Hardware Acceleration Using Functional Languages

Cílem této práce je prozkoumat možnosti využití funkcionálního paradigmatu pro hardwarovou akceleraci, konkrétně pro datově paralelní úlohy. Úroveň abstrakce tradičních jazyků pro popis hardwaru, jako VHDL a Verilog, přestáví stačit. Pro popis na algoritmické či behaviorální úrovni se rozmáhají jazyky původně navržené pro vývoj softwaru a modelování, jako C/C++, SystemC nebo MATLAB. Funkcionální jazyky se s těmi imperativními nemůžou měřit v rozšířenosti a oblíbenosti mezi programátory, přesto je předčí v mnoha vlastnostech, např. ve verifikovatelnosti, schopnosti zachytit inherentní paralelismus a v kompaktnosti kódu. Pro akceleraci datově paralelních výpočtů se často používají jednotky FPGA, grafické karty (GPU) a vícejádrové procesory. Praktická část této práce rozšiřuje existující knihovnu Accelerate pro počítání na grafických kartách o výstup do VHDL. Accelerate je možno chápat jako doménově specifický jazyk vestavěný do Haskellu s backendem pro prostředí NVIDIA CUDA. Rozšíření pro vysokoúrovňovou syntézu obvodů ve VHDL představené v této práci používá stejný jazyk a frontend.The aim of this thesis is to research how the functional paradigm can be used for hardware acceleration with an emphasis on data-parallel tasks. The level of abstraction of the traditional hardware description languages, such as VHDL or Verilog, is becoming to low. High-level languages from the domains of software development and modeling, such as C/C++, SystemC or MATLAB, are experiencing a boom for hardware description on the algorithmic or behavioral level. Functional Languages are not so commonly used, but they outperform imperative languages in verification, the ability to capture inherent paralellism and the compactness of code. Data-parallel task are often accelerated on FPGAs, GPUs and multicore processors. In this thesis, we use a library for general-purpose GPU programs called Accelerate and extend it to produce VHDL. Accelerate is a domain-specific language embedded into Haskell with a backend for the NVIDIA CUDA platform. We use the language and its frontend, and create a new backend for high-level synthesis of circuits in VHDL.

Magyar Mesterséges Intelligencia Bibliográfia : Válogatás az 1988-96 között (esetenként korábban) megjelent publikációkból

Tartalom: referált folyóiratokban, konferencia kiadványokban, tanulmánykötetekben megjelent dolgozatok, könyvek, tankönyvek, disszertációk referenciáit, közel 190 magyar szerző/társszerző 400 (tárgyszavazott) dolgozatát tartalmazza. Függelékében az Új ALAPLAP folyóirat Jakab Ágnes által szerkesztett TUDÁSTECHNOLÓGIA c. tematikus MI-sorozat dolgozatainak jegyzéke található. Az anyagok az NJSZT által Budapesten szervezett ECAI’96 konferenciát kísérő kiállításra készültek. A Bibliográfia és a hozzá kapcsolódó Reprint Gyűjtemény az NJSZT standján volt kiállítva, míg az OMIKK adatbázisában való keresést egy oda kihelyezett terminál biztosította. A tárgyszavazást és az adatfelvitelt Kladiva Ottmár (OMIKK) irányította

The DARPA Model for Transformative Technologies

"The U.S. Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) has played a remarkable role in the creation new transformative technologies, revolutionizing defense with drones and precision-guided munitions, and transforming civilian life with portable GPS receivers, voice-recognition software, self-driving cars, unmanned aerial vehicles, and, most famously, the ARPANET and its successor, the Internet. Other parts of the U.S. Government and some foreign governments have tried to apply the ‘DARPA model’ to help develop valuable new technologies. But how and why has DARPA succeeded? Which features of its operation and environment contribute to this success? And what lessons does its experience offer for other U.S. agencies and other governments that want to develop and demonstrate their own ‘transformative technologies’? This book is a remarkable collection of leading academic research on DARPA from a wide range of perspectives, combining to chart an important story from the Agency’s founding in the wake of Sputnik, to the current attempts to adapt it to use by other federal agencies. Informative and insightful, this guide is essential reading for political and policy leaders, as well as researchers and students interested in understanding the success of this agency and the lessons it offers to others.

