Variation-aware high-level DSP circuit design optimisation framework for FPGAs

The constant technology shrinking and the increasing demand for systems that operate under different power profiles with the maximum performance, have motivated the work in this thesis. Modern design tools that target FPGA devices take a conservative approach in the estimation of the maximum performance that can be achieved by a design when it is placed on a device, accounting for any variability in the fabrication process of the device. The work presented here takes a new view on the performance improvement of DSP designs by pushing them into the error-prone regime, as defined by the synthesis tools, and by investigating methodologies that reduce the impact of timing errors at the output of the system. In this work two novel error reduction techniques are proposed to address this problem. One is based on reduced-precision redundancy and the other on an error optimisation framework that uses information from a prior characterisation of the device. The first one is a generic architecture that is appended to existing arithmetic operators. The second defines the high-level parameters of the algorithm without using extra resources. Both of these methods allow to achieve graceful degradation whilst variation increases. A comparison of the new methods is laid against the existing methodologies, and conclusions drawn on the tradeoffs between their cost, in terms of resources and errors, and their benefits in terms of throughput. In some cases it is possible to double the performance of the design while still producing valid results.Open Acces

Synthèse et description de circuits numériques au niveau des transferts synchronisés par les données

RÉSUMÉ Au-delà des processeurs d’instructions multi-coeurs, le monde du traitement numérique haute performance moderne est également caractérisé par l’utilisation de circuits spécifiques à un domaine d’application implémentés au moyen de circuits programmables FPGA (réseau de portes programmables in situ). Les FPGA représentent des candidats intéressants à la réalisation de calculs haute-performances pour différentes raisons. D’une part, le nombre importants de blocs de propriétés intellectuelles gravés en dur sur ces puces (processeurs, mémoires, unités de traitement de signal numérique) réduit l’écart qui les sépare des circuits intégrés dédiés en termes de ressources disponibles. Un écart qui s’explique par le haut niveau de configurabilité offert par le circuit programmable, une capacité pour laquelle un grand nombre de ressources doit être dédié sans être utilisé par le circuit programmé. Néanmoins dans un contexte où souvent plus de transistors sont disponibles qu’on puisse en utiliser, le coût associé à la configurabilité s’en trouve d’autant réduit. De par leur capacité à être reconfigurés complètement ou partiellement, les FPGAs modernes, tout comme les processeurs d’instructions, offrent la flexibilité requise pour supporter un grand nombre d’applications. Néanmoins, contrairement aux processeurs d’instructions qui peuvent être programmés avec différents langages de programmation haut-niveau (Java, C#, C/C++, MPI, OpenMP, OpenCL), la programmation d’un FPGA requiert la spécification d’un circuit numérique, ce qui représente un obstacle majeur à leur plus grande adoption. La description de circuits numériques est généralement exprimée au moyen d’un langage concurrent pour lequel le niveau d’abstraction se situe au niveau des transferts entre registres (RTL), tels les langages VHDL et Verilog. Pour une application donnée, la réalisation d’un circuit numérique spécialisé requiert typiquement un effort de conception significativement plus grand qu’une réalisation logicielle. Il existe aujourd’hui différents outils académiques et commerciaux permettant la synthèse haut-niveau de circuits numériques en partant de descriptions C/C++/SystemC, et plus récemment OpenCL. Cependant, selon l’application considérée, ces outils ne permettent pas toujours d’obtenir des performances comparables à celles qui peuvent être obtenues avec une description RTL produite manuellement. On s’intéresse dans ce travail à un outil de synthèse de niveau intermédiaire offrant un compromis entre les performances atteignables au moyen d’une méthode de conception RTL, ainsi que les temps de conception que permet la synthèse à haut-niveau.----------ABSTRACT Beyond modern multi/many-cores processors, the world of computing is also caracterized by the use of dedicated circuits implemented on Field-Programmable Gate-Arrays (FPGAs). For many reasons, modern FPGAs have become interesting targets for high-performance computing applications. On one hand, their integration of considerable amounts of IP blocks (processors, memories, DSPs) has contributed to reduce the resource/performance gap that exist with Application Specific Integrated Devices (ASICs). A gap that is easily explained by the high-level of reconfigurability that these devices provide, a feature for which a considerable amount of resources (transistors) must be dedicated. Nevertheless, in a context where often more transistors are often available than it is needed or required, the impact of such a cost is less important. The ability to reconfigure completely or partially modern FPGAs further offer the flexibility required to support multiple different applications over time, similarly to instruction processors. However, while instruction processors can be programmed with different high abstraction level software programming languages (Java, C#, C/C++, MPI, OpenMP, OpenCL), FPGA programming typically requires the specification of a hardware design, which is a major obstacle to their widespread use. The description of a hardware design is generally done at the register-transfer level (RTL), using hardware description languages (HDLs) such as VHDL and Verilog. For a given application, the design and verification of a dedicated circuit requires a significantly more important effort than a software implementation. Nowadays, numerous commercial and academic tools allow the high-level synthesis of hardware designs starting from a software description using programming languages such as C/C++/SystemC, and more recently OpenCL. Nevertheless, depending on the application considered, at current state of the art, these tools do not allow performances that matches those which can be obtained through hand-made RTL designs. In this work, we consider an intermediate-level synthesis methodology offering a compromise between the performances and design times that can be obtained with RTL and high-level synthesis methodologies. We consider an input hardware description language that allows the description of algorithmic state machines (ASMs) handling connections between sources and sinks with predefined streaming interfaces. These interfaces are similar AXI4-Streaming and Avalon-Streaming interfaces, featuring ready-to-send/ready-to-receive synchronisation signals