A Multi-objective Perspective for Operator Scheduling using Fine-grained DVS Architecture

The stringent power budget of fine grained power managed digital integrated circuits have driven chip designers to optimize power at the cost of area and delay, which were the traditional cost criteria for circuit optimization. The emerging scenario motivates us to revisit the classical operator scheduling problem under the availability of DVFS enabled functional units that can trade-off cycles with power. We study the design space defined due to this trade-off and present a branch-and-bound(B/B) algorithm to explore this state space and report the pareto-optimal front with respect to area and power. The scheduling also aims at maximum resource sharing and is able to attain sufficient area and power gains for complex benchmarks when timing constraints are relaxed by sufficient amount. Experimental results show that the algorithm that operates without any user constraint(area/power) is able to solve the problem for most available benchmarks, and the use of power budget or area budget constraints leads to significant performance gain.Comment: 18 pages, 6 figures, International journal of VLSI design & Communication Systems (VLSICS

CHASSIS : a combined hardware selection and scheduling technique for performance driven synthesis

This report describes a new technique that combines the Hardware Scheduling and Component Selection phases for High Level Synthesis. Our technique simultaneously selects components from a given library while it schedules the operations into different control steps. The algoríthm improves previous work in scheduling because component costs and performance are considered during the scheduling process, enlarging the design search space and resulting in better optimized desígns

Optimum and heuristic synthesis of multiple word-length Architectures

Published versio

Process-variation aware mapping of real-time streaming applications to MPSoCs for improved yield

Abstract—As technology scales, the impact of process variation on the maximum supported frequency (FMAX) of individual cores in a MPSoC becomes more pronounced. Task allocation without variation-aware performance analysis can result in a significant loss in yield, defined as the number of manufactured chips satisfying the application timing requirement. We propose variation-aware task allocation for real-time streaming applica-tions modeled as task graphs. Our solutions are primarily based on the throughput requirement, which is the most important timing requirement in many real-time streaming applications. The three main contributions of this paper are: 1) Using data flow graphs that are well-suited for modeling and analysis of real-time streaming applications, we explicitly model task execution both in terms of clock cycles (which is independent of variation) and seconds (which does depend on the variation of the resource), which we connect by an explicit binding. 2) We present two approaches for optimizing the yield. The approaches give different results at different costs. 3) We present exhaustive and heuristic algorithms that implement the optimization approaches. Our variation-aware mapping algorithms are tested on models of real applications, and are compared to the mapping methods that are unaware of hardware variation. Our results demonstrate yield improvements of up to 50 % with an average of 31%, showing the effectiveness of our approaches. Index Terms—Process variation, Multiprocessor System-on

Multiple voltage scheme with frequency variation for power minimization of pipelined circuits at high-level synthesis

High-Level Synthesis (HLS) is defined as a translation process from a behavioral description into structural description. The high-level synthesis process consists of three interdependent phases: scheduling, allocation and binDing The order of the three phases varies depending on the design flow. There are three important quality measures used to support design decision, namely size, performance and power consumption. Recently, with the increase in portability, the power consumption has become a very dominant factor in the design of circuits. The aim of low-power high-level synthesis is to schedule operations to minimize switching activity and select low power modules while satisfying timing constraints. This thesis presents a heuristic that helps minimize power consumption by operating the functional units at multiple voltages and varied clock frequencies. The algorithm presented here deals with pipelined operations where multiple instance of the same operation are carried out. The algorithm was implemented using C++, on LINUX platform

