Hardware/Software Co-design for Multicore Architectures

Siirretty Doriast

Magic-State Functional Units: Mapping and Scheduling Multi-Level Distillation Circuits for Fault-Tolerant Quantum Architectures

Quantum computers have recently made great strides and are on a long-term path towards useful fault-tolerant computation. A dominant overhead in fault-tolerant quantum computation is the production of high-fidelity encoded qubits, called magic states, which enable reliable error-corrected computation. We present the first detailed designs of hardware functional units that implement space-time optimized magic-state factories for surface code error-corrected machines. Interactions among distant qubits require surface code braids (physical pathways on chip) which must be routed. Magic-state factories are circuits comprised of a complex set of braids that is more difficult to route than quantum circuits considered in previous work [1]. This paper explores the impact of scheduling techniques, such as gate reordering and qubit renaming, and we propose two novel mapping techniques: braid repulsion and dipole moment braid rotation. We combine these techniques with graph partitioning and community detection algorithms, and further introduce a stitching algorithm for mapping subgraphs onto a physical machine. Our results show a factor of 5.64 reduction in space-time volume compared to the best-known previous designs for magic-state factories.Comment: 13 pages, 10 figure

The Chameleon Architecture for Streaming DSP Applications

We focus on architectures for streaming DSP applications such as wireless baseband processing and image processing. We aim at a single generic architecture that is capable of dealing with different DSP applications. This architecture has to be energy efficient and fault tolerant. We introduce a heterogeneous tiled architecture and present the details of a domain-specific reconfigurable tile processor called Montium. This reconfigurable processor has a small footprint (1.8 mm$^2$ in a 130 nm process), is power efficient and exploits the locality of reference principle. Reconfiguring the device is very fast, for example, loading the coefficients for a 200 tap FIR filter is done within 80 clock cycles. The tiles on the tiled architecture are connected to a Network-on-Chip (NoC) via a network interface (NI). Two NoCs have been developed: a packet-switched and a circuit-switched version. Both provide two types of services: guaranteed throughput (GT) and best effort (BE). For both NoCs estimates of power consumption are presented. The NI synchronizes data transfers, configures and starts/stops the tile processor. For dynamically mapping applications onto the tiled architecture, we introduce a run-time mapping tool

Fast, Accurate and Detailed NoC Simulations

Network-on-Chip (NoC) architectures have a wide variety of parameters that can be adapted to the designer's requirements. Fast exploration of this parameter space is only possible at a high-level and several methods have been proposed. Cycle and bit accurate simulation is necessary when the actual router's RTL description needs to be evaluated and verified. However, extensive simulation of the NoC architecture with cycle and bit accuracy is prohibitively time consuming. In this paper we describe a simulation method to simulate large parallel homogeneous and heterogeneous network-on-chips on a single FPGA. The method is especially suitable for parallel systems where lengthy cycle and bit accurate simulations are required. As a case study, we use a NoC that was modelled and simulated in SystemC. We simulate the same NoC on the described FPGA simulator. This enables us to observe the NoC behavior under a large variety of traffic patterns. Compared with the SystemC simulation we achieved a speed-up of 80-300, without compromising the cycle and bit level accuracy

