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

Low Power Processor Architectures and Contemporary Techniques for Power Optimization – A Review

The technological evolution has increased the number of transistors for a given die area significantly and increased the switching speed from few MHz to GHz range. Such inversely proportional decline in size and boost in performance consequently demands shrinking of supply voltage and effective power dissipation in chips with millions of transistors. This has triggered substantial amount of research in power reduction techniques into almost every aspect of the chip and particularly the processor cores contained in the chip. This paper presents an overview of techniques for achieving the power efficiency mainly at the processor core level but also visits related domains such as buses and memories. There are various processor parameters and features such as supply voltage, clock frequency, cache and pipelining which can be optimized to reduce the power consumption of the processor. This paper discusses various ways in which these parameters can be optimized. Also, emerging power efficient processor architectures are overviewed and research activities are discussed which should help reader identify how these factors in a processor contribute to power consumption. Some of these concepts have been already established whereas others are still active research areas. © 2009 ACADEMY PUBLISHER

Implementation of Data-Driven Applications on Two-Level Reconfigurable Hardware

RÉSUMÉ Les architectures reconfigurables à large grain sont devenues un sujet important de recherche en raison de leur haut potentiel pour accélérer une large gamme d’applications. Ces architectures utilisent la nature parallèle de l’architecture matérielle pour accélérer les calculs. Les architectures reconfigurables à large grain sont en mesure de combler les lacunes existantes entre le FPGA (architecture reconfigurable à grain fin) et le processeur. Elles contrastent généralement avec les Application Specific Integrated Circuits (ASIC) en ce qui concerne la performance (moins bonnes) et la flexibilité (meilleures). La programmation d’architectures reconfigurables est un défi qui date depuis longtemps et pose plusieurs problèmes. Les programmeurs doivent être avisés des caractéristiques du matériel sur lequel ils travaillent et connaître des langages de description matériels tels que VHDL et Verilog au lieu de langages de programmation séquentielle. L’implémentation d’un algorithme sur FPGA s’avère plus difficile que de le faire sur des CPU ou des GPU. Les implémentations à base de processeurs ont déjà leur chemin de données pré synthétisé et ont besoin uniquement d’un programme pour le contrôler. Par contre, dans un FPGA, le développeur doit créer autant le chemin de données que le contrôleur. Cependant, concevoir une nouvelle architecture pour exploiter efficacement les millions de cellules logiques et les milliers de ressources arithmétiques dédiées qui sont disponibles dans une FPGA est une tâche difficile qui requiert beaucoup de temps. Seulement les spécialistes dans le design de circuits peuvent le faire. Ce projet est fondé sur un tissu de calcul générique contrôlé par les données qui a été proposé par le professeur J.P David et a déjà été implémenté par un étudiant à la maîtrise M. Allard. Cette architecture est principalement formée de trois composants: l’unité arithmétique et logique partagée (Shared Arithmetic Logic Unit –SALU-), la machine à état pour le jeton des données (Token State Machine –TSM-) et la banque de FIFO (FIFO Bank –FB-). Cette architecture est semblable aux architectures reconfigurables à large grain (Coarse-Grained Reconfigurable Architecture-CGRAs-), mais contrôlée par les données.----------ABSTRACT Coarse-grained reconfigurable computing architectures have become an important research topic because of their high potential to accelerate a wide range of applications. These architectures apply the concurrent nature of hardware architecture to accelerate computations. Substantially, coarse-grained reconfigurable computing architectures can fill up existing gaps between FPGAs and processor. They typically contrast with Application Specific Integrated Circuits (ASICs) in connection with performance and flexibility. Programming reconfigurable computing architectures is a long-standing challenge, and it is yet extremely inconvenient. Programmers must be aware of hardware features and also it is assumed that they have a good knowledge of hardware description languages such as VHDL and Verilog, instead of the sequential programming paradigm. Implementing an algorithm on FPGA is intrinsically more difficult than programming a processor or a GPU. Processor-based implementations “only” require a program to control their pre-synthesized data path, while an FPGA requires that a designer creates a new data path and a new controller for each application. Nevertheless, conceiving an architecture that best exploits the millions of logic cells and the thousands of dedicated arithmetic resources available in an FPGA is a time-consuming challenge that only talented experts in circuit design can handle. This project is founded on the generic data-driven compute fabric proposed by Prof. J.P. David and implemented by M. Allard, a previous master student. This architecture is composed of three main individual components: the Shared Arithmetic Logic Unit (SALU), the Token State Machine (TSM) and the FIFO Bank (FB). The architecture is somewhat similar to Coarse-Grained Reconfigurable Architectures (CGRAs), but it is data-driven. Indeed, in that architecture, register banks are replaced by FBs and the controllers are TSMs. The operations start as soon as the operands are available in the FIFOs that contain the operands. Data travel from FBs to FBs through the SALU, as programmed in the configuration memory of the TSMs. Final results return in FIFOs

