Scheduling, Binding and Routing System for a Run-Time Reconfigurable Operator Based Multimedia Architecture

International audienceThis article presents an integrated environment for application scheduling, binding and routing used for the run-time reconfigurable, operator based, ROMA multimedia architecture. The environment is very flexible and after a minor modification can support other reconfigurable architectures. Currently, it supports the architecture model composed of a bank of single (double) port memories, two communication networks (with different topologies) and a set of run-time functionally reconfigurable non-pipelined and pipelined operators. The main novelty of this work is simultaneous solving of the scheduling, binding and routing tasks. This frequently generates optimal results, which has been shown by extensive experiments using the constraint programming paradigm. In order to show flexibility of our environment, we have used it in this article for optimization of application scheduling, binding and routing (the case of the non-pipelined execution model) and for space exploration (case of the pipelined execution model)

Generic Connectivity-Based CGRA Mapping via Integer Linear Programming

Coarse-grained reconfigurable architectures (CGRAs) are programmable logic devices with large coarse-grained ALU-like logic blocks, and multi-bit datapath-style routing. CGRAs often have relatively restricted data routing networks, so they attract CAD mapping tools that use exact methods, such as Integer Linear Programming (ILP). However, tools that target general architectures must use large constraint systems to fully describe an architecture's flexibility, resulting in lengthy run-times. In this paper, we propose to derive connectivity information from an otherwise generic device model, and use this to create simpler ILPs, which we combine in an iterative schedule and retain most of the exactness of a fully-generic ILP approach. This new approach has a speed-up geometric mean of 5.88x when considering benchmarks that do not hit a time-limit of 7.5 hours on the fully-generic ILP, and 37.6x otherwise. This was measured using the set of benchmarks used to originally evaluate the fully-generic approach and several more benchmarks representing computation tasks, over three different CGRA architectures. All run-times of the new approach are less than 20 minutes, with 90th percentile time of 410 seconds. The proposed mapping techniques are integrated into, and evaluated using the open-source CGRA-ME architecture modelling and exploration framework.Comment: 8 pages of content; 8 figures; 3 tables; to appear in FCCM 2019; Uses the CGRA-ME framework at http://cgra-me.ece.utoronto.ca

Polymorphic computing abstraction for heterogeneous architectures

Integration of multiple computing paradigms onto system on chip (SoC) has pushed the boundaries of design space exploration for hardware architectures and computing system software stack. The heterogeneity of computing styles in SoC has created a new class of architectures referred to as Heterogeneous Architectures. Novel applications developed to exploit the different computing styles are user centric for embedded SoC. Software and hardware designers are faced with several challenges to harness the full potential of heterogeneous architectures. Applications have to execute on more than one compute style to increase overall SoC resource utilization. The implication of such an abstraction is that application threads need to be polymorphic. Operating system layer is thus faced with the problem of scheduling polymorphic threads. Resource allocation is also an important problem to be dealt by the OS. Morphism evolution of application threads is constrained by the availability of heterogeneous computing resources. Traditional design optimization goals such as computational power and lower energy per computation are inadequate to satisfy user centric application resource needs. Resource allocation decisions at application layer need to permeate to the architectural layer to avoid conflicting demands which may affect energy-delay characteristics of application threads. We propose Polymorphic computing abstraction as a unified computing model for heterogeneous architectures to address the above issues. Simulation environment for polymorphic applications is developed and evaluated under various scheduling strategies to determine the effectiveness of polymorphism abstraction on resource allocation. User satisfaction model is also developed to complement polymorphism and used for optimization of resource utilization at application and network layer of embedded systems

EPICURE: A partitioning and co-design framework for reconfigurable computing

This paper presents a new design methodology able to bridge the gap between an abstract specification and a heterogeneous reconfigurable architecture. The EPICURE contribution is the result of a joint study on abstraction/refinement methods and a smart reconfigurable architecture within the formal Esterel design tools suite. The original points of this work are: (i) a generic HW/SW interface model, (ii) a specification methodology that handles the control, and includes efficient verification and HW/SW synthesis capabilities, (iii) a method for parallelism exploration based on abstract resources/performance estimation expressed in terms of area/delay tradeoffs, (iv) a HW/SW partitioning approach that refines the specification into explicit HW configurations and the associated SW control. The EPICURE framework shows how a cooperation of complementary methodologies and CAD tools associated with a relevant architecture can signficantly improve the designer productivity, especially in the context of reconfigurable architectures

