Optimisation des mémoires dans le flot de conception des systèmes multiprocesseurs sur puces pour des applications de type multimédia

RÉSUMÉ Les systèmes multiprocesseurs sur puce (MPSoC) constituent l'un des principaux moteurs de la révolution industrielle des semi-conducteurs. Les MPSoCs jouissent d’une popularité grandissante dans le domaine des systèmes embarqués. Leur grande capacité de parallélisation à un très haut niveau d'intégration, en font de bons candidats pour les systèmes et les applications telles que les applications multimédia. La consommation d’énergie, la capacité de calcul et l’espace de conception sont les éléments dont dépendent les performances de ce type d’applications. La mémoire est le facteur clé permettant d’améliorer de façon substantielle leurs performances. Avec l’arrivée des applications multimédias embarquées dans l’industrie, le problème des gains de performances est vital. La masse de données traitées par ces applications requiert une grande capacité de calcul et de mémoire. Dernièrement, de nouveaux modèles de programmation ont fait leur apparition. Ces modèles offrent une programmation de plus haut niveau pour répondre aux besoins croissants des MPSoCs, d’où la nécessité de nouvelles approches d'optimisation et de placement pour les systèmes embarqués et leurs modèles de programmation. La conception niveau système des architectures MPSoCs pour les applications de type multimédia constitue un véritable défi technique. L’objectif général de cette thèse est de relever ce défi en trouvant des solutions. Plus spécifiquement, cette thèse se propose d’introduire le concept d’optimisation mémoire dans le flot de conception niveau système et d’observer leur impact sur différents modèles de programmation utilisés lors de la conception de MPSoCs. Il s’agit, autrement dit, de réaliser l’unification du domaine de la compilation avec celui de la conception niveau système pour une meilleure conception globale. La contribution de cette thèse est de proposer de nouvelles approches pour les techniques d'optimisation mémoire pour la conception MPSoCs avec différents modèles de programmation. Nos travaux de recherche concernent l'intégration des techniques d’optimisation mémoire dans le flot de conception de MPSoCs pour différents types de modèle de programmation. Ces travaux ont été exécutés en collaboration avec STMicroelectronics.----------ABSTRACT Multiprocessor systems-on-chip (MPSoC) are defined as one of the main drivers of the industrial semiconductors revolution. MPSoCs are gaining popularity in the field of embedded systems. Pursuant to their great ability to parallelize at a very high integration level, they are good candidates for systems and applications such as multimedia. Memory is becoming a key player for significant improvements in these applications (i.e. power, performance and area). With the emergence of more embedded multimedia applications in the industry, this issue becomes increasingly vital. The large amount of data manipulated by these applications requires high-capacity calculation and memory. Lately, new programming models have been introduced. These programming models offer a higher programming level to answer the increasing needs of MPSoCs. This leads to the need of new optimization and mapping approaches suitable for embedded systems and their programming models. The overall objective of this research is to find solutions to the challenges of system level design of applications such as multimedia. This entails the development of new approaches and new optimization techniques. The specific objective of this research is to introduce the concept of memory optimization in the system level conception flow and study its impact on different programming models used for MPSoCs’ design. In other words, it is the unification of the compilation and system level design domains. The contribution of this research is to propose new approaches for memory optimization techniques for MPSoCs’ design in different programming models. This thesis relates to the integration of memory optimization to varying programming model types in the MPSoCs conception flow. Our research was done in collaboration with STMicroelectronics

Optimisation mémoire et exploration architecturale d'applications multimédias sur un réseau sur puce

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal

Techniques d'exploration architecturale de design à usage spécifique pour l'accélération de boucles

