Design of multimedia processor based on metric computation

Media-processing applications, such as signal processing, 2D and 3D graphics rendering, and image compression, are the dominant workloads in many embedded systems today. The real-time constraints of those media applications have taxing demands on today's processor performances with low cost, low power and reduced design delay. To satisfy those challenges, a fast and efficient strategy consists in upgrading a low cost general purpose processor core. This approach is based on the personalization of a general RISC processor core according the target multimedia application requirements. Thus, if the extra cost is justified, the general purpose processor GPP core can be enforced with instruction level coprocessors, coarse grain dedicated hardware, ad hoc memories or new GPP cores. In this way the final design solution is tailored to the application requirements. The proposed approach is based on three main steps: the first one is the analysis of the targeted application using efficient metrics. The second step is the selection of the appropriate architecture template according to the first step results and recommendations. The third step is the architecture generation. This approach is experimented using various image and video algorithms showing its feasibility

A survey of network-based hardware accelerators

Many practical data-processing algorithms fail to execute efficiently on general-purpose CPUs (Central Processing Units) due to the sequential matter of their operations and memory bandwidth limitations. To achieve desired performance levels, reconfigurable (FPGA (Field-Programmable Gate Array)-based) hardware accelerators are frequently explored that permit the processing units’ architectures to be better adapted to the specific problem/algorithm requirements. In particular, network-based data-processing algorithms are very well suited to implementation in reconfigurable hardware because several data-independent operations can easily and naturally be executed in parallel over as many processing blocks as actually required and technically possible. GPUs (Graphics Processing Units) have also demonstrated good results in this area but they tend to use significantly more power than FPGA, which could be a limiting factor in embedded applications. Moreover, GPUs employ a Single Instruction, Multiple Threads (SIMT) execution model and are therefore optimized to SIMD (Single Instruction, Multiple Data) operations, while in FPGAs fully custom datapaths can be built, eliminating much of the control overhead. This review paper aims to analyze, compare, and discuss different approaches to implementing network-based hardware accelerators in FPGA and programmable SoC (Systems-on-Chip). The performed analysis and the derived recommendations would be useful to hardware designers of future network-based hardware accelerators.publishe

Further Specialization of Clustered VLIW Processors: A MAP Decoder for Software Defined Radio

Turbo codes are extensively used in current communications standards and have a promising outlook for future generations. The advantages of software defined radio, especially dynamic reconfiguration, make it very attractive in this multi-standard scenario. However, the complex and power consuming implementation of the maximum a posteriori (MAP) algorithm, employed by turbo decoders, sets hurdles to this goal. This work introduces an ASIP architecture for the MAP algorithm, based on a dual-clustered VLIW processor. It displays the good performance of application specific designs along with the versatility of processors, which makes it compliant with leading edge standards. The machine deals with multi-operand instructions in an innovative way, the fetching and assertion of data is serialized and the addressing is automatized and transparent for the programmer. The performance-area trade-off of the proposed architecture achieves a throughput of 8 cycles per symbol with very low power dissipation

1.5 Gbit/s FPGA implementation of a fully-parallel turbo decoder designed for mission-critical machine-type communication applications

