Experimental Evaluation and Comparison of Time-Multiplexed Multi-FPGA Routing Architectures

Emulating large complex designs require multi-FPGA systems (MFS). However, inter-FPGA communication is confronted by the challenge of lack of interconnect capacity due to limited number of FPGA input/output (I/O) pins. Serializing parallel signals onto a single trace effectively addresses the limited I/O pin obstacle. Besides the multiplexing scheme and multiplexing ratio (number of inter-FPGA signals per trace), the choice of the MFS routing architecture also affect the critical path latency. The routing architecture of an MFS is the interconnection pattern of FPGAs, fixed wires and/or programmable interconnect chips. Performance of existing MFS routing architectures is also limited by off-chip interface selection. In this dissertation we proposed novel 2D and 3D latency-optimized time-multiplexed MFS routing architectures. We used rigorous experimental approach and real sequential benchmark circuits to evaluate and compare the proposed and existing MFS routing architectures. This research provides a new insight into the encouraging effects of using off-chip optical interface and three dimensional MFS routing architectures. The vertical stacking results in shorter off-chip links improving the overall system frequency with the additional advantage of smaller footprint area. The proposed 3D architectures employed serialized interconnect between intra-plane and inter-plane FPGAs to address the pin limitation problem. Additionally, all off-chip links are replaced by optical fibers that exhibited latency improvement and resulted in faster MFS. Results indicated that exploiting third dimension provided latency and area improvements as compared to 2D MFS. We also proposed latency-optimized planar 2D MFS architectures in which electrical interconnections are replaced by optical interface in same spatial distribution. Performance evaluation and comparison showed that the proposed architectures have reduced critical path delay and system frequency improvement as compared to conventional MFS. We also experimentally evaluated and compared the system performance of three inter-FPGA communication schemes i.e. Logic Multiplexing, SERDES and MGT in conjunction with two routing architectures i.e. Completely Connected Graph (CCG) and TORUS. Experimental results showed that SERDES attained maximum frequency than the other two schemes. However, for very high multiplexing ratios, the performance of SERDES & MGT became comparable

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

Speed-up run-time reconfiguration implementation on FPGAs

International audienceReconfigurable computing is certainly one of the most important emerging research topics over the last few years, in the field of digital processing architectures. The introduction of run-time reconfiguration (RTR) on FPGAs requires appropriate design flows and methodologies to fully exploit this new functionality. For that purpose we present an automatic design generation methodology for heterogeneous architectures based on Network on Chip (NoC) and FPGAs that eases and speed-up RTR implementation. We focus on how to take into account specificities of partially reconfigurable components during the design generation steps. This method automatically generates designs for both fixed and partially reconfigurable parts of a FPGA with automaticmanagement of the reconfiguration process. Furthermore this automatic design generation enables reconfiguration pre-fetching techniques to minimize reconfiguration latency and buffer merging techniques to minimize memory requirements of the generated design. This concept has been applied to different wireless access schemes, based on a combination of OFDM and CDMA techniques. The implementation example illustrates the benefits of the proposed design methodology

Automated Hardware Prototyping for 3D Network on Chips

Vor mehr als 50 Jahren stellte Intel® Mitbegründer Gordon Moore eine Prognose zum Entwicklungsprozess der Transistortechnologie auf. Er prognostizierte, dass sich die Zahl der Transistoren in integrierten Schaltungen alle zwei Jahre verdoppeln wird. Seine Aussage ist immer noch gültig, aber ein Ende von Moores Gesetz ist in Sicht. Mit dem Ende von Moore’s Gesetz müssen neue Aspekte untersucht werden, um weiterhin die Leistung von integrierten Schaltungen zu steigern. Zwei mögliche Ansätze für "More than Moore” sind 3D-Integrationsverfahren und heterogene Systeme. Gleichzeitig entwickelt sich ein Trend hin zu Multi-Core Prozessoren, basierend auf Networks on chips (NoCs). Neben dem Ende des Mooreschen Gesetzes ergeben sich bei immer kleiner werdenden Technologiegrößen, vor allem jenseits der 60 nm, neue Herausforderungen. Eine Schwierigkeit ist die Wärmeableitung in großskalierten integrierten Schaltkreisen und die daraus resultierende Überhitzung des Chips. Um diesem Problem in modernen Multi-Core Architekturen zu begegnen, muss auch die Verlustleistung der Netzwerkressourcen stark reduziert werden. Diese Arbeit umfasst eine durch Hardware gesteuerte Kombination aus Frequenzskalierung und Power Gating für 3D On-Chip Netzwerke, einschließlich eines FPGA Prototypen. Dafür wurde ein Takt-synchrones 2D Netzwerk auf ein dreidimensionales asynchrones Netzwerk mit mehreren Frequenzbereichen erweitert. Zusätzlich wurde ein skalierbares Online-Power-Management System mit geringem Ressourcenaufwand entwickelt. Die Verifikation neuer Hardwarekomponenten ist einer der zeitaufwendigsten Schritte im Entwicklungsprozess hochintegrierter digitaler Schaltkreise. Um diese Aufgabe zu beschleunigen und um eine parallele Softwareentwicklung zu ermöglichen, wurde im Rahmen dieser Arbeit ein automatisiertes und benutzerfreundliches Tool für den Entwurf neuer Hardware Projekte entwickelt. Eine grafische Benutzeroberfläche zum Erstellen des gesamten Designablaufs, vom Erstellen der Architektur, Parameter Deklaration, Simulation, Synthese und Test ist Teil dieses Werkzeugs. Zudem stellt die Größe der Architektur für die Erstellung eines Prototypen eine besondere Herausforderung dar. Frühere Arbeiten haben es versäumt, eine schnelles und unkompliziertes Prototyping, insbesondere von Architekturen mit mehr als 50 Prozessorkernen, zu realisieren. Diese Arbeit umfasst eine Design Space Exploration und FPGA-basierte Prototypen von verschiedenen 3D-NoC Implementierungen mit mehr als 80 Prozessoren