Introduction d'aléas dans le processus de projection d'applications sur CGRA

National audienceLes architectures reconfigurables à gros grains offrent un compromis flexibilité-performance intéressant à travers les nombreuses unités de calculs élémentaires qu'elles proposent. Cependant, projeter automatiquement une application sur une architecture reconfigurable à gros grain est un processus complexe qui nécessite d'explorer un vaste espace de solutions. Cet article propose d'étudier l'apport d'aléas dans le processus de projection. L'introduction d'aléas est effectué en particulier dans les étapes d'ordonnancement et d'assignation. Différentes stratégies permettant de garantir un nombre minimum et maximum de solutions sont présentées. Les résultats montrent que notre méthode, couplée à une approche de transformation du graphe d'application, explore mieux l'espace de solutions et permet de trouver la latence la plus courte

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

Obtaining performance and programmability using reconfigurable hardware for media processing

Thesis (Ph. D.)--Massachusetts Institute of Technology, School of Architecture and Planning, Program in Media Arts and Sciences, 2002.Includes bibliographical references (p. 127-132).An imperative requirement in the design of a reconfigurable computing system or in the development of a new application on such a system is performance gains. However, such developments suffer from long-and-difficult programming process, hard-to-predict performance gains, and limited scope of applications. To address these problems, we need to understand reconfigurable hardware's capabilities and limitations, its performance advantages and disadvantages, re-think reconfigurable system architectures, and develop new tools to explore its utility. We begin by examining performance contributors at the system level. We identify those from general-purpose and those from dedicated components. We propose an architecture by integrating reconfigurable hardware within the general-purpose framework. This is to avoid and minimize dedicated hardware and organization for programmability. We analyze reconfigurable logic architectures and their performance limitations. This analysis leads to a theory that reconfigurable logic can never be clocked faster than a fixed-logic design based on the same fabrication technology. Though highly unpredictable, we can obtain a quick upper bound estimate on the clock speed based on a few parameters. We also analyze microprocessor architectures and establish an analytical performance model. We use this model to estimate performance bounds using very little information on task properties. These bounds help us to detect potential memory-bound tasks. For a compute-bound task, we compare its performance upper bound with the upper bound on reconfigurable clock speed to further rule out unlikely speedup candidates.(cont.) These performance estimates require very few parameters, and can be quickly obtained without writing software or hardware codes. They can be integrated with design tools as front end tools to explore speedup opportunities without costly trials. We believe this will broaden the applicability of reconfigurable computing.by Ling-Pei Kung.Ph.D

Beyond von Neumann: weakly programmable processor arrays and their programming

The age of parallelism is here. For a sustainable software development for massively parallel architectures the von Neumann model need to be replaced by one with native support for parallelism. We suggest a data flow model for signal processing applications. This will make it possible to reuse software implementations for different targets and future platform generations. We also outline our development tool flow for compiling CAL, a data flow language, to parallel architectures. We also present our processor array, which can be configured to handle massively parallel computations. We demonstrate its power by implementing part of a software radio receiver

EPICURE : A Partitioning and CoDesign Framework For Reconfigurable Computing

This paper presents a new global design methodology capable to bridge the gap between an abstract specification level and a heterogeneous reconfigurable architecture level. The Epicure contribution is the result of a joint study on abstraction/refinement methods and a smart reconfigurable architecture within the formal Esterel design tools suite. The original points of this work are : i) a generic HW/SW interface model, ii) a specification methodology that handles the control, includes efficient verification and HW/SW synthesis capabilities, iii) a method for parallelism exploration based on abstract resources/performance estimation expressed in terms of area/delay tradeoffs, iv) a HW/SW partitioning approach that refines the specification into explicit HW configurations and the associated SW control. The Epicure framework shows how a cooperation of complementary methodologies and CAD tools associated with a relevant architecture can significantly improve the designer productivity, especially in the context of reconfigurable architectures

