Towards hardware acceleration of neuroevolution for multimedia processing applications on mobile devices

This paper addresses the problem of accelerating large artificial neural networks (ANN), whose topology and weights can evolve via the use of a genetic algorithm. The proposed digital hardware architecture is capable of processing any evolved network topology, whilst at the same time providing a good trade off between throughput, area and power consumption. The latter is vital for a longer battery life on mobile devices. The architecture uses multiple parallel arithmetic units in each processing element (PE). Memory partitioning and data caching are used to minimise the effects of PE pipeline stalling. A first order minimax polynomial approximation scheme, tuned via a genetic algorithm, is used for the activation function generator. Efficient arithmetic circuitry, which leverages modified Booth recoding, column compressors and carry save adders, is adopted throughout the design

"Going back to our roots": second generation biocomputing

Researchers in the field of biocomputing have, for many years, successfully "harvested and exploited" the natural world for inspiration in developing systems that are robust, adaptable and capable of generating novel and even "creative" solutions to human-defined problems. However, in this position paper we argue that the time has now come for a reassessment of how we exploit biology to generate new computational systems. Previous solutions (the "first generation" of biocomputing techniques), whilst reasonably effective, are crude analogues of actual biological systems. We believe that a new, inherently inter-disciplinary approach is needed for the development of the emerging "second generation" of bio-inspired methods. This new modus operandi will require much closer interaction between the engineering and life sciences communities, as well as a bidirectional flow of concepts, applications and expertise. We support our argument by examining, in this new light, three existing areas of biocomputing (genetic programming, artificial immune systems and evolvable hardware), as well as an emerging area (natural genetic engineering) which may provide useful pointers as to the way forward.Comment: Submitted to the International Journal of Unconventional Computin

FIST: A Feature-Importance Sampling and Tree-Based Method for Automatic Design Flow Parameter Tuning

Design flow parameters are of utmost importance to chip design quality and require a painfully long time to evaluate their effects. In reality, flow parameter tuning is usually performed manually based on designers' experience in an ad hoc manner. In this work, we introduce a machine learning-based automatic parameter tuning methodology that aims to find the best design quality with a limited number of trials. Instead of merely plugging in machine learning engines, we develop clustering and approximate sampling techniques for improving tuning efficiency. The feature extraction in this method can reuse knowledge from prior designs. Furthermore, we leverage a state-of-the-art XGBoost model and propose a novel dynamic tree technique to overcome overfitting. Experimental results on benchmark circuits show that our approach achieves 25% improvement in design quality or 37% reduction in sampling cost compared to random forest method, which is the kernel of a highly cited previous work. Our approach is further validated on two industrial designs. By sampling less than 0.02% of possible parameter sets, it reduces area by 1.83% and 1.43% compared to the best solutions hand-tuned by experienced designers