In wireless communication schemes, turbo codes facilitate near-capacity transmission throughputs by achieving reliable forward error correction. However, owing to the serial data dependencies imposed by the underlying Logarithmic Bahl-Cocke-Jelinek-Raviv (Log- BCJR) algorithm, the limited processing throughputs of conventional turbo decoder implementations impose a severe bottleneck upon the overall throughputs of realtime wireless communication schemes. Motivated by this, we recently proposed a Fully Parallel Turbo Decoder (FPTD) algorithm, which eliminates these serial data dependencies, allowing parallel processing and hence offering a significantly higher processing throughput. In this paper, we propose a novel resource-efficient version of the FPTD algorithm, which reduces its computational resource requirement by 50%, which enhancing its suitability for Field-Programmable Gate Array (FPGA) implementations. We propose a model FPGA implementation. When using a Stratix IV FPGA, the proposed FPTD FPGA implementation achieves an average throughput of 1.53 Gbit/s and an average latency of 0.56 s, when decoding frames comprising N=720 bits. These are respectively 13.2 times and 11.1 times superior to those of the state-of-the- art FPGA implementation of the Log-BCJR Long- Term Evolution (LTE) turbo decoder, when decoding frames of the same frame length at the same error correction capability. Furthermore, our proposed FPTD FPGA implementation achieves a normalized resource usage of 0.42 kALUTs Mbit/s , which is 5.2 times superior to that of the benchmarker decoder. Furthermore, when decoding the shortest N=40-bit LTE frames, the proposed FPTD FPGA implementation achieves an average throughput of 442 Mbit/s and an average latency of 0.18 s, which are respectively 21.1 times and 10.6 times superior to those of the benchmarker decoder. In this case, the normalized resource usage of 0.08 kALUTs Mbit/s is 146.4 times superior to that of the benchmarker decoder

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

Contributions to the fault tolerance of soft-core processors implemented in SRAM-based FPGA Systems.