Virtual Runtime Application Partitions for Resource Management in Massively Parallel Architectures

This thesis presents a novel design paradigm, called Virtual Runtime Application Partitions (VRAP), to judiciously utilize the on-chip resources. As the dark silicon era approaches, where the power considerations will allow only a fraction chip to be powered on, judicious resource management will become a key consideration in future designs. Most of the works on resource management treat only the physical components (i.e. computation, communication, and memory blocks) as resources and manipulate the component to application mapping to optimize various parameters (e.g. energy efficiency). To further enhance the optimization potential, in addition to the physical resources we propose to manipulate abstract resources (i.e. voltage/frequency operating point, the fault-tolerance strength, the degree of parallelism, and the configuration architecture). The proposed framework (i.e. VRAP) encapsulates methods, algorithms, and hardware blocks to provide each application with the abstract resources tailored to its needs. To test the efficacy of this concept, we have developed three distinct self adaptive environments: (i) Private Operating Environment (POE), (ii) Private Reliability Environment (PRE), and (iii) Private Configuration Environment (PCE) that collectively ensure that each application meets its deadlines using minimal platform resources. In this work several novel architectural enhancements, algorithms and policies are presented to realize the virtual runtime application partitions efficiently. Considering the future design trends, we have chosen Coarse Grained Reconfigurable Architectures (CGRAs) and Network on Chips (NoCs) to test the feasibility of our approach. Specifically, we have chosen Dynamically Reconfigurable Resource Array (DRRA) and McNoC as the representative CGRA and NoC platforms. The proposed techniques are compared and evaluated using a variety of quantitative experiments. Synthesis and simulation results demonstrate VRAP significantly enhances the energy and power efficiency compared to state of the art.Siirretty Doriast

MULTI-OBJECTIVE DESIGN AUTOMATION FOR RECONFIGURABLE MULTI-PROCESSOR SYSTEMS

Ph.DDOCTOR OF PHILOSOPH

Parallel and Distributed Computing

The 14 chapters presented in this book cover a wide variety of representative works ranging from hardware design to application development. Particularly, the topics that are addressed are programmable and reconfigurable devices and systems, dependability of GPUs (General Purpose Units), network topologies, cache coherence protocols, resource allocation, scheduling algorithms, peertopeer networks, largescale network simulation, and parallel routines and algorithms. In this way, the articles included in this book constitute an excellent reference for engineers and researchers who have particular interests in each of these topics in parallel and distributed computing

High level compilation for gate reconfigurable architectures

Thesis (Ph. D.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Electrical Engineering and Computer Science, 2001.Includes bibliographical references (p. 205-215).A continuing exponential increase in the number of programmable elements is turning management of gate-reconfigurable architectures as "glue logic" into an intractable problem; it is past time to raise this abstraction level. The physical hardware in gate-reconfigurable architectures is all low level - individual wires, bit-level functions, and single bit registers - hence one should look to the fetch-decode-execute machinery of traditional computers for higher level abstractions. Ordinary computers have machine-level architectural mechanisms that interpret instructions - instructions that are generated by a high-level compiler. Efficiently moving up to the next abstraction level requires leveraging these mechanisms without introducing the overhead of machine-level interpretation. In this dissertation, I solve this fundamental problem by specializing architectural mechanisms with respect to input programs. This solution is the key to efficient compilation of high-level programs to gate reconfigurable architectures. My approach to specialization includes several novel techniques. I develop, with others, extensive bitwidth analyses that apply to registers, pointers, and arrays. I use pointer analysis and memory disambiguation to target devices with blocks of embedded memory. My approach to memory parallelization generates a spatial hierarchy that enables easier-to-synthesize logic state machines with smaller circuits and no long wires.(cont.) My space-time scheduling approach integrates the techniques of high-level synthesis with the static routing concepts developed for single-chip multiprocessors. Using DeepC, a prototype compiler demonstrating my thesis, I compile a new benchmark suite to Xilinx Virtex FPGAs. Resulting performance is comparable to a custom MIPS processor, with smaller area (40 percent on average), higher evaluation speeds (2.4x), and lower energy (18x) and energy-delay (45x). Specialization of advanced mechanisms results in additional speedup, scaling with hardware area, at the expense of power. For comparison, I also target IBM's standard cell SA-27E process and the RAW microprocessor. Results include sensitivity analysis to the different mechanisms specialized and a grand comparison between alternate targets.by Jonathan William Babb.Ph.D

Design Space Exploration and Resource Management of Multi/Many-Core Systems

The increasing demand of processing a higher number of applications and related data on computing platforms has resulted in reliance on multi-/many-core chips as they facilitate parallel processing. However, there is a desire for these platforms to be energy-efficient and reliable, and they need to perform secure computations for the interest of the whole community. This book provides perspectives on the aforementioned aspects from leading researchers in terms of state-of-the-art contributions and upcoming trends