Predictable mapping of streaming applications on multiprocessors

Het ontwerp van nieuwe consumentenelektronica wordt voortdurend complexer omdat er steeds meer functionaliteit in deze apparaten ge¨integreerd wordt. Een voorspelbaar ontwerptraject is nodig om deze complexiteit te beheersen. Het resultaat van dit ontwerptraject zou een systeem moeten zijn, waarin iedere applicatie zijn eigen taken binnen een strikte tijdslimiet kan uitvoeren, onafhankelijk van andere applicaties die hetzelfde systeem gebruiken. Dit vereist dat het tijdsgedrag van de hardware, de software, evenals hun interactie kan worden voorspeld. Er wordt vaak voorgesteld om een heterogeen multi-processor systeem (MPSoC) te gebruiken in moderne elektronische systemen. Een MP-SoC heeft voor veel applicaties een goede verhouding tussen rekenkracht en energiegebruik. Onchip netwerken (NoCs) worden voorgesteld als interconnect in deze systemen. Een NoC is schaalbaar en het biedt garanties wat betreft de hoeveelheid tijd die er nodig is om gegevens te communiceren tussen verschillende processoren en geheugens. Door het NoC te combineren met een voorspelbare strategie om de processoren en geheugens te delen, ontstaat een hardware platform met een voorspelbaar tijdsgedrag. Om een voorspelbaar systeem te verkrijgen moet ook het tijdsgedrag van een applicatie die wordt uitgevoerd op het platform voorspelbaar en analyseerbaar zijn. Het Synchronous Dataflow (SDF) model is erg geschikt voor het modelleren van applicaties die werken met gegevensstromen. Het model kan vele ontwerpbeslissingen modelleren en het is mogelijk om tijdens het ontwerptraject het tijdsgedrag van het systeem te analyseren. Dit proefschrift probeert om applicaties die gemodelleerd zijn met SDF grafen op een zodanige manier af te beelden op een NoC-gebaseerd MP-SoC, dat garanties op het tijdsgedrag van individuele applicaties gegeven kunnen worden. De doorstroomsnelheid van een applicatie is vaak een van de belangrijkste eisen bij het ontwerpen van systemen voor applicaties die werken met gegevensstromen. Deze doorstroomsnelheid wordt in hoge mate be¨invloed door de beschikbare ruimte om resultaten (gegevens) op te slaan. De opslagruimte in een SDF graaf wordt gemodelleerd door de pijlen in de graaf. Het probleem is dat er een vaste grootte voor de opslagruimte aan de pijlen van een SDF graaf moet worden toegewezen. Deze grootte moet zodanig worden gekozen dat de vereiste doorstroomsnelheid van het systeem gehaald wordt, terwijl de benodigde opslagruimte geminimaliseerd wordt. De eerste belangrijkste bijdrage van dit proefschrift is een techniek om de minimale opslagruimte voor iedere mogelijke doorstroomsnelheid van een applicatie te vinden. Ondanks de theoretische complexiteit van dit probleem presteert de techniek in praktijk goed. Doordat de techniek alle mogelijke minimale combinaties van opslagruimte en doorstroomsnelheid vindt, is het mogelijk om met situaties om te gaan waarin nog niet alle ontwerpbeslissingen zijn genomen. De ontwerpbeslissingen om twee taken van een applicatie op ´e´en processor uit te voeren, zou bijvoorbeeld de doorstroomsnelheid kunnen be¨invloeden. Hierdoor is er een onzekerheid in het begin van het ontwerptraject tussen de berekende doorstroomsnelheid en de doorstroomsnelheid die daadwerkelijk gerealiseerd kan worden als alle ontwerpbeslissingen zijn genomen. Tijdens het ontwerptraject moeten de taken waaruit een applicatie is opgebouwd toegewezen worden aan de verschillende processoren en geheugens in het systeem. Indien meerdere taken een processor delen, moet ook de volgorde bepaald worden waarin deze taken worden uitgevoerd. Een belangrijke bijdrage van dit proefschrift is een techniek die deze toewijzing uitvoert en die de volgorde bepaalt waarin taken worden uitgevoerd. Bestaande technieken kunnen alleen omgaan met taken die een ´e´en-op-´e´en relatie met elkaar hebben, dat wil zeggen, taken die een gelijk aantal keren uitgevoerd worden. In een SDF graaf kunnen ook complexere relaties worden uitgedrukt. Deze relaties kunnen omgeschreven worden naar een ´e´en-op-´e´en relatie, maar dat kan leiden tot een exponenti¨ele groei van het aantal taken in de graaf. Hierdoor kan het onmogelijk worden om in een beperkte tijd alle taken aan de processoren toe te wijzen en om de volgorde te bepalen waarin deze taken worden uitgevoerd. De techniek die in dit proefschrift wordt gepresenteerd, kan omgaan met de complexe relaties tussen taken in een SDF graaf zonder de vertaling naar de ´e´en-op-´e´en relaties te maken. Dit is mogelijk dankzij een nieuwe, effici¨ente techniek om de doorstroomsnelheid van SDF grafen te bepalen. Nadat de taken van een applicatie toegewezen zijn aan de processoren in het hardware platform moet de communicatie tussen deze taken op het NoC gepland worden. In deze planning moet voor ieder bericht dat tussen de taken wordt verstuurd, worden bepaald welke route er gebruikt wordt en wanneer de communicatie gestart wordt. Dit proefschrift introduceert drie strategie¨en voor het versturen van berichten met een strikte tijdslimiet. Alle drie de strategie¨en maken maximaal gebruik van de beschikbare vrijheid die moderne NoCs bieden. Experimenten tonen aan dat deze strategie¨en hierdoor effici¨enter omgaan met de beschikbare hardware dan bestaande strategie¨en. Naast deze strategie¨en wordt er een techniek gepresenteerd om uit de ontwerpbeslissingen die gemaakt zijn tijdens het toewijzen van taken aan de processoren alle tijdslimieten af te leiden waarbinnen de berichten over het NoC gecommuniceerd moeten worden. Deze techniek koppelt de eerder genoemde techniek voor het toewijzen van taken aan processoren aan de drie strategie¨en om berichten te versturen over het NoC. Tenslotte worden de verschillende technieken die in dit proefschrift worden ge¨introduceerd gecombineerd tot een compleet ontwerptraject. Het startpunt is een SDF graaf die een applicatie modelleert en een NoC-gebaseerd MP-SoC platform met een voorspelbaar tijdsgedrag. Het doel van het ontwerptraject is het op een zodanige manier afbeelden van de applicatie op het platform dat de doorstroomsnelheid van de applicatie gegarandeerd kan worden. Daarnaast probeert het ontwerptraject de hoeveelheid hardware die gebruikt wordt te minimaliseren. Er wordt een experiment gepresenteerd waarin drie verschillende multimedia applicaties (H.263 encoder/decoder en een MP3 decoder) op een NoCgebaseerd MP-SoC worden afgebeeld. Dit experiment toont aan dat de technieken die in dit proefschrift worden voorgesteld, gebruikt kunnen worden voor het ontwerpen van systemen met een voorspelbaar tijdsgedrag. Hiermee is het voorgestelde ontwerptraject het eerste traject dat een met een SDF-gemodelleerde applicatie op een NoC-gebaseerd MP-SoC kan afbeelden, terwijl er garanties worden gegeven over de doorstroomsnelheid van de applicatie