239 p.Gracias al desarrollo de las tecnologías de diseño y fabricación, los circuitos electrónicos han llegado a grandes niveles de integración. De esta forma, hoy en día es posible implementar completos y complejos sistemas dentro de un único dispositivo incorporando gran variedad de elementos como: procesadores, osciladores, lazos de seguimiento de fase (PLLs), interfaces, conversores ADC y DAC, módulos de memoria, etc. A este concepto de diseño se le denomina comúnmente SoC (System-on-Chip). Una de las plataformas para implementar estos sistemas que más importancia está cobrando son las FPGAs (Field Programmable Gate Array). Históricamente la plataforma más utilizada para albergar los SoCs han sido las ASICs (Application- Specific Integrated Circuits), debido a su bajo consumo energético y su gran rendimiento. No obstante, su costoso proceso de desarrollo y fabricación hace que solo sean rentables en el caso de producciones masivas. Las FPGAs, por el contrario, al ser dispositivos configurables ofrecen, la posibilidad de implementar diseños personalizados a un coste mucho más reducido. Por otro lado, los continuos avances en la tecnología de las FPGAs están haciendo que éstas compitan con las ASICs a nivel de prestaciones (consumo, nivel de integración y eficiencia). Ciertas tecnologías de FPGA, como las SRAM y Flash, poseen una característica que las hace especialmente interesantes en multitud de diseños: la capacidad de reconfiguración. Dicha característica, que incluso puede ser realizada de forma autónoma, permite cambiar completamente el diseño hardware implementado con solo cargar en la FPGA un archivo de configuración denominado bitstream. La reconfiguración puede incluso permitir modificar una parte del circuito configurado en la matriz de la FPGA, mientras el resto del circuito implementado continua inalterado. Esto que se conoce como reconfiguración parcial dinámica, posibilita que un mismo chip albergue en su interior numerosos diseños hardware que pueden ser cargados a demanda. Gracias a la capacidad de reconfiguración, las FPGAs ofrecen numerosas ventajas como: posibilidad de personalización de diseños, capacidad de readaptación durante el funcionamiento para responder a cambios o corregir errores, mitigación de obsolescencia, diferenciación, menores costes de diseño o reducido tiempo para el lanzamiento de productos al mercado. Los SoC basados en FPGAs allanan el camino hacia un nuevo concepto de integración de hardware y software, permitiendo que los diseñadores de sistemas electrónicos sean capaces de integrar procesadores embebidos en los diseños para beneficiarse de su gran capacidad de computación. Gracias a esto, una parte importante de la electrónica hace uso de la tecnología FPGA abarcando un gran abanico de campos, como por ejemplo: la electrónica de consumo y el entretenimiento, la medicina o industrias como la espacial, la aviónica, la automovilística o la militar. Las tecnologías de FPGA existentes ofrecen dos vías de utilización de procesado- res embebidos: procesadores hardcore y procesadores softcore. Los hardcore son procesadores discretos integrados en el mismo chip de la FPGA. Generalmente ofrecen altas frecuencias de trabajo y una mayor previsibilidad en términos de rendimiento y uso del área, pero su diseño hardware no puede alterarse para ser personalizado. Por otro lado, un procesador soft-core, es la descripción hardware en lenguaje HDL (normalmente VDHL o Verilog) de un procesador, sintetizable e implementable en una FPGA. Habitualmente, los procesadores softcore suelen basarse en diseños hardware ya existentes, siendo compatibles con sus juegos de instrucciones, muchos de ellos en forma de IP cores (Intellectual Property co- res). Los IP cores ofrecen procesadores softcore prediseñados y testeados, que dependiendo del caso pueden ser de pago, gratuitos u otro tipo de licencias. Debido a su naturaleza, los procesadores softcore, pueden ser personalizados para una adaptación óptima a diseños específicos. Así mismo, ofrecen la posibilidad de integrar en el diseño tantos procesadores como se desee (siempre que haya disponibles recursos lógicos suficientes). Otra ventaja importante es que, gracias a la reconfiguración parcial dinámica, es posible añadir el procesador al diseño únicamente en los casos necesarios, ahorrando de esta forma, recursos lógicos y consumo energético. Uno de los mayores problemas que surgen al usar dispositivos basados en las tecnologías SRAM o la flash, como es el caso de las FPGAs, es que son especialmente sensibles a los efectos producidos por partículas energéticas provenientes de la radiación cósmica (como protones, neutrones, partículas alfa u otros iones pesados) denominados efectos de eventos simples o SEEs (Single Event Effects). Estos efectos pueden ocasionar diferentes tipos de fallos en los sistemas: desde fallos despreciables hasta fallos realmente graves que comprometan la funcionalidad del sistema. El correcto funcionamiento de los sistemas cobra especial relevancia cuando se trata de tecnologías de elevado costo o aquellas en las que peligran vidas humanas, como, por ejemplo, en campos tales como el transporte ferroviario, la automoción, la aviónica o la industria aeroespacial. Dependiendo de distintos factores, los SEEs pueden causar fallos de operación transitorios, cambios de estados lógicos o daños permanentes en el dispositivo. Cuando se trata de un fallo físico permanente se denomina hard-error, mientras que cuando el fallo afecta el circuito momentáneamente se denomina soft-error. Los SEEs más frecuentes son los soft-errors y afectan tanto a aplicaciones comerciales a nivel terrestre, como a aplicaciones aeronáuticas y aeroespaciales (con mayor incidencia en estas últimas). La contribución exacta de este tipo de fallos a la tasa de errores depende del diseño específico de cada circuito, pero en general se asume que entorno al 90 % de la tasa de error se debe a fallos en elementos de memoria (latches, biestables o celdas de memoria). Los soft-errors pueden afectar tanto al circuito lógico como al bitstream cargado en la memoria de configuración de la FPGA. Debido a su gran tamaño, la memoria de configuración tiene más probabilidades de ser afectada por un SEE. La existencia de problemas generados por estos efectos reafirma la importancia del concepto de tolerancia a fallos. La tolerancia a fallos es una