RÉSUMÉ De nos jours, les industriels privilégient les architectures flexibles afin de réduire le temps et les coûts de conception d’un système. Les processeurs à usage spécifique (ASIP) fournissent beaucoup de flexibilité, tout en atteignant des performances élevées. Une tendance qui a de plus en plus de succès dans le processus de conception d’un système sur puce consiste à spécifier le comportement du système en langage évolué tel que le C, SystemC, etc. La spécification est ensuite utilisée durant le partitionement pour déterminer les composantes logicielles et matérielles du système. Avec la maturité des générateurs automatiques de ASIP, les concepteurs peuvent rajouter dans leurs boîtes à outils un nouveau type d’architecture, à savoir les ASIP, en sachant que ces derniers sont conçus à partir d’une spécification décrite en langage évolué. D’un autre côté, dans le monde matériel, et cela depuis très longtemps, les chercheurs ont vu l’avantage de baser le processus de conception sur un langage évolué. Cette recherche a abouti à l’avénement de générateurs automatiques de matériel sur le marché qui sont des outils d’aide à la conception comme CapatultC, Forte’s Cynthetizer, etc. Ainsi, avec tous ces outils basés sur le langage C, les concepteurs ont un choix de types de design élargi mais, d’un autre côté, les options de designs possibles explosent, ce qui peut allonger au lieu de réduire le temps de conception. C’est dans ce cadre que notre thèse doctorale s’inscrit, puisqu’elle présente des méthodologies d’exploration architecturale de design à usage spécifique pour l’accélération de boucles afin de réduire le temps de conception, entre autres. Cette thèse a débuté par l’exploration de designs de ASIP. Les boucles de traitement sont de bonnes candidates à l’accélération, si elles comportent de bonnes possibilités de parallélisme et si ces dernières sont bien exploitées. Le matériel est très efficace à profiter des possibilités de parallélisme au niveau instruction, donc, une méthode de conception a été proposée. Cette dernière extrait le parallélisme d’une boucle afin d’exécuter plus d’opérations concurrentes dans des instructions spécialisées. Notre méthode se base aussi sur l’optimisation des données dans l’architecture du processeur.---------- ABSTRACT Time to market is a very important concern in industry. That is why the industry always looks for new CAD tools that contribute to reducing design time. Application-specific instruction-set processors (ASIPs) provide flexibility and they allow reaching good performance if they are well designed. One trend that gains more and more success is C-based design that uses a high level language such as C, SystemC, etc. The C-based specification is used during the partitionning phase to determine the software and hardware components of the system. Since automatic processor generators are mature now, designers have a new type of tool they can rely on during architecture design. In the hardware world, high level synthesis was and is still a hot research topic. The advances in ESL lead to commercial high-level synthesis tools such as CapatultC, Forte’s Cynthetizer, etc. The designers have more tools in their box but they have more solutions to explore, thus their use can have a reverse effect since the design time can increase instead of being reduced. Our doctoral research tackles this issue by proposing new methodologies for design space exploration of application specific architecture for loop acceleration in order to reduce the design time while reaching some targeted performances. Our thesis starts with the exploration of ASIP design. We propose a method that targets loop acceleration with highly coupled specialized-instructions executing loop operations. Loops are good candidates for acceleration when the parallelism they offer is well exploited (if they have any parallelization opportunities). Hardware components such as specialized-instructions can leverage parallelization opportunities at low level. Thus, we propose to extract loop parallelization opportunities and to execute more concurrent operations in specialized-instructions. The main contribution of this method is a new approach to specialized-instruction (SI) design based on loop acceleration where loop optimization and transformation are done in SIs directly, instead of optimizing the software code. Another contribution is the design of tightly-coupled specialized-instructions associated with loops based on a 5-pattern representation

ABSTRACT Optimizing Inter-Nest Data Locality

By examining data reuse patterns of four array-intensive embedded applications, we found that these codes exhibit a significant amount of inter-nest reuse (i.e., the data reuse that occurs between different nests). While traditional compiler techniques that target array-intensive applications can exploit intra-nest data reuse, there has not been much success in the past in taking advantage of internest data reuse. In this paper, we present a compiler strategy that optimizes inter-nest reuse using loop (iteration space) transformations. Our approach captures the impact of execution of a nest on cache contents using an abstraction called footprint vector. Then, it transforms a given nest such that the new (transformed) access pattern reuses the data left in cache by the previous nest in the code. In optimizing inter-nest locality, our approach also tries to achieve good intra-nest locality. Our simulation results indicate large performance improvements. In particular, inter-nest loop optimization generates competitive results with intra-nest loop and data optimizations