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

Design for Implementation of Image Processing Algorithms

Color image processing algorithms are first developed using a high-level mathematical modeling language. Current integrated development environments offer libraries of intrinsic functions, which on one hand enable faster development, but on the other hand hide the use of fundamental operations. The latter have to be detailed for an efficient hardware and/or software physical implementation. Based on the experience accumulated in the process of implementing a segmentation algorithm, this thesis outlines a design for implementation methodology comprised of a development flow and associated guidelines. The methodology enables algorithm developers to iteratively optimize their algorithms while maintaining the level of image integrity required by their application. Furthermore, it does not require algorithm developers to change their current development process. Rather, the design for implementation methodology is best suited for optimizing a functionally correct algorithm, thus appending to an algorithm developer\u27s design process of choice. The application of this methodology to four segmentation algorithm steps produced measured results with 2-D correlation coefficients (CORR2) better than 0.99, peak-signal-to-noise-ratio (PSNR) better than 70 dB, and structural-similarity-index (SSIM) better than 0.98, for a majority of test cases

High Peformance and Low Power On-Die Interconnect Fabrics.

Increasing power density with technology scaling has caused stagnation in operating frequency of modern day microprocessors. This has led designers to prefer multicore architectures over complex monolithic processors to keep up with the demand for rising computing throughput. Although processing units are getting smaller and simpler, the dramatic rise of their count on a single die has made the fabric that connects these processing units increasingly complex. These interconnect fabrics have become a bottleneck in improving overall system effciency. As a result, the design paradigm for multi-core chips is gradually shifting from a core-centric architecture towards an interconnect-centric architecture, where system efficiency is limited by the fabric rather than the processing ability of any individual core. This dissertation introduces three novel and synergistic circuit techniques to improve scalability of switch fabrics to make on-die integration of hundreds to thousands of cores feasible. 1) A matrix topology is proposed for designing a fully connected switch fabric that re-uses output buses for programming, and stores shue congurations at cross points. This significantly reduces routing congestion, lowers area/power, and improves per- formance. Silicon measurements demonstrate 47% energy savings in a 64-lane SIMD processor fabricated in 65nm CMOS over a conventional implementation. 2) A novel approach to handle high radix arbitration along with data routing is proposed. It optimally uses existing cross-bar interconnect resources without requiring any additional overhead. Bandwidth exceeding 2Tb/s is recorded in a test prototype fabricated in 65nm. 3) Building on the later, a new circuit topology to manage and update priority adaptively within the switch fabric without incurring additional delay or area is then proposed. Several assist circuit techniques, such as a thyristor based sense amplifier and self regenerating bi-directional repeaters are proposed for high speed energy efficient signaling to and from the switch fabric to improve overall routing efficiency. Using these techniques a 64 x 64 switch fabric with 128b data bus fabricated in 45nm achieves a throughput of 4.5Tb/s at single cycle latency while operating at 559MHz.Ph.D.Electrical EngineeringUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttp://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/91506/1/sudhirks_1.pd

Proceedings of the 5th International Workshop on Reconfigurable Communication-centric Systems on Chip 2010 - ReCoSoC\u2710 - May 17-19, 2010 Karlsruhe, Germany. (KIT Scientific Reports ; 7551)

ReCoSoC is intended to be a periodic annual meeting to expose and discuss gathered expertise as well as state of the art research around SoC related topics through plenary invited papers and posters. The workshop aims to provide a prospective view of tomorrow\u27s challenges in the multibillion transistor era, taking into account the emerging techniques and architectures exploring the synergy between flexible on-chip communication and system reconfigurability

High-level synthesis of dataflow programs for heterogeneous platforms:design flow tools and design space exploration

The growing complexity of digital signal processing applications implemented in programmable logic and embedded processors make a compelling case the use of high-level methodologies for their design and implementation. Past research has shown that for complex systems, raising the level of abstraction does not necessarily come at a cost in terms of performance or resource requirements. As a matter of fact, high-level synthesis tools supporting such a high abstraction often rival and on occasion improve low-level design. In spite of these successes, high-level synthesis still relies on programs being written with the target and often the synthesis process, in mind. In other words, imperative languages such as C or C++, most used languages for high-level synthesis, are either modified or a constrained subset is used to make parallelism explicit. In addition, a proper behavioral description that permits the unification for hardware and software design is still an elusive goal for heterogeneous platforms. A promising behavioral description capable of expressing both sequential and parallel application is RVC-CAL. RVC-CAL is a dataflow programming language that permits design abstraction, modularity, and portability. The objective of this thesis is to provide a high-level synthesis solution for RVC-CAL dataflow programs and provide an RVC-CAL design flow for heterogeneous platforms. The main contributions of this thesis are: a high-level synthesis infrastructure that supports the full specification of RVC-CAL, an action selection strategy for supporting parallel read and writes of list of tokens in hardware synthesis, a dynamic fine-grain profiling for synthesized dataflow programs, an iterative design space exploration framework that permits the performance estimation, analysis, and optimization of heterogeneous platforms, and finally a clock gating strategy that reduces the dynamic power consumption. Experimental results on all stages of the provided design flow, demonstrate the capabilities of the tools for high-level synthesis, software hardware Co-Design, design space exploration, and power optimization for reconfigurable hardware. Consequently, this work proves the viability of complex systems design and implementation using dataflow programming, not only for system-level simulation but real heterogeneous implementations