propiedad relativa a los sistemas digitales, por la cual se asegura cierta calidad en el funcionamiento ante la presencia de fallos, debiendo los sistemas poder soportar los efectos de dichos fallos y funcionar correctamente en todo momento. Por tanto, para lograr un diseño robusto, es necesario garantizar la funcionalidad de los circuitos y asegurar la seguridad y confiabilidad en las aplicaciones críticas que puedan verse comprometidos por los SEE. A la hora de hacer frente a los SEE existe la posibilidad de explotar tecnologías específicas centradas en la tolerancia a fallos, como por ejemplo las FPGAs de tipo fusible, o, por otro lado, utilizar la tecnología comercial combinada con técnicas de tolerancia a fallos. Esta última opción va cobrando importancia debido al menor precio y mayores prestaciones de las FPGAs comerciales. Generalmente las técnicas de endurecimiento se aplican durante la fase de diseño. Existe un gran número de técnicas y se pueden llegar a combinar entre sí. Las técnicas prevalentes se basan en emplear algún tipo de redundancia, ya sea hardware, software, temporal o de información. Cada tipo de técnica presenta diferentes ventajas e inconvenientes y se centra en atacar distintos tipos de SEE y sus efectos. Dentro de las técnicas de tipo redundancia, la más utilizada es la hardware, que se basa en replicar el modulo a endurecer. De esta forma, cada una de las réplicas es alimentada con la misma entrada y sus salidas son comparadas para detectar discrepancias. Esta redundancia puede implementarse a diferentes niveles. En términos generales, un mayor nivel de redundancia hardware implica una mayor robustez, pero también incrementa el uso de recursos. Este incremento en el uso de recursos de una FPGA supone tener menos recursos disponibles para el diseño, mayor consumo energético, el tener más elementos susceptibles de ser afectados por un SEE y generalmente, una reducción de la máxima frecuencia alcanzable por el diseño. Por ello, los niveles de redundancia hardware más utilizados son la doble, conocida como DMR (Dual Modular Redundancy) y la triple o TMR (Triple Modular Redundancy). La DMR minimiza el número de recursos redundantes, pero presenta el problema de no poder identificar el módulo fallido ya que solo es capaz de detectar que se ha producido un error. Ello hace necesario combinarlo con técnicas adicionales. Al caso de DMR aplicado a procesadores se le denomina lockstep y se suele combinar con las técnicas checkpoint y rollback recovery. El checkpoint consiste en guardar periódicamente el contexto (contenido de registros y memorias) de instantes identificados como correctos. Gracias a esto, una vez detectado y reparado un fallo es posible emplear el rollback recovery para cargar el último contexto correcto guardado. Las desventajas de estas estrategias son el tiempo requerido por ambas técnicas (checkpoint y rollback recovery) y la necesidad de elementos adicionales (como memorias auxiliares para guardar el contexto). Por otro lado, el TMR ofrece la posibilidad de detectar el módulo fallido mediante la votación por mayoría. Es decir, si tras comparar las tres salidas una de ellas presenta un estado distinto, se asume que las otras dos son correctas. Esto permite que el sistema continúe funcionando correctamente (como sistema DMR) aun cuando uno de los módulos quede inutilizado. En todo caso, el TMR solo enmascara los errores, es decir, no los corrige. Una de las desventajas más destacables de esta técnica es que incrementa el uso de recursos en más de un 300 %. También cabe la posibilidad de que la salida discrepante sea la realmente correcta (y que, por tanto, las otras dos sean incorrectas), aunque este caso es bastante improbable. Uno de los problemas que no se ha analizado con profundidad en la bibliografía es el problema de la sincronización de procesadores soft-core en sistemas TMR (o de mayor nivel de redundancia). Dicho problema reside en que, si tras un fallo se inutiliza uno de los procesadores y el sistema continúa funcionando con el resto de procesadores, una vez reparado el procesador fallido éste necesita sincronizar su contexto al nuevo estado del sistema. Una práctica bastante común en la implementación de sistemas redundantes es combinarlos con la técnica conocida como scrubbing. Esta técnica basada en la reconfiguración parcial dinámica, consiste en sobrescribir periódicamente el bitstream con una copia libre de errores apropiadamente guardada. Gracias a ella, es posible corregir los errores enmascarados por el uso de algunas técnicas de endurecimiento como la redundancia hardware. Esta copia libre de errores suele omitir los bits del bitstream correspondientes a la memoria de usuario, por lo que solo actualiza los bits relacionados con la configuración de la FPGA. Por ello, a esta técnica también se la conoce como configuration scrubbing. En toda la literatura consultada se ha detectado un vacío en cuanto a técnicas que propongan estrategias de scrubbing para la memoria de usuario. Con el objetivo de proponer alternativas innovadoras en el terreno de la tolerancia a fallos para procesadores softcore, en este trabajo de investigación se han desarrollado varias técnicas y flujos de diseño para manejar los datos de usuario a través del bitstream, pudiendo leer, escribir o copiar la información de registros o de memorias implementadas en bloques RAMs de forma autónoma. Así mismo se ha desarrollado un abanico de propuestas tanto como para estrategias lockstep como para la sincronización de sistemas TMR, de las cuales varias hacen uso de las técnicas desarrolladas para manejar las memorias de usuario a través del bitstream. Estas últimas técnicas tienen en común la minimización de utilización de recursos respecto a las estrategias tradicionales. De forma similar, se proponen dos alternativas adicionales basadas en dichas técnicas: una propuesta de scrubbing para las memorias de usuario y una para la recuperación de información en memorias implementadas en bloques RAM cuyas interfaces hayan sido inutilizadas por SEEs.Todas las propuestas han sido validadas en hardware utilizando una FPGA de Xilinx, la empresa líder en fabricación de dispositivos reconfigurables. De esta forma se proporcionan resultados sobre los impactos de las técnicas propuestas en términos de utilización de recursos, consumos energéticos y máximas frecuencias alcanzables