Multiprocessor Image-Based Control: Model-Driven Optimisation

Over the last years, cameras have become an integral component of modern cyber-physical systems due to their versatility, relatively low cost and multi-functionality. Camera sensors form the backbone of modern applications like advanced driver assistance systems (ADASs), visual servoing, telerobotics, autonomous systems, electron microscopes, surveillance and augmented reality. Image-based control (IBC) systems refer to a class of data-intensive feedback control systems whose feedback is provided by the camera sensor(s). IBC systems have become popular with the advent of efficient image-processing algorithms, low-cost complementary metal–oxide semiconductor (CMOS) cameras with high resolution and embedded multiprocessor computing platforms with high performance. The combination of the camera sensor(s) and image-processing algorithms can detect a rich set of features in an image. These features help to compute the states of the IBC system, such as relative position, distance, or depth, and support tracking of the object-of-interest. Modern industrial compute platforms offer high performance by allowing parallel and pipelined execution of tasks on their multiprocessors.The challenge, however, is that the image-processing algorithms are compute-intensive and result in an inherent relatively long sensing delay. State-of-the-art design methods do not fully exploit the IBC system characteristics and advantages of the multiprocessor platforms for optimising the sensing delay. The sensing delay of an IBC system is moreover variable with a significant degree of variation between the best-case and worst-case delay due to application-specific image-processing workload variations and the impact of platform resources. A long variable sensing delay degrades system performance and stability. A tight predictable sensing delay is required to optimise the IBC system performance and to guarantee the stability of the IBC system. Analytical computation of sensing delay is often pessimistic due to image-dependent workload variations or challenging platform timing analysis. Therefore, this thesis explores techniques to cope with the long variable sensing delay by considering application-specific IBC system characteristics and exploiting the benefits of the multiprocessor platforms. Effectively handling the long variable sensing delay helps to optimise IBC system performance while guaranteeing IBC system stability