A Survey and Evaluation of FPGA High-Level Synthesis Tools

High-level synthesis (HLS) is increasingly popular for the design of high-performance and energy-efficient heterogeneous systems, shortening time-to-market and addressing today's system complexity. HLS allows designers to work at a higher-level of abstraction by using a software program to specify the hardware functionality. Additionally, HLS is particularly interesting for designing field-programmable gate array circuits, where hardware implementations can be easily refined and replaced in the target device. Recent years have seen much activity in the HLS research community, with a plethora of HLS tool offerings, from both industry and academia. All these tools may have different input languages, perform different internal optimizations, and produce results of different quality, even for the very same input description. Hence, it is challenging to compare their performance and understand which is the best for the hardware to be implemented. We present a comprehensive analysis of recent HLS tools, as well as overview the areas of active interest in the HLS research community. We also present a first-published methodology to evaluate different HLS tools. We use our methodology to compare one commercial and three academic tools on a common set of C benchmarks, aiming at performing an in-depth evaluation in terms of performance and the use of resources

A DYNAMIC HETEROGENEOUS MULTI-CORE ARCHITECTURE

Ph.DDOCTOR OF PHILOSOPH

Timing model derivation : static analysis of hardware description languages

Safety-critical hard real-time systems are subject to strict timing constraints. In order to derive guarantees on the timing behavior, the worst-case execution time (WCET) of each task comprising the system has to be known. The aiT tool has been developed for computing safe upper bounds on the WCET of a task. Its computation is mainly based on abstract interpretation of timing models of the processor and its periphery. These models are currently hand-crafted by human experts, which is a time-consuming and error-prone process. Modern processors are automatically synthesized from formal hardware specifications. Besides the processor’s functional behavior, also timing aspects are included in these descriptions. A methodology to derive sound timing models using hardware specifications is described within this thesis. To ease the process of timing model derivation, the methodology is embedded into a sound framework. A key part of this framework are static analyses on hardware specifications. This thesis presents an analysis framework that is build on the theory of abstract interpretation allowing use of classical program analyses on hardware description languages. Its suitability to automate parts of the derivation methodology is shown by different analyses. Practical experiments demonstrate the applicability of the approach to derive timing models. Also the soundness of the analyses and the analyses’ results is proved.Sicherheitskritische Echtzeitsysteme unterliegen strikten Zeitanforderungen. Um ihr Zeitverhalten zu garantieren müssen die Ausführungszeiten der einzelnen Programme, die das System bilden, bekannt sein. Um sichere obere Schranken für die Ausführungszeit von Programmen zu berechnen wurde aiT entwickelt. Die Berechnung basiert auf abstrakter Interpretation von Zeitmodellen des Prozessors und seiner Peripherie. Diese Modelle werden händisch in einem zeitaufwendigen und fehleranfälligen Prozess von Experten entwickelt. Moderne Prozessoren werden automatisch aus formalen Spezifikationen erzeugt. Neben dem funktionalen Verhalten beschreiben diese auch das Zeitverhalten des Prozessors. In dieser Arbeit wird eine Methodik zur sicheren Ableitung von Zeitmodellen aus der Hardwarespezifikation beschrieben. Um den Ableitungsprozess zu vereinfachen ist diese Methodik in eine automatisierte Umgebung eingebettet. Ein Hauptbestandteil dieses Systems sind statische Analysen auf Hardwarebeschreibungen. Diese Arbeit stellt eine Analyse-Umgebung vor, die auf der Theorie der abstrakten Interpretation aufbaut und den Einsatz von klassischen Programmanalysen auf Hardwarebeschreibungssprachen erlaubt. Die Eignung des Systems, Teile der Ableitungsmethodik zu automatisieren, wird anhand einiger Analysen gezeigt. Experimentelle Ergebnisse zeigen die Anwendbarkeit der Methodik zur Ableitung von Zeitmodellen. Die Korrektheit der Analysen und der Analyse-Ergebnisse wird ebenfalls bewiesen