The DARPA Model for Transformative Technologies

"The U.S. Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) has played a remarkable role in the creation new transformative technologies, revolutionizing defense with drones and precision-guided munitions, and transforming civilian life with portable GPS receivers, voice-recognition software, self-driving cars, unmanned aerial vehicles, and, most famously, the ARPANET and its successor, the Internet. Other parts of the U.S. Government and some foreign governments have tried to apply the ‘DARPA model’ to help develop valuable new technologies. But how and why has DARPA succeeded? Which features of its operation and environment contribute to this success? And what lessons does its experience offer for other U.S. agencies and other governments that want to develop and demonstrate their own ‘transformative technologies’? This book is a remarkable collection of leading academic research on DARPA from a wide range of perspectives, combining to chart an important story from the Agency’s founding in the wake of Sputnik, to the current attempts to adapt it to use by other federal agencies. Informative and insightful, this guide is essential reading for political and policy leaders, as well as researchers and students interested in understanding the success of this agency and the lessons it offers to others.

The Customizable Virtual FPGA: Generation, System Integration and Configuration of Application-Specific Heterogeneous FPGA Architectures

In den vergangenen drei Jahrzehnten wurde die Entwicklung von Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) stark von Moore’s Gesetz, Prozesstechnologie (Skalierung) und kommerziellen Märkten beeinflusst. State-of-the-Art FPGAs bewegen sich einerseits dem Allzweck näher, aber andererseits, da FPGAs immer mehr traditionelle Domänen der Anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (ASICs) ersetzt haben, steigen die Effizienzerwartungen. Mit dem Ende der Dennard-Skalierung können Effizienzsteigerungen nicht mehr auf Technologie-Skalierung allein zurückgreifen. Diese Facetten und Trends in Richtung rekonfigurierbarer System-on-Chips (SoCs) und neuen Low-Power-Anwendungen wie Cyber Physical Systems und Internet of Things erfordern eine bessere Anpassung der Ziel-FPGAs. Neben den Trends für den Mainstream-Einsatz von FPGAs in Produkten des täglichen Bedarfs und Services wird es vor allem bei den jüngsten Entwicklungen, FPGAs in Rechenzentren und Cloud-Services einzusetzen, notwendig sein, eine sofortige Portabilität von Applikationen über aktuelle und zukünftige FPGA-Geräte hinweg zu gewährleisten. In diesem Zusammenhang kann die Hardware-Virtualisierung ein nahtloses Mittel für Plattformunabhängigkeit und Portabilität sein. Ehrlich gesagt stehen die Zwecke der Anpassung und der Virtualisierung eigentlich in einem Konfliktfeld, da die Anpassung für die Effizienzsteigerung vorgesehen ist, während jedoch die Virtualisierung zusätzlichen Flächenaufwand hinzufügt. Die Virtualisierung profitiert aber nicht nur von der Anpassung, sondern fügt auch mehr Flexibilität hinzu, da die Architektur jederzeit verändert werden kann. Diese Besonderheit kann für adaptive Systeme ausgenutzt werden. Sowohl die Anpassung als auch die Virtualisierung von FPGA-Architekturen wurden in der Industrie bisher kaum adressiert. Trotz einiger existierenden akademischen Werke können diese Techniken noch als unerforscht betrachtet werden und sind aufstrebende Forschungsgebiete. Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Generierung von FPGA-Architekturen, die auf eine effiziente Anpassung an die Applikation zugeschnitten sind. Im Gegensatz zum üblichen Ansatz mit kommerziellen FPGAs, bei denen die FPGA-Architektur als gegeben betrachtet wird und die Applikation auf die vorhandenen Ressourcen abgebildet wird, folgt diese Arbeit einem neuen Paradigma, in dem die Applikation oder Applikationsklasse fest steht und die Zielarchitektur auf die effiziente Anpassung an die Applikation zugeschnitten ist. Dies resultiert in angepassten anwendungsspezifischen FPGAs. Die drei Säulen dieser Arbeit sind die Aspekte der Virtualisierung, der Anpassung und des Frameworks. Das zentrale Element ist eine weitgehend parametrierbare virtuelle FPGA-Architektur, die V-FPGA genannt wird, wobei sie als primäres Ziel auf jeden kommerziellen FPGA abgebildet werden kann, während Anwendungen auf der virtuellen Schicht ausgeführt werden. Dies sorgt für Portabilität und Migration auch auf Bitstream-Ebene, da die