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

A Field Guide to Genetic Programming

xiv, 233 p. : il. ; 23 cm.Libro ElectrónicoA Field Guide to Genetic Programming (ISBN 978-1-4092-0073-4) is an introduction to genetic programming (GP). GP is a systematic, domain-independent method for getting computers to solve problems automatically starting from a high-level statement of what needs to be done. Using ideas from natural evolution, GP starts from an ooze of random computer programs, and progressively refines them through processes of mutation and sexual recombination, until solutions emerge. All this without the user having to know or specify the form or structure of solutions in advance. GP has generated a plethora of human-competitive results and applications, including novel scientific discoveries and patentable inventions. The authorsIntroduction -- Representation, initialisation and operators in Tree-based GP -- Getting ready to run genetic programming -- Example genetic programming run -- Alternative initialisations and operators in Tree-based GP -- Modular, grammatical and developmental Tree-based GP -- Linear and graph genetic programming -- Probalistic genetic programming -- Multi-objective genetic programming -- Fast and distributed genetic programming -- GP theory and its applications -- Applications -- Troubleshooting GP -- Conclusions.Contents xi 1 Introduction 1.1 Genetic Programming in a Nutshell 1.2 Getting Started 1.3 Prerequisites 1.4 Overview of this Field Guide I Basics 2 Representation, Initialisation and GP 2.1 Representation 2.2 Initialising the Population 2.3 Selection 2.4 Recombination and Mutation Operators in Tree-based 3 Getting Ready to Run Genetic Programming 19 3.1 Step 1: Terminal Set 19 3.2 Step 2: Function Set 20 3.2.1 Closure 21 3.2.2 Sufficiency 23 3.2.3 Evolving Structures other than Programs 23 3.3 Step 3: Fitness Function 24 3.4 Step 4: GP Parameters 26 3.5 Step 5: Termination and solution designation 27 4 Example Genetic Programming Run 4.1 Preparatory Steps 29 4.2 Step-by-Step Sample Run 31 4.2.1 Initialisation 31 4.2.2 Fitness Evaluation Selection, Crossover and Mutation Termination and Solution Designation Advanced Genetic Programming 5 Alternative Initialisations and Operators in 5.1 Constructing the Initial Population 5.1.1 Uniform Initialisation 5.1.2 Initialisation may Affect Bloat 5.1.3 Seeding 5.2 GP Mutation 5.2.1 Is Mutation Necessary? 5.2.2 Mutation Cookbook 5.3 GP Crossover 5.4 Other Techniques 32 5.5 Tree-based GP 39 6 Modular, Grammatical and Developmental Tree-based GP 47 6.1 Evolving Modular and Hierarchical Structures 47 6.1.1 Automatically Defined Functions 48 6.1.2 Program Architecture and Architecture-Altering 50 6.2 Constraining Structures 51 6.2.1 Enforcing Particular Structures 52 6.2.2 Strongly Typed GP 52 6.2.3 Grammar-based Constraints 53 6.2.4 Constraints and Bias 55 6.3 Developmental Genetic Programming 57 6.4 Strongly Typed Autoconstructive GP with PushGP 59 7 Linear and Graph Genetic Programming 61 7.1 Linear Genetic Programming 61 7.1.1 Motivations 61 7.1.2 Linear GP Representations 62 7.1.3 Linear GP Operators 64 7.2 Graph-Based Genetic Programming 65 7.2.1 Parallel Distributed GP (PDGP) 65 7.2.2 PADO 67 7.2.3 Cartesian GP 67 7.2.4 Evolving Parallel Programs using Indirect Encodings 68 8 Probabilistic Genetic Programming 8.1 Estimation of Distribution Algorithms 69 8.2 Pure EDA GP 71 8.3 Mixing Grammars and Probabilities 74 9 Multi-objective Genetic Programming 75 9.1 Combining Multiple Objectives into a Scalar Fitness Function 75 9.2 Keeping the Objectives Separate 76 9.2.1 Multi-objective Bloat and Complexity Control 77 9.2.2 Other Objectives 78 9.2.3 Non-Pareto Criteria 80 9.3 Multiple Objectives via Dynamic and Staged Fitness Functions 80 9.4 Multi-objective Optimisation via Operator Bias 81 10 Fast and Distributed Genetic Programming 83 10.1 Reducing Fitness Evaluations/Increasing their Effectiveness 83 10.2 Reducing Cost of Fitness with Caches 86 10.3 Parallel and Distributed GP are Not Equivalent 88 10.4 Running GP on Parallel Hardware 89 10.4.1 Master–slave GP 89 10.4.2 GP Running on GPUs 90 10.4.3 GP on FPGAs 92 10.4.4 Sub-machine-code GP 93 10.5 Geographically Distributed GP 93 11 GP Theory and its Applications 97 11.1 Mathematical Models 98 11.2 Search Spaces 99 11.3 Bloat 101 11.3.1 Bloat in Theory 101 11.3.2 Bloat Control in Practice 104 III Practical Genetic Programming 12 Applications 12.1 Where GP has Done Well 12.2 Curve Fitting, Data Modelling and Symbolic Regression 12.3 Human Competitive Results – the Humies 12.4 Image and Signal Processing 12.5 Financial Trading, Time Series, and Economic Modelling 12.6 Industrial Process Control 12.7 Medicine, Biology and Bioinformatics 12.8 GP to Create Searchers and Solvers – Hyper-heuristics xiii 12.9 Entertainment and Computer Games 127 12.10The Arts 127 12.11Compression 128 13 Troubleshooting GP 13.1 Is there a Bug in the Code? 13.2 Can you Trust your Results? 13.3 There are No Silver Bullets 13.4 Small Changes can have Big Effects 13.5 Big Changes can have No Effect 13.6 Study your Populations 13.7 Encourage Diversity 13.8 Embrace Approximation 13.9 Control Bloat 13.10 Checkpoint Results 13.11 Report Well 13.12 Convince your Customers 14 Conclusions Tricks of the Trade A Resources A.1 Key Books A.2 Key Journals A.3 Key International Meetings A.4 GP Implementations A.5 On-Line Resources 145 B TinyGP 151 B.1 Overview of TinyGP 151 B.2 Input Data Files for TinyGP 153 B.3 Source Code 154 B.4 Compiling and Running TinyGP 162 Bibliography 167 Inde