CPUs on a programmable device. This research is, firstly represent different types of computer architectures in modern embedded processors that are followed in different type of software applications (eg. Multi-threading Operations or Complex Functions) on FPGA-based SoCs; and secondly investigate their capability by executing a wide-range of multimedia software codes (Integer-algometric only) in different models of the processor-systems (uni-processor or multi-processor or Co-design), and finally compare those results in terms of the benchmarks and resource utilizations within FPGAs. All the examined programs were written in standard C and executed in a variety numbers of soft-core processors or hardware units to obtain the execution times. However, the number of processors and their customizable configuration or hardware datapath being generated are limited by a target FPGA resource, and designers need to understand the FPGA-based tradeoffs that have been considered - Speed versus Area. For this experimental purpose, I defined benchmarks into DLP / HLS catalogues, which are "data" and "function" intensive respectively. The programs of DLP will be executed in LEON3 MP and LE1 CMP multi-processor systems and the programs of HLS in the LegUp Co-design system on target FPGAs. In preliminary, the performance of the soft-core processors will be examined by executing all the benchmarks. The whole story of this thesis work centres on the issue of the execute times or the speed-up and area breakdown on FPGA devices in terms of different programs

06141 Abstracts Collection -- Dynamically Reconfigurable Architectures

From 02.04.06 to 07.04.06, the Dagstuhl Seminar 06141 ``Dynamically Reconfigurable Architectures\u27\u27 was held in the International Conference and Research Center (IBFI), Schloss Dagstuhl. During the seminar, several participants presented their current research, and ongoing work and open problems were discussed. Abstracts of the presentations given during the seminar as well as abstracts of seminar results and ideas are put together in this paper. The first section describes the seminar topics and goals in general. Links to extended abstracts or full papers are provided, if available

10281 Abstracts Collection -- Dynamically Reconfigurable Architectures

From 11.07.10 to 16.07.10, Dagstuhl Seminar 10281 ``Dynamically Reconfigurable Architectures \u27\u27 was held in Schloss Dagstuhl~--~Leibniz Center for Informatics. During the seminar, several participants presented their current research, and ongoing work and open problems were discussed. Abstracts of the presentations given during the seminar as well as abstracts of seminar results and ideas are put together in this paper. The first section describes the seminar topics and goals in general. Links to extended abstracts or full papers are provided, if available

The Customizable Virtual FPGA: Generation, System Integration and Configuration of Application-Specific Heterogeneous FPGA Architectures