Spezifikation der virtuellen Schicht bestehen bleibt, während die physische Plattform ausgetauscht werden kann. Darüber hinaus wird diese Technik genutzt, um eine dynamische und partielle Rekonfiguration auf Plattformen zu ermöglichen, die sie nicht nativ unterstützen. Neben der Virtualisierung soll die V-FPGA-Architektur auch als eingebettetes FPGA in ein ASIC integriert werden, das effiziente und dennoch flexible System-on-Chip-Lösungen bietet. Daher werden Zieltechnologie-Abbildungs-Methoden sowohl für Virtualisierung als auch für die physikalische Umsetzung adressiert und ein Beispiel für die physikalische Umsetzung in einem 45 nm Standardzellen Ansatz aufgezeigt. Die hochflexible V-FPGA-Architektur kann mit mehr als 20 Parametern angepasst werden, darunter LUT-Grösse, Clustering, 3D-Stacking, Routing-Struktur und vieles mehr. Die Auswirkungen der Parameter auf Fläche und Leistung der Architektur werden untersucht und eine umfangreiche Analyse von über 1400 Benchmarkläufen zeigt eine hohe Parameterempfindlichkeit bei Abweichungen bis zu ±95, 9% in der Fläche und ±78, 1% in der Leistung, was die hohe Bedeutung von Anpassung für Effizienz aufzeigt. Um die Parameter systematisch an die Bedürfnisse der Applikation anzupassen, wird eine parametrische Entwurfsraum-Explorationsmethode auf der Basis geeigneter Flächen- und Zeitmodellen vorgeschlagen. Eine Herausforderung von angepassten Architekturen ist der Entwurfsaufwand und die Notwendigkeit für angepasste Werkzeuge. Daher umfasst diese Arbeit ein Framework für die Architekturgenerierung, die Entwurfsraumexploration, die Anwendungsabbildung und die Evaluation. Vor allem ist der V-FPGA in einem vollständig synthetisierbaren generischen Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language (VHDL) Code konzipiert, der sehr flexibel ist und die Notwendigkeit für externe Codegeneratoren eliminiert. Systementwickler können von verschiedenen Arten von generischen SoC-Architekturvorlagen profitieren, um die Entwicklungszeit zu reduzieren. Alle notwendigen Konstruktionsschritte für die Applikationsentwicklung und -abbildung auf den V-FPGA werden durch einen Tool-Flow für Entwurfsautomatisierung unterstützt, der eine Sammlung von vorhandenen kommerziellen und akademischen Werkzeugen ausnutzt, die durch geeignete Modelle angepasst und durch ein neues Werkzeug namens V-FPGA-Explorer ergänzt werden. Dieses neue Tool fungiert nicht nur als Back-End-Tool für die Anwendungsabbildung auf dem V-FPGA sondern ist auch ein grafischer Konfigurations- und Layout-Editor, ein Bitstream-Generator, ein Architekturdatei-Generator für die Place & Route Tools, ein Script-Generator und ein Testbenchgenerator. Eine Besonderheit ist die Unterstützung der Just-in-Time-Kompilierung mit schnellen Algorithmen für die In-System Anwendungsabbildung. Die Arbeit schliesst mit einigen Anwendungsfällen aus den Bereichen industrielle Prozessautomatisierung, medizinische Bildgebung, adaptive Systeme und Lehre ab, in denen der V-FPGA eingesetzt wird

New Industrial Urbanism

Since the Industrial Revolution, cities and industry have grown together; towns and metropolitan regions have evolved around factories and expanding industries. New Industrial Urbanism explores the evolving and future relationships between cities and places of production, focusing on the spatial implications and physical design of integrating contemporary manufacturing into the city. The book examines recent developments that have led to dramatic shifts in the manufacturing sector – from large-scale mass production methods to small-scale distributed systems; from polluting and consumptive production methods to a cleaner and more sustainable process; from broad demand for unskilled labor to a growing need for a more educated and specialized workforce – to show how cities see new investment and increased employment opportunities. Looking ahead to the quest to make cities more competitive and resilient, New Industrial Urbanism provides lessons from cases around the world and suggests adopting New Industrial Urbanism as an action framework that reconnects what has been separated: people, places, and production. Moving the conversation beyond the reflexively-negative characterizations of industry, more than two centuries after the start of the Industrial Revolution, this book calls to re-consider the ways in which industry creates places, sustains jobs, and supports environmental sustainability in our cities. This book is available as Open Acess through https://www.taylorfrancis.com/

