Bayesian Sensor Fusion with Fast and Low Power Stochastic Circuits

International audience—As the physical limits of Moore's law are being reached, a research effort is launched to achieve further performance improvements by exploring computation paradigms departing from standard approaches. The BAMBI project (Bottom-up Approaches to Machines dedicated to Bayesian Inference) aims at developing hardware dedicated to probabilistic computation , which extends logic computation realised by boolean gates in current computer chips. Such probabilistic computing devices would allow to solve faster and at a lower energy cost a wide range of Artificial Intelligence applications, especially when decisions need to be taken from incomplete data in an uncertain environment. This paper describes an architecture where very simple operators compute on a time coding of probability values as stochastic signals. Simulation tests and a reconfigurable logic hardware implementation demonstrated the feasibility and performances of the proposed inference machine. Hardware results show this architecture can quickly solve Bayesian sensor fusion problems and is very efficient in terms of energy consumption

Worst-case energy consumption: A new challenge for battery-powered critical devices

The number of devices connected to the IoT is on the rise, reaching hundreds of billions in the next years. Many devices will implement some type of critical functionality, for instance in the medical market. Energy awareness is mandatory in the design of IoT devices because of their huge impact on worldwide energy consumption and the fact that many of them are battery powered. Critical IoT devices further require addressing new energy-related challenges. On the one hand, factoring in the impact of energy-solutions on device's performance, providing evidence of adherence to domain-specific safety standards. On the other hand, deriving safe worst-case energy consumption (WCEC) estimates is a fundamental building block to ensure the system can continuously operate under a pre-established set of power/energy caps, safely delivering its critical functionality. We analyze for the first time the impact that different hardware physical parameters have on both model-based and measurement-based WCEC modeling, for which we also show the main challenges they face compared to chip manufacturers' current practice for energy modeling and validation. Under the set of constraints that emanate from how certain physical parameters can be actually modeled, we show that measurement-based WCEC is a promising way forward for WCEC estimation.This work has been partially supported by the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness (MINECO) under grant TIN2015- 65316-P and the HiPEAC Network of Excellence. Jaume Abella has been partially supported by the MINECO under Ramon y Cajal postdoctoral fellowship number RYC-2013-14717. Carles Hernndez is jointly funded by the MINECO and FEDER funds through grant TIN2014-60404-JIN.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Multilevel Power Estimation Of VLSI Circuits Using Efficient Algorithms

New and complex systems are being implemented using highly advanced Electronic Design Automation (EDA) tools. As the complexity increases day by day, the dissipation of power has emerged as one of the very important design constraints. Now low power designs are not only used in small size applications like cell phones and handheld devices but also in high-performance computing applications. Embedded memories have been used extensively in modern SOC designs. In order to estimate the power consumption of the entire design correctly, an accurate memory power model is needed. However, the memory power model commonly used in commercial EDA tools is too simple to estimate the power consumption accurately. For complex digital circuits, building their power models is a popular approach to estimate their power consumption without detailed circuit information. In the literature, most of power models are built with lookup tables. However, building the power models with lookup tables may become infeasible for large circuits because the table size would increase exponentially to meet the accuracy requirement. This thesis involves two parts. In first part it uses the Synopsys power measurement tools together with the use of synthesis and extraction tools to determine power consumed by various macros at different levels of abstraction including the Register Transfer Level (RTL), the gate and the transistor level. In general, it can be concluded that as the level of abstraction goes down the accuracy of power measurement increases depending on the tool used. In second part a novel power modeling approach for complex circuits by using neural networks to learn the relationship between power dissipation and input/output characteristic vector during simulation has been developed. Our neural power model has very low complexity such that this power model can be used for complex circuits. Using such a simple structure, the neural power models can still have high accuracy because they can automatically consider the non-linear power distributions. Unlike the power characterization process in traditional approaches, our characterization process is very simple and straightforward. More importantly, using the neural power model for power estimation does not require any transistor-level or gate-level description of the circuits. The experimental results have shown that the estimations are accurate and efficient for different test sequences with wide range of input distributions

High-Level Analysis of the Impact of Soft-Faults in Cyberphysical Systems

As digital systems grow in complexity and are used in a broader variety of safety-critical applications, there is an ever-increasing demand for assessing the dependability and safety of such systems, especially when subjected to hazardous environments. As a result, it is important to identify and correct any functional abnormalities and component faults as early as possible in order to minimize performance degradation and to avoid potential perilous situations. Existing techniques often lack the capacity to perform a comprehensive and exhaustive analysis on complex redundant architectures, leading to less than optimal risk evaluation. Hence, an early analysis of dependability of such safety-critical applications enables designers to develop systems that meets high dependability requirements. Existing techniques in the field often lack the capacity to perform full system analyses due to state-explosion limitations (such as transistor and gate-level analyses), or due to the time and monetary costs attached to them (such as simulation, emulation, and physical testing). In this work we develop a system-level methodology to model and analyze the effects of Single Event Upsets (SEUs) in cyberphysical system designs. The proposed methodology investigates the impacts of SEUs in the entire system model (fault tree level), including SEU propagation paths, logical masking of errors, vulnerability to specific events, and critical nodes. The methodology also provides insights on a system's weaknesses, such as the impact of each component to the system's vulnerability, as well as hidden sources of failure, such as latent faults. Moreover, the proposed methodology is able to identify and categorize the system's components in order of criticality, and to evaluate different approaches to the mitigation of such criticality (in the form of different configurations of TMR) in order to obtain the most efficient mitigation solution available. The proposed methodology is also able to model and analyze system components individually (system component level), in order to more accurately estimate the component's vulnerability to SEUs. In this case, a more refined analysis of the component is conducted, which enables us to identify the source of the component's criticality. Thereafter, a second mitigation mechanic (internal to the component) takes place, in order to evaluate the gains and costs of applying different configurations of TMR to the component internally. Finally, our approach will draw a comparison between the results obtained at both levels of analysis in order to evaluate the most efficient way of improving the targeted system design