High level design and control of adaptive multiprocessor system-on-chips

The design of modern embedded systems is getting more and more complex, as more func- tionality is integrated into these systems. At the same time, in order to meet the compu- tational requirements while keeping a low level power consumption, MPSoCs have emerged as the main solutions for such embedded systems. Furthermore, embedded systems are be- coming more and more adaptive, as the adaptivity can bring a number of benefits, such as software flexibility and energy efficiency. This thesis targets the safe design of such adaptive MPSoCs. First, each system configuration must be analyzed concerning its functional and non- functional properties. We present an abstract design and analysis framework, which allows for faster and cost-effective implementation decisions. This framework is intended as an intermediate reasoning support for system level software/hardware co-design environments. It can prune the design space at its largest, and identify candidate design solutions in a fast and efficient way. In the framework, we use an abstract clock-based encoding to model system behaviors. Different mapping and scheduling scenarios of applications on MPSoCs are analyzed via clock traces representing system simulations. Among properties of interest are functional behavioral correctness, temporal performance and energy consumption. Second, the reconfiguration management of adaptive MPSoCs must be addressed. We are specially interested in MPSoCs implemented on reconfigurable hardware architectures (i.e., FPGA fabrics), which provide a good flexibility and computational efficiency for adap- tive MPSoCs. We propose a general design framework based on the discrete controller syn- thesis (DCS) technique to address this issue. The main advantage of this technique is that it allows the automatic controller synthesis w.r.t. a given specification of control objectives. In the framework, the system reconfiguration behavior is modeled in terms of synchronous parallel automata. The reconfiguration management computation problem w.r.t. multiple objectives regarding e.g., resource usages, performance and power consumption is encoded as a DCS problem. The existing BZR programming language and Sigali tool are employed to perform DCS and generate a controller that satisfies the system requirements. Finally, we investigate two different ways of combining the two proposed design frame- works for adaptive MPSoCs. Firstly, they are combined to construct a complete design flow for adaptive MPSoCs. Secondly, they are combined to present how the designed run-time manager by the second framework can be integrated into the first framework so that high level simulations can be performed to assess the run-time manager.La conception de systèmes embarqués modernes est de plus en plus complexe, car plus de fonctionnalités sont intégrées dans ces systèmes. En même temps, afin de répondre aux exigences de calcul tout en conservant une consommation d'énergie de faible niveau, MPSoCs sont apparus comme les principales solutions pour tels systèmes embarqués. En outre, les systèmes embarqués sont de plus en plus adaptatifs, comme l’adaptabilité peut apporter un certain nombre d'avantages, tels que la flexibilité du logiciel et l'efficacité énergétique. Cette thèse vise la conception sécuritaire de ces MPSoCs adaptatifs. Tout d'abord, chaque configuration de système doit être analysée en ce qui concerne ses propriétés fonctionnelles et non fonctionnelles. Nous présentons un cadre abstraite de conception et d’analyse qui permet des décisions d’implémentation plus rapide et plus rentable. Ce cadre est conçu comme un support de raisonnement intermédiaire pour les environnements de co-conception de logiciel / matériel au niveau de système. Il peut élaguer l'espace de conception à sa plus grande portée, et identifier les candidats de solutions de conception de manière rapide et efficace. Dans ce cadre, nous utilisons un codage basé sur l’horloge abstrait pour modéliser les comportements du système. Différents scénarios d'applications de mapping et de planification sur MPSoCs sont analysés via les traces d'horloge qui représentent les simulations du système. Les propriétés d'intérêt sont l’exactitude du comportement fonctionnel, la performance temporelle et la consommation d'énergie. Deuxièmement, la gestion de la reconfiguration de MPSoCs adaptatifs doit être abordée. Nous sommes particulièrement intéressés par les MPSoCs implémentés sur des architectures reconfigurables de hardware (ex. FPGA tissus) qui offrent une bonne flexibilité et une efficacité de calcul pour les MPSoCs adaptatifs. Nous proposons un cadre général de conception basésur la technique de la synthèse de contrôleurs discrets (SCD) pour résoudre ce problème. L’avantage principal de cette technique est qu'elle permet une synthèse d'un contrôleur automatique vis-à-vis d’une spécification donnée des objectifs de contrôle. Dans ce cadre, le comportement de reconfiguration du système est modélisé en termes d'automates synchrones en parallèle. Le problème de calcul de la gestion reconfiguration vis-à-vis de multiples objectifs concernant, par exemple, les usages des ressources, la performance et la consommation d’énergie est codé comme un problème de SCD . Le langage de programmation BZR existant et l’outil Sigali sont employés pour effectuer SCD et générer un contrôleur qui satisfait aux exigences du système. Finalement, nous étudions deux façons différentes de combiner les deux cadres de conception proposées pour MPSoCs adaptatifs. Tout d'abord, ils sont combinés pour construire un flot de conception complet pour MPSoCs adaptatifs. Deuxièmement, ils sont combinés pour présenter la façon dont le gestionnaire d'exécution conçu dans le second cadre peut être intégré dans le premier cadre de sorte que les simulations de haut niveau peuvent être effectuées pour évaluer le gestionnaire d'exécution