Predictable mapping of streaming applications on multiprocessors

Het ontwerp van nieuwe consumentenelektronica wordt voortdurend complexer omdat er steeds meer functionaliteit in deze apparaten ge¨integreerd wordt. Een voorspelbaar ontwerptraject is nodig om deze complexiteit te beheersen. Het resultaat van dit ontwerptraject zou een systeem moeten zijn, waarin iedere applicatie zijn eigen taken binnen een strikte tijdslimiet kan uitvoeren, onafhankelijk van andere applicaties die hetzelfde systeem gebruiken. Dit vereist dat het tijdsgedrag van de hardware, de software, evenals hun interactie kan worden voorspeld. Er wordt vaak voorgesteld om een heterogeen multi-processor systeem (MPSoC) te gebruiken in moderne elektronische systemen. Een MP-SoC heeft voor veel applicaties een goede verhouding tussen rekenkracht en energiegebruik. Onchip netwerken (NoCs) worden voorgesteld als interconnect in deze systemen. Een NoC is schaalbaar en het biedt garanties wat betreft de hoeveelheid tijd die er nodig is om gegevens te communiceren tussen verschillende processoren en geheugens. Door het NoC te combineren met een voorspelbare strategie om de processoren en geheugens te delen, ontstaat een hardware platform met een voorspelbaar tijdsgedrag. Om een voorspelbaar systeem te verkrijgen moet ook het tijdsgedrag van een applicatie die wordt uitgevoerd op het platform voorspelbaar en analyseerbaar zijn. Het Synchronous Dataflow (SDF) model is erg geschikt voor het modelleren van applicaties die werken met gegevensstromen. Het model kan vele ontwerpbeslissingen modelleren en het is mogelijk om tijdens het ontwerptraject het tijdsgedrag van het systeem te analyseren. Dit proefschrift probeert om applicaties die gemodelleerd zijn met SDF grafen op een zodanige manier af te beelden op een NoC-gebaseerd MP-SoC, dat garanties op het tijdsgedrag van individuele applicaties gegeven kunnen worden. De doorstroomsnelheid van een applicatie is vaak een van de belangrijkste eisen bij het ontwerpen van systemen voor applicaties die werken met gegevensstromen. Deze doorstroomsnelheid wordt in hoge mate be¨invloed door de beschikbare ruimte om resultaten (gegevens) op te slaan. De opslagruimte in een SDF graaf wordt gemodelleerd door de pijlen in de graaf. Het probleem is dat er een vaste grootte voor de opslagruimte aan de pijlen van een SDF graaf moet worden toegewezen. Deze grootte moet zodanig worden gekozen dat de vereiste doorstroomsnelheid van het systeem gehaald wordt, terwijl de benodigde opslagruimte geminimaliseerd wordt. De eerste belangrijkste bijdrage van dit proefschrift is een techniek om de minimale opslagruimte voor iedere mogelijke doorstroomsnelheid van een applicatie te vinden. Ondanks de theoretische complexiteit van dit probleem presteert de techniek in praktijk goed. Doordat de techniek alle mogelijke minimale combinaties van opslagruimte en doorstroomsnelheid vindt, is het mogelijk om met situaties om te gaan waarin nog niet alle ontwerpbeslissingen zijn genomen. De ontwerpbeslissingen om twee taken van een applicatie op ´e´en processor uit te voeren, zou bijvoorbeeld de doorstroomsnelheid kunnen be¨invloeden. Hierdoor is er een onzekerheid in het begin van het ontwerptraject tussen de berekende doorstroomsnelheid en de doorstroomsnelheid die daadwerkelijk gerealiseerd kan worden als alle ontwerpbeslissingen zijn genomen. Tijdens het ontwerptraject moeten de taken waaruit een applicatie is opgebouwd toegewezen worden aan de verschillende processoren en geheugens in het systeem. Indien meerdere taken een processor delen, moet ook de volgorde bepaald worden waarin deze taken worden uitgevoerd. Een belangrijke bijdrage van dit proefschrift is een techniek die deze toewijzing uitvoert en die de volgorde bepaalt waarin taken worden uitgevoerd. Bestaande technieken kunnen alleen omgaan met taken die een ´e´en-op-´e´en relatie met elkaar hebben, dat wil zeggen, taken die een gelijk aantal keren uitgevoerd worden. In een SDF graaf kunnen ook complexere relaties worden uitgedrukt. Deze relaties kunnen omgeschreven worden naar een ´e´en-op-´e´en relatie, maar dat kan leiden tot een exponenti¨ele groei van het aantal taken in de graaf. Hierdoor kan het onmogelijk worden om in een beperkte tijd alle taken aan de processoren toe te wijzen en om de volgorde te bepalen waarin deze taken worden uitgevoerd. De techniek die in dit proefschrift wordt gepresenteerd, kan omgaan met de complexe relaties tussen taken in een SDF graaf zonder de vertaling naar de ´e´en-op-´e´en relaties te maken. Dit is mogelijk dankzij een nieuwe, effici¨ente techniek om de doorstroomsnelheid van SDF grafen te bepalen. Nadat de taken van een applicatie toegewezen zijn aan de processoren in het hardware platform moet de communicatie tussen deze taken op het NoC gepland worden. In deze planning moet voor ieder bericht dat tussen de taken wordt verstuurd, worden bepaald welke route er gebruikt wordt en wanneer de communicatie gestart wordt. Dit proefschrift introduceert drie strategie¨en voor het versturen van berichten met een strikte tijdslimiet. Alle drie de strategie¨en maken maximaal gebruik van de beschikbare vrijheid die moderne NoCs bieden. Experimenten tonen aan dat deze strategie¨en hierdoor effici¨enter omgaan met de beschikbare hardware dan bestaande strategie¨en. Naast deze strategie¨en wordt er een techniek gepresenteerd om uit de ontwerpbeslissingen die gemaakt zijn tijdens het toewijzen van taken aan de processoren alle tijdslimieten af te leiden waarbinnen de berichten over het NoC gecommuniceerd moeten worden. Deze techniek koppelt de eerder genoemde techniek voor het toewijzen van taken aan processoren aan de drie strategie¨en om berichten te versturen over het NoC. Tenslotte worden de verschillende technieken die in dit proefschrift worden ge¨introduceerd gecombineerd tot een compleet ontwerptraject. Het startpunt is een SDF graaf die een applicatie modelleert en een NoC-gebaseerd MP-SoC platform met een voorspelbaar tijdsgedrag. Het doel van het ontwerptraject is het op een zodanige manier afbeelden van de applicatie op het platform dat de doorstroomsnelheid van de applicatie gegarandeerd kan worden. Daarnaast probeert het ontwerptraject de hoeveelheid hardware die gebruikt wordt te minimaliseren. Er wordt een experiment gepresenteerd waarin drie verschillende multimedia applicaties (H.263 encoder/decoder en een MP3 decoder) op een NoCgebaseerd MP-SoC worden afgebeeld. Dit experiment toont aan dat de technieken die in dit proefschrift worden voorgesteld, gebruikt kunnen worden voor het ontwerpen van systemen met een voorspelbaar tijdsgedrag. Hiermee is het voorgestelde ontwerptraject het eerste traject dat een met een SDF-gemodelleerde applicatie op een NoC-gebaseerd MP-SoC kan afbeelden, terwijl er garanties worden gegeven over de doorstroomsnelheid van de applicatie

Run-time Spatial Mapping of Streaming Applications to Heterogeneous Multi-Processor Systems

In this paper, we define the problem of spatial mapping. We present reasons why performing spatial mappings at run-time is both necessary and desirable. We propose what is—to our knowledge—the first attempt at a formal description of spatial mappings for the embedded real-time streaming application domain. Thereby, we introduce criteria for a qualitative comparison of these spatial mappings. As an illustration of how our formalization relates to practice, we relate our own spatial mapping algorithm to the formal model