Automated Design of Approximate Accelerators

In den letzten zehn Jahren hat das Bedürfnis nach Recheneffizienz die Entwicklung neuer Geräte, Architekturen und Entwurfstechniken motiviert. Approximate Computing hat sich als modernes, energieeffizientes Entwurfsparadigma für Anwendungen herausgestellt, die eine inhärente Fehlertoleranz aufweisen. Wenn die Genauigkeit der Ergebnisse in aktuellen Anwendungen wie Bildverarbeitung, Computer Vision und maschinellem Lernen auf ein akzeptables Maß reduziert wird, können Einsparungen im Schaltungsbereich, bei der Schaltkreisverzögerung und beim Stromverbrauch erzielt werden. Mit dem Aufkommen dieses Approximate Computing Paradigmas wurden in der Literatur viele approximierte Funktionseinheiten angegeben, insbesondere approximierte Addierer und Multiplizierer. Für eine Vielzahl solcher approximierter Schaltkreise und unter Berücksichtigung ihrer Verwendung als Bausteine für den Entwurf von approximierten Beschleunigern für fehlertolerante Anwendungen, ergibt sich eine Herausforderung: die Auswahl dieser approximierten Schaltkreise für eine bestimmte Anwendung, die die erforderlichen Ressourcen minimieren und gleichzeitig eine definierte Genauigkeit erfüllen. Diese Dissertation schlägt automatisierte Methoden zum Entwerfen und Implementieren von approximierten Beschleunigern vor, die aus approximierten arithmetischen Schaltungen aufgebaut sind. Um dies zu erreichen, befasst sich diese Dissertation mit folgenden Herausforderungen und liefert die nachfolgenden neuartigen Beiträge: In der Literatur wurden viele approximierte Addierer und Multiplizierer vorgestellt, indem entweder approximierte Entwürfe aus genauen Implementierungen wie dem Ripple-Carry-Addierer vorgeschlagen oder durch Approximate Logic Synthesis (ALS) Methoden generiert wurden. Ein repräsentativer Satz dieser approximierten Komponenten ist erforderlich, um approximierte Beschleuniger zu bauen. In diesem Sinne präsentiert diese Dissertation zwei Ansätze, um solche approximierte arithmetische Schaltungen zu erstellen. Zunächst wird AUGER vorgestellt, ein Tool, mit dem Register-Transfer Level (RTL) Beschreibungen für einen breiten Satz von approximierten Addierern und Multiplizierer für unterschiedliche Datenbitbreiten- und Genauigkeitskonfigurationen generiert werden können. Mit AUGER kann eine Design Space Exploration (DSE) von approximierten Komponenten durchgeführt werden, um diejenigen zu finden, die für eine gegebene Bitbreite, einen gegebenen Approximationsbereich und eine gegebene Schaltungsmetrik Pareto-optimal sind. Anschließend wird AxLS vorgestellt, ein Framework für ALS, das die Implementierung modernster Methoden und den Vorschlag neuartiger Methoden ermöglicht, um strukturelle Netzlistentransformationen durchzuführen und approximierte arithmetische Schaltungen aus genauen Schaltungen zu generieren. Darüber hinaus bieten beide Werkzeuge eine Fehlercharakterisierung in Form einer Fehlerverteilung und Schaltungseigenschaften (Fläche, Schaltkreisverzögerung und Leistung) für jede von ihnen erzeugte approximierte Schaltung. Diese Informationen sind für das Untersuchungsziel dieser Dissertation von wesentlicher Bedeutung. Trotz der Fehlertoleranz müssen approximierte Beschleuniger so ausgelegt sein, dass sie Genauigkeitsvorgaben erfüllen. Für den Entwurf solcher Beschleuniger unter Verwendung von approximierten arithmetischen Schaltungen ist es daher unerlässlich zu bewerten, wie sich die durch approximierte Schaltungen verursachten Fehler durch andere Berechnungen ausbreiten, entweder genau oder ungenau, und sich schließlich am Ausgang ansammeln. Diese Dissertation schlägt analytische Modelle vor, um die Fehlerpropagation durch genaue und approximierte Berechnungen zu beschreiben. Mit ihnen wird eine automatisierte, compilerbasierte Methodik vorgeschlagen, um die Fehlerpropagation auf approximierten Beschleunigerdesigns abzuschätzen. Diese Methode ist in ein Tool, CEDA, integriert, um schnelle, simulationsfreie Genauigkeitsschätzungen von approximierten Beschleunigermodellen durchzuführen, die unter Verwendung von C-Code beschrieben wurden. Beim Entwurf von approximierten Beschleunigern benötigen sich wiederholende Simulationen auf Gate-Level und die Schaltungssynthese viel Zeit, um viele oder sogar alle möglichen Kombinationen für einen gegebenen Satz von approximierten arithmetischen Schaltungen zu untersuchen. Andererseits basieren aktuelle Trends beim Entwerfen von Beschleunigern auf High-Level Synthesis (HLS) Werkzeugen. In dieser Dissertation werden analytische Modelle zur Schätzung der erforderlichen Rechenressourcen vorgestellt, wenn approximierte Addierer und Multiplizierer in Konstruktionen von approximierten Beschleunigern verwendet werden. Darüber hinaus werden diese Modelle zusammen mit den vorgeschlagenen analytischen Modellen zur Genauigkeitsschätzung in eine DSE-Methodik für fehlertolerante Anwendungen, DSEwam, integriert, um Pareto-optimale oder nahezu Pareto-optimale Lösungen für approximierte Beschleuniger zu identifizieren. DSEwam ist in ein HLS-Tool integriert, um automatisch RTL-Beschreibungen von approximierten Beschleunigern aus C-Sprachbeschreibungen für eine bestimmte Fehlerschwelle und ein bestimmtes Minimierungsziel zu generieren. Die Verwendung von approximierten Beschleunigern muss sicherstellen, dass Fehler, die aufgrund von approximierten Berechnungen erzeugt werden, innerhalb eines definierten Maximalwerts für eine gegebene Genauigkeitsmetrik bleiben. Die Fehler, die durch approximierte Beschleuniger erzeugt werden, hängen jedoch von den Eingabedaten ab, die hinsichtlich der für das Design verwendeten Daten unterschiedlich sein können. In dieser Dissertation wird ECAx vorgestellt, eine automatisierte Methode zur Untersuchung und Anwendung feinkörniger Fehlerkorrekturen mit geringem Overhead in approximierten Beschleunigern, um die Kosten für die Fehlerkorrektur auf Softwareebene (wie es in der Literatur gemacht wird) zu senken. Dies erfolgt durch selektive Korrektur der signifikantesten Fehler (in Bezug auf ihre Größenordnung), die von approximierten Komponenten erzeugt werden, ohne die Vorteile der Approximationen zu verlieren. Die experimentelle Auswertung zeigt Beschleunigungsverbesserungen für die Anwendung im Austausch für einen leicht gestiegenen Flächen- und Leistungsverbrauch im approximierten Beschleunigerdesign

