Motion estimation and CABAC VLSI co-processors for real-time high-quality H.264/AVC video coding

Real-time and high-quality video coding is gaining a wide interest in the research and industrial community for different applications. H.264/AVC, a recent standard for high performance video coding, can be successfully exploited in several scenarios including digital video broadcasting, high-definition TV and DVD-based systems, which require to sustain up to tens of Mbits/s. To that purpose this paper proposes optimized architectures for H.264/AVC most critical tasks, Motion estimation and context adaptive binary arithmetic coding. Post synthesis results on sub-micron CMOS standard-cells technologies show that the proposed architectures can actually process in real-time 720 × 480 video sequences at 30 frames/s and grant more than 50 Mbits/s. The achieved circuit complexity and power consumption budgets are suitable for their integration in complex VLSI multimedia systems based either on AHB bus centric on-chip communication system or on novel Network-on-Chip (NoC) infrastructures for MPSoC (Multi-Processor System on Chip

On chip interconnects for multiprocessor turbo decoding architectures

International audienc

Self-adaptivity of applications on network on chip multiprocessors: the case of fault-tolerant Kahn process networks

Technology scaling accompanied with higher operating frequencies and the ability to integrate more functionality in the same chip has been the driving force behind delivering higher performance computing systems at lower costs. Embedded computing systems, which have been riding the same wave of success, have evolved into complex architectures encompassing a high number of cores interconnected by an on-chip network (usually identified as Multiprocessor System-on-Chip). However these trends are hindered by issues that arise as technology scaling continues towards deep submicron scales. Firstly, growing complexity of these systems and the variability introduced by process technologies make it ever harder to perform a thorough optimization of the system at design time. Secondly, designers are faced with a reliability wall that emerges as age-related degradation reduces the lifetime of transistors, and as the probability of defects escaping post-manufacturing testing is increased. In this thesis, we take on these challenges within the context of streaming applications running in network-on-chip based parallel (not necessarily homogeneous) systems-on-chip that adopt the no-remote memory access model. In particular, this thesis tackles two main problems: (1) fault-aware online task remapping, (2) application-level self-adaptation for quality management. For the former, by viewing fault tolerance as a self-adaptation aspect, we adopt a cross-layer approach that aims at graceful performance degradation by addressing permanent faults in processing elements mostly at system-level, in particular by exploiting redundancy available in multi-core platforms. We propose an optimal solution based on an integer linear programming formulation (suitable for design time adoption) as well as heuristic-based solutions to be used at run-time. We assess the impact of our approach on the lifetime reliability. We propose two recovery schemes based on a checkpoint-and-rollback and a rollforward technique. For the latter, we propose two variants of a monitor-controller- adapter loop that adapts application-level parameters to meet performance goals. We demonstrate not only that fault tolerance and self-adaptivity can be achieved in embedded platforms, but also that it can be done without incurring large overheads. In addressing these problems, we present techniques which have been realized (depending on their characteristics) in the form of a design tool, a run-time library or a hardware core to be added to the basic architecture

Exploiting generalized de-Bruijn/Kautz topologies for flexible iterative channel code decoder architectures

Modern iterative channel code decoder architectures have tight constrains on the throughput but require flexibility to support different modes and standards. Unfortunately, flexibility often comes at the expense of increasing the number of clock cycles required to complete the decoding of a data-frame, thus reducing the sustained throughput. The Network- on-Chip (NoC) paradigm is an interesting option to achieve flexibility, but several design choices, including the topology and the routing algorithm, can affect the decoder throughput. In this work logarithmic diameter topologies, in particular generalized de-Bruijn and Kautz topologies, are addressed as possible solutions to achieve both flexible and high throughput architectures for iterative channel code decoding. In particular, this work shows that the optimal shortest-path routing algorithm for these topologies, that is still available in the open literature, can be efficiently implemented resorting to a very simple circuit. Experimental results show that the proposed architecture features a reduction of about 14% and 10% for area and power consumption respectively, with respect to a previous shortest-path routing-table-based desig

Exploiting generalized de-Bruijn/Kautz topologies for flexible iterative channel code decoder architectures

Modern iterative channel code decoder architectures have tight constrains on the throughput but require flexibility to support different modes and standards. Unfortunately, flexibility often comes at the expense of increasing the number of clock cycles required to complete the decoding of a data-frame, thus reducing the sustained throughput. The Network- on-Chip (NoC) paradigm is an interesting option to achieve flexibility, but several design choices, including the topology and the routing algorithm, can affect the decoder throughput. In this work logarithmic diameter topologies, in particular generalized de-Bruijn and Kautz topologies, are addressed as possible solutions to achieve both flexible and high throughput architectures for iterative channel code decoding. In particular, this work shows that the optimal shortest-path routing algorithm for these topologies, that is still available in the open literature, can be efficiently implemented resorting to a very simple circuit. Experimental results show that the proposed architecture features a reduction of about 14% and 10% for area and power consumption respectively, with respect to a previous shortest-path routing-table-based design