Efficient reconfigurable architectures for 3D medical image compression

This thesis was submitted for the degree of Doctor of Philosophy and awarded by Brunel University.Recently, the more widespread use of three-dimensional (3-D) imaging modalities, such as magnetic resonance imaging (MRI), computed tomography (CT), positron emission tomography (PET), and ultrasound (US) have generated a massive amount of volumetric data. These have provided an impetus to the development of other applications, in particular telemedicine and teleradiology. In these fields, medical image compression is important since both efficient storage and transmission of data through high-bandwidth digital communication lines are of crucial importance. Despite their advantages, most 3-D medical imaging algorithms are computationally intensive with matrix transformation as the most fundamental operation involved in the transform-based methods. Therefore, there is a real need for high-performance systems, whilst keeping architectures exible to allow for quick upgradeability with real-time applications. Moreover, in order to obtain efficient solutions for large medical volumes data, an efficient implementation of these operations is of significant importance. Reconfigurable hardware, in the form of field programmable gate arrays (FPGAs) has been proposed as viable system building block in the construction of high-performance systems at an economical price. Consequently, FPGAs seem an ideal candidate to harness and exploit their inherent advantages such as massive parallelism capabilities, multimillion gate counts, and special low-power packages. The key achievements of the work presented in this thesis are summarised as follows. Two architectures for 3-D Haar wavelet transform (HWT) have been proposed based on transpose-based computation and partial reconfiguration suitable for 3-D medical imaging applications. These applications require continuous hardware servicing, and as a result dynamic partial reconfiguration (DPR) has been introduced. Comparative study for both non-partial and partial reconfiguration implementation has shown that DPR offers many advantages and leads to a compelling solution for implementing computationally intensive applications such as 3-D medical image compression. Using DPR, several large systems are mapped to small hardware resources, and the area, power consumption as well as maximum frequency are optimised and improved. Moreover, an FPGA-based architecture of the finite Radon transform (FRAT)with three design strategies has been proposed: direct implementation of pseudo-code with a sequential or pipelined description, and block random access memory (BRAM)- based method. An analysis with various medical imaging modalities has been carried out. Results obtained for image de-noising implementation using FRAT exhibits promising results in reducing Gaussian white noise in medical images. In terms of hardware implementation, promising trade-offs on maximum frequency, throughput and area are also achieved. Furthermore, a novel hardware implementation of 3-D medical image compression system with context-based adaptive variable length coding (CAVLC) has been proposed. An evaluation of the 3-D integer transform (IT) and the discrete wavelet transform (DWT) with lifting scheme (LS) for transform blocks reveal that 3-D IT demonstrates better computational complexity than the 3-D DWT, whilst the 3-D DWT with LS exhibits a lossless compression that is significantly useful for medical image compression. Additionally, an architecture of CAVLC that is capable of compressing high-definition (HD) images in real-time without any buffer between the quantiser and the entropy coder is proposed. Through a judicious parallelisation, promising results have been obtained with limited resources. In summary, this research is tackling the issues of massive 3-D medical volumes data that requires compression as well as hardware implementation to accelerate the slowest operations in the system. Results obtained also reveal a significant achievement in terms of the architecture efficiency and applications performance.Ministry of Higher Education Malaysia (MOHE), Universiti Tun Hussein Onn Malaysia (UTHM) and the British Counci

Adaptation of High Performance and High Capacity Reconfigurable Systems to OpenCL Programming Environments

[EN] In this work, we adapt a reconfigurable computer system based on FPGA technologies to OpenCL programming environments. The reconfigurable system is part of a compute prototype of the MANGO European project that includes 96 FPGAs. To optimize the use and to obtain its maximum performance, it is essential to adapt it to heterogeneous systems programming environments such as OpenCL, which simplifies its programming. In this work, all the necessary activities for correct implementation of the software and hardware layer required for its use in OpenCL will be carried out, as well as an evaluation of the performance obtained and the flexibility offered by the solution provided. This work has been performed during an internship of 5 months. The internship is linked to an agreement between UPV and UniNa (Università degli Studi di Napoli Federico II).[ES] En este trabajo se va a realizar la adaptación de un sistema reconfigurable de cómputo basado en tecnologías de FPGAs hacia entornos de programación en OpenCL. El sistema reconfigurable forma parte de un prototipo de cálculo del proyecto Europeo MANGO que incluye 96 FPGAs. Con el fin de optimizar el uso y de obtener sus máximas prestaciones, se hace imprescindible una adaptación a entornos de programación de sistemas heterogéneos como OpenCL, lo cual simplifica su programación y uso. En este trabajo se realizarán todas las actividades necesarias para una correcta implementación de la capa software y hardware necesaria para su uso en OpenCL así como una evaluación de las prestaciones obtenidas y de la flexibilidad ofrecida por la solución aportada. Este trabajo se ha llevado a término durante una estancia de cinco meses en la Universitat Politécnica de Valéncia. Esta estancia está vinculada a un acuerdo entre la Universitat Politécnica de Valéncia y la Università degli Studi di Napoli Federico IIRusso, D. (2020). Adaptation of High Performance and High Capacity Reconfigurable Systems to OpenCL Programming Environments. http://hdl.handle.net/10251/150393TFG