Just In Time Assembly (JITA) - A Run Time Interpretation Approach for Achieving Productivity of Creating Custom Accelerators in FPGAs

The reconfigurable computing community has yet to be successful in allowing programmers to access FPGAs through traditional software development flows. Existing barriers that prevent programmers from using FPGAs include: 1) knowledge of hardware programming models, 2) the need to work within the vendor specific CAD tools and hardware synthesis. This thesis presents a series of published papers that explore different aspects of a new approach being developed to remove the barriers and enable programmers to compile accelerators on next generation reconfigurable manycore architectures. The approach is entitled Just In Time Assembly (JITA) of hardware accelerators. The approach has been defined to allow hardware accelerators to be built and run through software compilation and run time interpretation outside of CAD tools and without requiring each new accelerator to be synthesized. The approach advocates the use of libraries of pre-synthesized components that can be referenced through symbolic links in a similar fashion to dynamically linked software libraries. Synthesis still must occur but is moved out of the application programmers software flow and into the initial coding process that occurs when programming patterns that define a Domain Specific Language (DSL) are first coded. Programmers see no difference between creating software or hardware functionality when using the DSL. A new run time interpreter is introduced to assemble the individual pre-synthesized hardware accelerators that comprise the accelerator functionality within a configurable tile array of partially reconfigurable slots at run time. Quantitative results are presented that compares utilization, performance, and productivity of the approach to what would be achieved by full custom accelerators created through traditional CAD flows using hardware programming models and passing through synthesis

A Hybrid Partially Reconfigurable Overlay Supporting Just-In-Time Assembly of Custom Accelerators on FPGAs

The state of the art in design and development flows for FPGAs are not sufficiently mature to allow programmers to implement their applications through traditional software development flows. The stipulation of synthesis as well as the requirement of background knowledge on the FPGAs\u27 low-level physical hardware structure are major challenges that prevent programmers from using FPGAs. The reconfigurable computing community is seeking solutions to raise the level of design abstraction at which programmers must operate, and move the synthesis process out of the programmers\u27 path through the use of overlays. A recent approach, Just-In-Time Assembly (JITA), was proposed that enables hardware accelerators to be assembled at runtime, all from within a traditional software compilation flow. The JITA approach presents a promising path to constructing hardware designs on FPGAs using pre-synthesized parallel programming patterns, but suffers from two major limitations. First, all variant programming patterns must be pre-synthesized. Second, conditional operations are not supported. In this thesis, I present a new reconfigurable overlay, URUK, that overcomes the two limitations imposed by the JITA approach. Similar to the original JITA approach, the proposed URUK overlay allows hardware accelerators to be constructed on FPGAs through software compilation flows. To this basic capability, URUK adds additional support to enable the assembly of presynthesized fine-grained computational operators to be assembled within the FPGA. This thesis provides analysis of URUK from three different perspectives; utilization, performance, and productivity. The analysis includes comparisons against High-Level Synthesis (HLS) and the state of the art approach to creating static overlays. The tradeoffs conclude that URUK can achieve approximately equivalent performance for algebra operations compared to HLS custom accelerators, which are designed with simple experience on FPGAs. Further, URUK shows a high degree of flexibility for runtime placement and routing of the primitive operations. The analysis shows how this flexibility can be leveraged to reduce communication overhead among tiles, compared to traditional static overlays. The results also show URUK can enable software programmers without any hardware skills to create hardware accelerators at productivity levels consistent with software development and compilation

Throughput oriented FPGA overlays using DSP blocks

Design productivity is a major concern preventing the mainstream adoption of FPGAs. Overlay architectures have emerged as one possible solution to this challenge, offering fast compilation and software-like programmability. However, overlays typically suffer from area and performance overheads due to limited consideration for the underlying FPGA architecture. These overlays have often been of limited size, supporting only relatively small compute kernels. This paper examines the possibility of developing larger, more efficient, overlays using multiple DSP blocks and then maximising utilisation by mapping multiple instances of kernels simultaneously onto the overlay to exploit kernel level parallelism. We show a significant improvement in achievable overlay size and overlay utilisation, with a reduction of almost 70% in the overlay tile requirement compared to existing overlay architectures, an operating frequency in excess of 300 MHz, and kernel throughputs of almost 60 GOPS

Are coarse-grained overlays ready for general purpose application acceleration on FPGAs?

Combining processors with hardware accelerators has become a norm with systems-on-chip (SoCs) ever present in modern compute devices. Heterogeneous programmable system on chip platforms sometimes referred to as hybrid FPGAs, tightly couple general purpose processors with high performance reconfigurable fabrics, providing a more flexible alternative. We can now think of a software application with hardware accelerated portions that are reconfigured at runtime. While such ideas have been explored in the past, modern hybrid FPGAs are the first commercial platforms to enable this move to a more software oriented view, where reconfiguration enables hardware resources to be shared by multiple tasks in a bigger application. However, while the rapidly increasing logic density and more capable hard resources found in modern hybrid FPGA devices should make them widely deployable, they remain constrained within specialist application domains. This is due to both design productivity issues and a lack of suitable hardware abstraction to eliminate the need for working with platform-specific details, as server and desktop virtualization has done in a more general sense. To allow mainstream adoption of FPGA based accelerators in general purpose computing, there is a need to virtualize FPGAs and make them more accessible to application developers who are accustomed to software API abstractions and fast development cycles. In this paper, we discuss the role of overlay architectures in enabling general purpose FPGA application acceleration

A time-multiplexed FPGA overlay with linear interconnect

Coarse-grained overlays improve FPGA design pro- ductivity by providing fast compilation and software like pro- grammability. Soft processor based overlays with well-defined ISAs are attractive to application developers due to their ease of use. However, these overlays have significant FPGA resource overheads. Time multiplexed (TM) CGRA-like overlays represent an interesting alternative as they are able to change their behavior on a cycle by cycle basis while the compute kernel executes. This reduces the FPGA resource needed, but at the cost of a higher initiation interval (II) and hence reduced throughput. The fully flexible routing network of current CGRA-like overlays results in high FPGA resource usage. However, many application kernels are acyclic and can be implemented using a much simpler linear feed-forward routing network. This paper examines a DSP block based TM overlay with linear interconnect where the overlay architecture takes account of the application kernels’ characteristics and the underlying FPGA architecture, so as to minimize the II and the FPGA resource usage. We examine a number of architectural extensions to the DSP block based functional unit to improve the II, throughput and latency. The results show an average 70% reduction in II, with corresponding improvements in throughput and latency

Compilation efficace pour FPGA reconfigurable dynamiquement

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

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