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

Predictable multi-processor system on chip design for multimedia applications

The design of multimedia systems has become increasingly complex due to consumer requirements. Consumers demand the functionalities offered by a huge desktop from these systems. Many of these systems are mobile. Therefore, power consumption and size of these devices should be small. These systems are increasingly becoming multi-processor based (MPSoCs) for the reasons of power and performance. Applications execute on these systems in different combinations also known as use-cases. Applications may have different performance requirements in each use-case. Currently, verification of all these use-cases takes bulk of the design effort. There is a need for analysis based techniques so that the platforms have a predictable behaviour and in turn provide guarantees on performance without expending precious man hours on verification. In this dissertation, techniques and architectures have been developed to design and manage these multi-processor based systems efficiently. The dissertation presents predictable architectural components for MPSoCs, a Predictable MPSoC design strategy, automatic platform synthesis tool, a run-time system and an MPSoC simulation technique. The introduction of predictability helps in rapid design of MPSoC platforms. Chapter 1 of the thesis studies the trends in modern multimedia applications and processor architectures. The chapter further highlights the problems in the design of MPSoC platforms and emphasizes the need of predictable design techniques. Predictable design techniques require predictable application and architectural components. The chapter further elaborates on Synchronous Data Flow Graphs which are used to model the applications throughout this thesis. The chapter presents the architecture template used in this thesis and enlists the contributions of the thesis. One of the contributions of this thesis is the design of a predictable component called communication assist. Chapter 2 of the thesis describes the architecture of this communication assist. The communication assist presented in this thesis not only decouples the communication from computation but also provides timing guarantees. Based on this communication assist, an MPSoC platform generation technique has been presented that can design MPSoC platforms capable of satisfying the throughput constraints of multiple applications in all use-cases. The technique is presented in Chapter 3. The design strategy uses three simple steps for platform design. In the first step it finds the required number of processors. The second step minimizes the communication interconnect between the processors and the third step minimizes the communication memory requirement of the platform. Further in Chapter 4, a tool has been developed to generate CA-based platforms for FPGAs. The output of this tool can be used to synthesize platforms on real hardware with the help of FPGA synthesis tools. The applications executing on these platforms often exhibit dynamism e.g. variation in task execution times and change in application throughput requirements. Further, new applications may often be added by consumers at run-time. Resource managers have been presented in literature to handle such dynamic situations. However, the scalability of these resource managers becomes an issue with the increase in number of processors and applications. Chapter 5 presents distributed run-time resource management techniques. Two versions of distributed resource managers have been presented which are scalable with the number of applications and processors. MPSoC platforms for real-time applications are designed assuming worst-case task execution times. It is known that the difference between average-case and worst-case behaviour can be quite large. Therefore, knowing the average case performance is also important for the system designer, and software simulation is often employed to estimate this. However, simulation in software is slow and does not scale with the number of applications and processing elements. In Chapter 6, a fast and scalable simulation methodology is introduced that can simulate the execution of multiple applications on an MPSoC platform. It is based on parallel execution of SDF (Synchronous Data Flow) models of applications. The simulation methodology uses Parallel Discrete Event Simulation (PDES) primitives and it is termed as "Smart Conservative PDES". The methodology generates a parallel simulator which is synthesizable on FPGAs. The framework can also be used to model dynamic arbitration policies which are difficult to analyse using models. The generated platform is also useful in carrying out Design Space Exploration as shown in the thesis. Finally, Chapter 7 summarizes the main findings and (practical) implications of the studies described in previous chapters of this dissertation. Using the contributions mentioned in the thesis, a designer can design and implement predictable multiprocessor based systems capable of satisfying throughput constraints of multiple applications in given set of use-cases, and employ resource management strategies to deal with dynamism in the applications. The chapter also describes the main limitations of this dissertation and makes suggestions for future research

Network-on-Chip Based H.264 Video Decoder on a Field Programmable Gate Array

This thesis develops the first fully network-on-chip (NoC) based h.264 video decoder implemented in real hardware on a field programmable gate array (FPGA). This thesis starts with an overview of the h.264 video coding standard and an introduction to the NoC communication paradigm. Following this, a series of processing elements (PEs) are developed which implement the component algorithms making up the h.264 video decoder. These PEs, described primarily in VHDL with some Verilog and C, are then mapped to an NoC which is generated using the CONNECT NoC generation tool. To demonstrate the scalability of the proposed NoC based design, a second NoC based video decoder is implemented on a smaller FPGA using the same PEs on a more compact NoC topology. The performance of both decoders, as well as their component PEs, is evaluated on real hardware. An analysis of the performance results is conducted and recommendations for future work are made based on the results of this analysis. Aside from the development of the proposed decoder, a major contribution of this thesis is the release of all source materials for this design as open source hardware and software. The release of these materials will allow other researchers to more easily replicate this work, as well as create derivative works in the areas of NoC based designs for FPGA, video coding and decoding, and related areas