Proceedings of the 21st Conference on Formal Methods in Computer-Aided Design – FMCAD 2021

The Conference on Formal Methods in Computer-Aided Design (FMCAD) is an annual conference on the theory and applications of formal methods in hardware and system verification. FMCAD provides a leading forum to researchers in academia and industry for presenting and discussing groundbreaking methods, technologies, theoretical results, and tools for reasoning formally about computing systems. FMCAD covers formal aspects of computer-aided system design including verification, specification, synthesis, and testing

Space Station Systems: a Bibliography with Indexes (Supplement 8)

This bibliography lists 950 reports, articles, and other documents introduced into the NASA scientific and technical information system between July 1, 1989 and December 31, 1989. Its purpose is to provide helpful information to researchers, designers and managers engaged in Space Station technology development and mission design. Coverage includes documents that define major systems and subsystems related to structures and dynamic control, electronics and power supplies, propulsion, and payload integration. In addition, orbital construction methods, servicing and support requirements, procedures and operations, and missions for the current and future Space Station are included

Personalised Environmental Monitoring of Building Occupants: Integration of Scalable Technologies

Urbanised societies spend most of their time indoor. These are places to conduct habitual activities that impact across the life course and are generating discussions on the built environment and its interplay with health and wellbeing. To understand the effect buildings and their enclosed spaces have on people/occupants, there is a need to monitor Indoor Environmental Quality (IEQ) and occupant responses. State-of-the-art monitoring approaches exist, but they have limited utility outside of bespoke scenarios due to their limited pragmatism and large cost. Other emergent technologies exist but questions remain relating to e.g., validity. Other routine/traditional subjective approaches for evaluating building IEQ often negate to account for the experiences of individual occupants, adding to complications. This thesis explores current monitoring IEQ trends, uncovering the needs to make the individual the unit of analysis. Research undertaken explores contemporary needs and shifting trends to pragmatic approaches, localised sensors to provide richer data that could enable a better understanding of environmental and occupant changes. Quantitative measurement of the environmental conditions local to individuals are explored to understand whether spatial density in monitoring can 1) reinforce data pertaining to how building occupants experience indoor conditions and 2) provide additional context to current approaches for data capture, which traditionally focus on qualitative approaches. Through a series of original research this thesis broadly presents the design and development of a multi-modal IEQ monitoring device and a supporting methodological process for monitoring individuals. It identifies that low-cost multi-modal monitoring deployed longitudinally can add significant context to traditional qualitative approaches, with the individual as the unit of analysis. Findings from the thesis present a paradigm shift that could have practical implications for researchers and practitioners, changing the way building performance is assessed and the way its impact on health and wellbeing could be evaluated