Methoden und Beschreibungssprachen zur Modellierung und Verifikation vonSchaltungen und Systemen: MBMV 2015 - Tagungsband, Chemnitz, 03. - 04. März 2015

Der Workshop Methoden und Beschreibungssprachen zur Modellierung und Verifikation von Schaltungen und Systemen (MBMV 2015) findet nun schon zum 18. mal statt. Ausrichter sind in diesem Jahr die Professur Schaltkreis- und Systementwurf der Technischen Universität Chemnitz und das Steinbeis-Forschungszentrum Systementwurf und Test. Der Workshop hat es sich zum Ziel gesetzt, neueste Trends, Ergebnisse und aktuelle Probleme auf dem Gebiet der Methoden zur Modellierung und Verifikation sowie der Beschreibungssprachen digitaler, analoger und Mixed-Signal-Schaltungen zu diskutieren. Er soll somit ein Forum zum Ideenaustausch sein. Weiterhin bietet der Workshop eine Plattform für den Austausch zwischen Forschung und Industrie sowie zur Pflege bestehender und zur Knüpfung neuer Kontakte. Jungen Wissenschaftlern erlaubt er, ihre Ideen und Ansätze einem breiten Publikum aus Wissenschaft und Wirtschaft zu präsentieren und im Rahmen der Veranstaltung auch fundiert zu diskutieren. Sein langjähriges Bestehen hat ihn zu einer festen Größe in vielen Veranstaltungskalendern gemacht. Traditionell sind auch die Treffen der ITGFachgruppen an den Workshop angegliedert. In diesem Jahr nutzen zwei im Rahmen der InnoProfile-Transfer-Initiative durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderte Projekte den Workshop, um in zwei eigenen Tracks ihre Forschungsergebnisse einem breiten Publikum zu präsentieren. Vertreter der Projekte Generische Plattform für Systemzuverlässigkeit und Verifikation (GPZV) und GINKO - Generische Infrastruktur zur nahtlosen energetischen Kopplung von Elektrofahrzeugen stellen Teile ihrer gegenwärtigen Arbeiten vor. Dies bereichert denWorkshop durch zusätzliche Themenschwerpunkte und bietet eine wertvolle Ergänzung zu den Beiträgen der Autoren. [... aus dem Vorwort