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

Exploring Processor and Memory Architectures for Multimedia

Multimedia has become one of the cornerstones of our 21st century society and, when combined with mobility, has enabled a tremendous evolution of our society. However, joining these two concepts introduces many technical challenges. These range from having sufficient performance for handling multimedia content to having the battery stamina for acceptable mobile usage. When taking a projection of where we are heading, we see these issues becoming ever more challenging by increased mobility as well as advancements in multimedia content, such as introduction of stereoscopic 3D and augmented reality. The increased performance needs for handling multimedia come not only from an ongoing step-up in resolution going from QVGA (320x240) to Full HD (1920x1080) a 27x increase in less than half a decade. On top of this, there is also codec evolution (MPEG-2 to H.264 AVC) that adds to the computational load increase. To meet these performance challenges there has been processing and memory architecture advances (SIMD, out-of-order superscalarity, multicore processing and heterogeneous multilevel memories) in the mobile domain, in conjunction with ever increasing operating frequencies (200MHz to 2GHz) and on-chip memory sizes (128KB to 2-3MB). At the same time there is an increase in requirements for mobility, placing higher demands on battery-powered systems despite the steady increase in battery capacity (500 to 2000mAh). This leaves negative net result in-terms of battery capacity versus performance advances. In order to make optimal use of these architectural advances and to meet the power limitations in mobile systems, there is a need for taking an overall approach on how to best utilize these systems. The right trade-off between performance and power is crucial. On top of these constraints, the flexibility aspects of the system need to be addressed. All this makes it very important to reach the right architectural balance in the system. The first goal for this thesis is to examine multimedia applications and propose a flexible solution that can meet the architectural requirements in a mobile system. Secondly, propose an automated methodology of optimally mapping multimedia data and instructions to a heterogeneous multilevel memory subsystem. The proposed methodology uses constraint programming for solving a multidimensional optimization problem. Results from this work indicate that using today’s most advanced mobile processor technology together with a multi-level heterogeneous on-chip memory subsystem can meet the performance requirements for handling multimedia. By utilizing the automated optimal memory mapping method presented in this thesis lower total power consumption can be achieved, whilst performance for multimedia applications is improved, by employing enhanced memory management. This is achieved through reduced external accesses and better reuse of memory objects. This automatic method shows high accuracy, up to 90%, for predicting multimedia memory accesses for a given architecture

Design Methods and Tools for Application-Specific Predictable Networks-on-Chip

As the complexity of applications grows with each new generation, so does the demand for computation power. To satisfy the computation demands at manageable power levels, we see a shift in the design paradigm from single processor systems to Multiprocessor Systems-on-Chip (MPSoCs). MPSoCs leverage the parallelism in applications to increase the performance at the same power levels. To further improve the computation to power consumption ratio, MPSoCs for embedded applications are heterogeneous and integrate cores that are specialized to perform the different functionalities of the application. With technology scaling, wire power consumption is increasing compared to logic, making communication as expensive as computation. Therefore customizing the interconnect is necessary to achieve energy efficiency. Designing an optimal application specific Network-on-Chip (NoC), that meets application demands, requires the exploration of a large design space. Automatic design and optimization of the NoC is required in order to achieve fast design closure, especially for heterogeneous MPSoCs. To continue to meet the computation requirements of future applications new technologies are emerging. Three dimensional integration promises to increase the number of transistors by stacking multiple silicon layers. This will lead to an increase in the number of cores of the MPSoCs resulting in increased communication demands. To compensate for the increase in the wire delay in new technology nodes as well as to reduce the power consumption further, multi-synchronous design is becoming popular. With multiple clock signals, different parts of the MPSoC can be clocked at different frequencies according to the current demands of the application and can even be shutdown when they are not used at all. This further complicates the design of the NoC.Many applications require different levels of guarantee from the NoC in order to perform their functionality correctly. As communication traffic patterns become more complex, the performance of the NoC can no longer be predicted statically. Therefore designing the interconnect network requires that such guarantees are provided during the dynamic operation of the system which includes the interaction with major subsystems (i.e., main memory) and not just the interconnect itself. In this thesis, I present novel methods to design application-specific NoCs that meet performance demands, under the constraints of new technologies. To provide different levels of Quality of Service, I integrate methods to estimate the NoC performance during the design phase of the interconnect topology. I present methods and architectures for NoCs to efficiently access memory systems, in order to achieve predictable operation of the systems from the point of view of the communication as well as the bottleneck target devices. Therefore the main contribution of the thesis is twofold: scientific as I propose new algorithms to perform topology synthesis and engineering by presenting extensive experiments and architectures for NoC design

Advanced Applications of Rapid Prototyping Technology in Modern Engineering

Rapid prototyping (RP) technology has been widely known and appreciated due to its flexible and customized manufacturing capabilities. The widely studied RP techniques include stereolithography apparatus (SLA), selective laser sintering (SLS), three-dimensional printing (3DP), fused deposition modeling (FDM), 3D plotting, solid ground curing (SGC), multiphase jet solidification (MJS), laminated object manufacturing (LOM). Different techniques are associated with different materials and/or processing principles and thus are devoted to specific applications. RP technology has no longer been only for prototype building rather has been extended for real industrial manufacturing solutions. Today, the RP technology has contributed to almost all engineering areas that include mechanical, materials, industrial, aerospace, electrical and most recently biomedical engineering. This book aims to present the advanced development of RP technologies in various engineering areas as the solutions to the real world engineering problems

Understanding Quantum Technologies 2022

Understanding Quantum Technologies 2022 is a creative-commons ebook that provides a unique 360 degrees overview of quantum technologies from science and technology to geopolitical and societal issues. It covers quantum physics history, quantum physics 101, gate-based quantum computing, quantum computing engineering (including quantum error corrections and quantum computing energetics), quantum computing hardware (all qubit types, including quantum annealing and quantum simulation paradigms, history, science, research, implementation and vendors), quantum enabling technologies (cryogenics, control electronics, photonics, components fabs, raw materials), quantum computing algorithms, software development tools and use cases, unconventional computing (potential alternatives to quantum and classical computing), quantum telecommunications and cryptography, quantum sensing, quantum technologies around the world, quantum technologies societal impact and even quantum fake sciences. The main audience are computer science engineers, developers and IT specialists as well as quantum scientists and students who want to acquire a global view of how quantum technologies work, and particularly quantum computing. This version is an extensive update to the 2021 edition published in October 2021.Comment: 1132 pages, 920 figures, Letter forma