A Reconfigurable Processor for Heterogeneous Multi-Core Architectures

A reconfigurable processor is a general-purpose processor coupled with an FPGA-like reconfigurable fabric. By deploying application-specific accelerators, performance for a wide range of applications can be improved with such a system. In this work concepts are designed for the use of reconfigurable processors in multi-tasking scenarios and as part of multi-core systems

Interconnect technologies for very large spiking neural networks

In the scope of this thesis, a neural event communication architecture has been developed for use in an accelerated neuromorphic computing system and with a packet-based high performance interconnection network. Existing neuromorphic computing systems mostly use highly customised interconnection networks, directly routing single spike events to their destination. In contrast, the approach of this thesis uses a general purpose packet-based interconnection network and accumulates multiple spike events at the source node into larger network packets destined to common destinations. This is required to optimise the payload efficiency, given relatively large packet headers as compared to the size of neural spike events. Theoretical considerations are made about the efficiency of different event aggregation strategies. Thereby, important factors are the number of occurring event network-destinations and their relative frequency, as well as the number of available accumulation buffers. Based on the concept of Markov Chains, an analytical method is developed and used to evaluate these aggregation strategies. Additionally, some of these strategies are stochastically simulated in order to verify the analytical method and evaluate them beyond its applicability. Based on the results of this analysis, an optimisation strategy is proposed for the mapping of neural populations onto interconnected neuromorphic chips, as well as the joint assignment of event network-destinations to a set of accumulation buffers. During this thesis, such an event communication architecture has been implemented on the communication FPGAs in the BrainScaleS-2 accelerated neuromorphic computing system. Thereby, its usability can be scaled beyond single chip setups. For this, the EXTOLL network technology is used to transport and route the aggregated neural event packets with high bandwidth and low latency. At the FPGA, a network bandwidth of up to 12 Gbit/s is usable at a maximum payload efficiency of 94 %. The latency has been measured in the scope of this thesis to a range between 1.6 μs and 2.3 μs across the network between two neuron circuits on separate chips. This latency is thereby mostly dominated by the path from the neuromorphic chip across the communication FPGA into the network and back on the receiving side. As the EXTOLL network hardware itself is clocked at a much higher frequency than the FPGAs, the latency is expected to scale in the order of only approximately 75 ns for each additional hop through the network. For being able to globally interpret the arrival timestamps that are transmitted with every spike event, the system time counters on the FPGAs are synchronised across the network. For this, the global interrupt mechanism implemented in the EXTOLL hardware is characterised and used within this thesis. With this, a synchronisation accuracy of ±40ns could be measured. At the end of this thesis, the successful emulation of a neural signal propagation model, distributed across two BrainScaleS-2 chips and FPGAs is demonstrated using the implemented event communication architecture and the described synchronisation mechanism