A reference model for integrated energy and power management of HPC systems

Optimizing a computer for highest performance dictates the efficient use of its limited resources. Computers as a whole are rather complex. Therefore, it is not sufficient to consider optimizing hardware and software components independently. Instead, a holistic view to manage the interactions of all components is essential to achieve system-wide efficiency. For High Performance Computing (HPC) systems, today, the major limiting resources are energy and power. The hardware mechanisms to measure and control energy and power are exposed to software. The software systems using these mechanisms range from firmware, operating system, system software to tools and applications. Efforts to improve energy and power efficiency of HPC systems and the infrastructure of HPC centers achieve perpetual advances. In isolation, these efforts are unable to cope with the rising energy and power demands of large scale systems. A systematic way to integrate multiple optimization strategies, which build on complementary, interacting hardware and software systems is missing. This work provides a reference model for integrated energy and power management of HPC systems: the Open Integrated Energy and Power (OIEP) reference model. The goal is to enable the implementation, setup, and maintenance of modular system-wide energy and power management solutions. The proposed model goes beyond current practices, which focus on individual HPC centers or implementations, in that it allows to universally describe any hierarchical energy and power management systems with a multitude of requirements. The model builds solid foundations to be understandable and verifiable, to guarantee stable interaction of hardware and software components, for a known and trusted chain of command. This work identifies the main building blocks of the OIEP reference model, describes their abstract setup, and shows concrete instances thereof. A principal aspect is how the individual components are connected, interface in a hierarchical manner and thus can optimize for the global policy, pursued as a computing center's operating strategy. In addition to the reference model itself, a method for applying the reference model is presented. This method is used to show the practicality of the reference model and its application. For future research in energy and power management of HPC systems, the OIEP reference model forms a cornerstone to realize --- plan, develop and integrate --- innovative energy and power management solutions. For HPC systems themselves, it supports to transparently manage current systems with their inherent complexity, it allows to integrate novel solutions into existing setups, and it enables to design new systems from scratch. In fact, the OIEP reference model represents a basis for holistic efficient optimization.Computer auf höchstmögliche Rechenleistung zu optimieren bedingt Effizienzmaximierung aller limitierenden Ressourcen. Computer sind komplexe Systeme. Deshalb ist es nicht ausreichend, Hardware und Software isoliert zu betrachten. Stattdessen ist eine Gesamtsicht des Systems notwendig, um die Interaktionen aller Einzelkomponenten zu organisieren und systemweite Optimierungen zu ermöglichen. Für Höchstleistungsrechner (HLR) ist die limitierende Ressource heute ihre Leistungsaufnahme und der resultierende Gesamtenergieverbrauch. In aktuellen HLR-Systemen sind Energie- und Leistungsaufnahme programmatisch auslesbar als auch direkt und indirekt steuerbar. Diese Mechanismen werden in diversen Softwarekomponenten von Firmware, Betriebssystem, Systemsoftware bis hin zu Werkzeugen und Anwendungen genutzt und stetig weiterentwickelt. Durch die Komplexität der interagierenden Systeme ist eine systematische Optimierung des Gesamtsystems nur schwer durchführbar, als auch nachvollziehbar. Ein methodisches Vorgehen zur Integration verschiedener Optimierungsansätze, die auf komplementäre, interagierende Hardware- und Softwaresysteme aufbauen, fehlt. Diese Arbeit beschreibt ein Referenzmodell für integriertes Energie- und Leistungsmanagement von HLR-Systemen, das „Open Integrated Energy and Power (OIEP)“ Referenzmodell. Das Ziel ist ein Referenzmodell, dass die Entwicklung von modularen, systemweiten energie- und leistungsoptimierenden Sofware-Verbunden ermöglicht und diese als allgemeines hierarchisches Managementsystem beschreibt. Dies hebt das Modell von bisherigen Ansätzen ab, welche sich auf Einzellösungen, spezifischen Software oder die Bedürfnisse einzelner Rechenzentren beschränken. Dazu beschreibt es Grundlagen für ein planbares und verifizierbares Gesamtsystem und erlaubt nachvollziehbares und sicheres Delegieren von Energie- und Leistungsmanagement an Untersysteme unter Aufrechterhaltung der Befehlskette. Die Arbeit liefert die Grundlagen des Referenzmodells. Hierbei werden die Einzelkomponenten der Software-Verbunde identifiziert, deren abstrakter Aufbau sowie konkrete Instanziierungen gezeigt. Spezielles Augenmerk liegt auf dem hierarchischen Aufbau und der resultierenden Interaktionen der Komponenten. Die allgemeine Beschreibung des Referenzmodells erlaubt den Entwurf von Systemarchitekturen, welche letztendlich die Effizienzmaximierung der Ressource Energie mit den gegebenen Mechanismen ganzheitlich umsetzen können. Hierfür wird ein Verfahren zur methodischen Anwendung des Referenzmodells beschrieben, welches die Modellierung beliebiger Energie- und Leistungsverwaltungssystemen ermöglicht. Für Forschung im Bereich des Energie- und Leistungsmanagement für HLR bildet das OIEP Referenzmodell Eckstein, um Planung, Entwicklung und Integration von innovativen Lösungen umzusetzen. Für die HLR-Systeme selbst unterstützt es nachvollziehbare Verwaltung der komplexen Systeme und bietet die Möglichkeit, neue Beschaffungen und Entwicklungen erfolgreich zu integrieren. Das OIEP Referenzmodell bietet somit ein Fundament für gesamtheitliche effiziente Systemoptimierung