In den vergangenen drei Jahrzehnten wurde die Entwicklung von Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) stark von Moore’s Gesetz, Prozesstechnologie (Skalierung) und kommerziellen Märkten beeinflusst. State-of-the-Art FPGAs bewegen sich einerseits dem Allzweck näher, aber andererseits, da FPGAs immer mehr traditionelle Domänen der Anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (ASICs) ersetzt haben, steigen die Effizienzerwartungen. Mit dem Ende der Dennard-Skalierung können Effizienzsteigerungen nicht mehr auf Technologie-Skalierung allein zurückgreifen. Diese Facetten und Trends in Richtung rekonfigurierbarer System-on-Chips (SoCs) und neuen Low-Power-Anwendungen wie Cyber Physical Systems und Internet of Things erfordern eine bessere Anpassung der Ziel-FPGAs. Neben den Trends für den Mainstream-Einsatz von FPGAs in Produkten des täglichen Bedarfs und Services wird es vor allem bei den jüngsten Entwicklungen, FPGAs in Rechenzentren und Cloud-Services einzusetzen, notwendig sein, eine sofortige Portabilität von Applikationen über aktuelle und zukünftige FPGA-Geräte hinweg zu gewährleisten. In diesem Zusammenhang kann die Hardware-Virtualisierung ein nahtloses Mittel für Plattformunabhängigkeit und Portabilität sein. Ehrlich gesagt stehen die Zwecke der Anpassung und der Virtualisierung eigentlich in einem Konfliktfeld, da die Anpassung für die Effizienzsteigerung vorgesehen ist, während jedoch die Virtualisierung zusätzlichen Flächenaufwand hinzufügt. Die Virtualisierung profitiert aber nicht nur von der Anpassung, sondern fügt auch mehr Flexibilität hinzu, da die Architektur jederzeit verändert werden kann. Diese Besonderheit kann für adaptive Systeme ausgenutzt werden. Sowohl die Anpassung als auch die Virtualisierung von FPGA-Architekturen wurden in der Industrie bisher kaum adressiert. Trotz einiger existierenden akademischen Werke können diese Techniken noch als unerforscht betrachtet werden und sind aufstrebende Forschungsgebiete. Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Generierung von FPGA-Architekturen, die auf eine effiziente Anpassung an die Applikation zugeschnitten sind. Im Gegensatz zum üblichen Ansatz mit kommerziellen FPGAs, bei denen die FPGA-Architektur als gegeben betrachtet wird und die Applikation auf die vorhandenen Ressourcen abgebildet wird, folgt diese Arbeit einem neuen Paradigma, in dem die Applikation oder Applikationsklasse fest steht und die Zielarchitektur auf die effiziente Anpassung an die Applikation zugeschnitten ist. Dies resultiert in angepassten anwendungsspezifischen FPGAs. Die drei Säulen dieser Arbeit sind die Aspekte der Virtualisierung, der Anpassung und des Frameworks. Das zentrale Element ist eine weitgehend parametrierbare virtuelle FPGA-Architektur, die V-FPGA genannt wird, wobei sie als primäres Ziel auf jeden kommerziellen FPGA abgebildet werden kann, während Anwendungen auf der virtuellen Schicht ausgeführt werden. Dies sorgt für Portabilität und Migration auch auf Bitstream-Ebene, da die Spezifikation der virtuellen Schicht bestehen bleibt, während die physische Plattform ausgetauscht werden kann. Darüber hinaus wird diese Technik genutzt, um eine dynamische und partielle Rekonfiguration auf Plattformen zu ermöglichen, die sie nicht nativ unterstützen. Neben der Virtualisierung soll die V-FPGA-Architektur auch als eingebettetes FPGA in ein ASIC integriert werden, das effiziente und dennoch flexible System-on-Chip-Lösungen bietet. Daher werden Zieltechnologie-Abbildungs-Methoden sowohl für Virtualisierung als auch für die physikalische Umsetzung adressiert und ein Beispiel für die physikalische Umsetzung in einem 45 nm Standardzellen Ansatz aufgezeigt. Die hochflexible V-FPGA-Architektur kann mit mehr als 20 Parametern angepasst werden, darunter LUT-Grösse, Clustering, 3D-Stacking, Routing-Struktur und vieles mehr. Die Auswirkungen der Parameter auf Fläche und Leistung der Architektur werden untersucht und eine umfangreiche Analyse von über 1400 Benchmarkläufen zeigt eine hohe Parameterempfindlichkeit bei Abweichungen bis zu ±95, 9% in der Fläche und ±78, 1% in der Leistung, was die hohe Bedeutung von Anpassung für Effizienz aufzeigt. Um die Parameter systematisch an die Bedürfnisse der Applikation anzupassen, wird eine parametrische Entwurfsraum-Explorationsmethode auf der Basis geeigneter Flächen- und Zeitmodellen vorgeschlagen. Eine Herausforderung von angepassten Architekturen ist der Entwurfsaufwand und die Notwendigkeit für angepasste Werkzeuge. Daher umfasst diese Arbeit ein Framework für die Architekturgenerierung, die Entwurfsraumexploration, die Anwendungsabbildung und die Evaluation. Vor allem ist der V-FPGA in einem vollständig synthetisierbaren generischen Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language (VHDL) Code konzipiert, der sehr flexibel ist und die Notwendigkeit für externe Codegeneratoren eliminiert. Systementwickler können von verschiedenen Arten von generischen SoC-Architekturvorlagen profitieren, um die Entwicklungszeit zu reduzieren. Alle notwendigen Konstruktionsschritte für die Applikationsentwicklung und -abbildung auf den V-FPGA werden durch einen Tool-Flow für Entwurfsautomatisierung unterstützt, der eine Sammlung von vorhandenen kommerziellen und akademischen Werkzeugen ausnutzt, die durch geeignete Modelle angepasst und durch ein neues Werkzeug namens V-FPGA-Explorer ergänzt werden. Dieses neue Tool fungiert nicht nur als Back-End-Tool für die Anwendungsabbildung auf dem V-FPGA sondern ist auch ein grafischer Konfigurations- und Layout-Editor, ein Bitstream-Generator, ein Architekturdatei-Generator für die Place & Route Tools, ein Script-Generator und ein Testbenchgenerator. Eine Besonderheit ist die Unterstützung der Just-in-Time-Kompilierung mit schnellen Algorithmen für die In-System Anwendungsabbildung. Die Arbeit schliesst mit einigen Anwendungsfällen aus den Bereichen industrielle Prozessautomatisierung, medizinische Bildgebung, adaptive Systeme und Lehre ab, in denen der V-FPGA eingesetzt wird