Models, Design Methods and Tools for Improved Partial Dynamic Reconfiguration

Abstract

Partial dynamic reconfiguration of FPGAs has attracted high attention from both academia and industry in recent years. With this technique, the functionality of the programmable devices can be adapted at runtime to changing requirements. The approach allows designers to use FPGAs more efficiently: E. g. FPGA resources can be time-shared between different functions and the functions itself can be adapted to changing workloads at runtime. Thus partial dynamic reconfiguration enables a unique combination of software-like flexibility and hardware-like performance. Still there exists no common understanding on how to assess the overhead introduced by partial dynamic reconfiguration. This dissertation presents a new cost model for both the runtime and the memory overhead that results from partial dynamic reconfiguration. It is shown how the model can be incorporated into all stages of the design optimization for reconfigurable hardware. In particular digital circuits can be mapped onto FPGAs such that only small fractions of the hardware must be reconfigured at runtime, which saves time, memory, and energy. The design optimization is most efficient if it is applied during high level synthesis. This book describes how the cost model has been integrated into a new high level synthesis tool. The tool allows the designer to trade-off FPGA resource use versus reconfiguration overhead. It is shown that partial reconfiguration causes only small overhead if the design is optimized with regard to reconfiguration cost. A wide range of experimental results is provided that demonstrates the benefits of the applied method.:1 Introduction 1 1.1 Reconfigurable Computing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.1.1 Reconfigurable System on a Chip (RSOC) . . . . . . . . . . . . 4 1.1.2 Anatomy of an Application . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.1.3 RSOC Design Characteristics and Trade-offs . . . . . . . . . . . 7 1.2 Classification of Reconfigurable Architectures . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.2.1 Partial Reconfiguration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.2.2 Runtime Reconfiguration (RTR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.2.3 Multi-Context Configuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.2.4 Fine-Grain Logic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.2.5 Coarse-Grain Logic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.3 Reconfigurable Computing Specific Design Issues . . . . . . . . . . . . 12 1.4 Overview of this Dissertation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2 Reconfigurable Computing Systems – Background 17 2.1 Examples for RSOCs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.2 Partially Reconfigurable FPGAs: Xilinx Virtex Device Family . . . . . . 20 2.2.1 Virtex-II/Virtex-II Pro Logic Architecture . . . . . . . . . . . . . 20 2.2.2 Reconfiguration Architecture and Reconfiguration Control . . 21 2.3 Methods for Design Entry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.3.1 Behavioural Design Entry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.3.2 Design Entry at Register-Transfer Level (RTL) . . . . . . . . . . 25 2.3.3 Xilinx Early Access Partial Reconfiguration Design Flow . . . . 26 2.4 Task Management in Reconfigurable Computing . . . . . . . . . . . . . 27 2.4.1 Online and Offline Task Management . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.4.2 Task Scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.4.3 Task Placement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.4.4 Reconfiguration Runtime Overhead . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.5 Configuration Data Compression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2.6 Evaluation of Reconfigurable Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 2.6.1 Energy Efficiency Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 2.6.2 Area Efficiency Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 2.6.3 Runtime Efficiency Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 2.7 Similarity Based Reduction of Reconfiguration Overhead . . . . . . . . 38 2.7.1 Configuration Data Generation Methods . . . . . . . . . . . . . 39 2.7.2 Device Mapping Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 2.7.3 Circuit Design Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 2.7.4 Model for Partial Configuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 2.8 Contributions of this Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 3 Runtime Reconfiguration Cost and Optimization Methods 47 3.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 3.2 Reconfiguration State Graph . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 3.2.1 Reconfiguration Time Overhead . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 3.2.2 Dynamic Configuration Data Overhead . . . . . . . . . . . . . . 52 3.3 Configuration Cost at Bitstream Level . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 3.4 Configuration Cost at Structural Level . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 3.4.1 Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 3.4.2 Virtual Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 3.4.3 Reconfiguration Costs in the VA Context . . . . . . . . . . . . . 65 3.5 Allocation Functions with Minimal Reconfiguration Costs . . . . . . . 67 3.5.1 Allocation of Node Pairs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 3.5.2 Direct Allocation of Nodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 3.5.3 Experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 3.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 4 Implementation Tools for Reconfigurable Computing 95 4.1 Mapping of Netlists to FPGA Resources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 4.1.1 Mapping to Device Resources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 4.1.2 Connectivity Transformations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 4.1.3 Mapping Variants and Reconfiguration Costs . . . . . . . . . . . 100 4.1.4 Mapping of Circuit Macros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 4.1.5 Global Interconnect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 4.1.6 Netlist Hierarchy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 4.2 Mapping Aware Allocation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 4.2.1 Generalized Node Mapping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 4.2.2 Successive Node Allocation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 4.2.3 Node Allocation with Ant Colony Optimization . . . . . . . . . 107 4.2.4 Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 4.3 Netlist Mapping with Minimized Reconfiguration Cost . . . . . . . . . 110 4.3.1 Mapping Database . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 4.3.2 Mapping and Packing of Elements into Logic Blocks . . . . . . 112 4.3.3 Logic Element Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 4.3.4 Logic Element Selection for Min. Routing Reconfiguration . . 115 4.3.5 Experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 4.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 5 High-Level Synthesis for Reconfigurable Computing 125 5.1 Introduction to HLS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 5.1.1 HLS Tool Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 5.1.2 Realization of the Hardware Tasks . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 5.2 New Concepts for Task-based Reconfiguration . . . . . . . . . . . . . . 131 5.2.1 Multiple Hardware Tasks in one Reconfigurable Module . . . . 132 5.2.2 Multi-Level Reconfiguration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 5.2.3 Resource Sharing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 5.3 Datapath Synthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 5.3.1 Task Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 5.3.2 Resource Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 5.3.3 Resource Binding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 5.3.4 Scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 5.3.5 Constraints for Scheduling and Resource Binding . . . . . . . . 151 5.4 Reconfiguration Optimized Datapath Implementation . . . . . . . . . . 153 5.4.1 Effects of Scheduling and Binding on Reconfiguration Costs . 153 5.4.2 Strategies for Resource Type Binding . . . . . . . . . . . . . . . 154 5.4.3 Strategies for Resource Instance Binding . . . . . . . . . . . . . 157 5.5 Experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 5.5.1 Summary of Binding Methods and Tool Setup . . . . . . . . . . 163 5.5.2 Cost Factors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 5.5.3 Implementation Scenarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 5.5.4 Benchmark Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 5.5.5 Benchmark Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170 5.5.6 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 5.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 6 Summary and Outlook 185 Bibliography 189 A Simulated Annealing 201Partielle dynamische Rekonfiguration von FPGAs hat in den letzten Jahren große Aufmerksamkeit von Wissenschaft und Industrie auf sich gezogen. Die Technik erlaubt es, die Funktionalität von progammierbaren Bausteinen zur Laufzeit an veränderte Anforderungen anzupassen. Dynamische Rekonfiguration erlaubt es Entwicklern, FPGAs effizienter einzusetzen: z.B. können Ressourcen für verschiedene Funktionen wiederverwendet werden und die Funktionen selbst können zur Laufzeit an veränderte Verarbeitungsschritte angepasst werden. Insgesamt erlaubt partielle dynamische Rekonfiguration eine einzigartige Kombination von software-artiger Flexibilität und hardware-artiger Leistungsfähigkeit. Bis heute gibt es keine Übereinkunft darüber, wie der zusätzliche Aufwand, der durch partielle dynamische Rekonfiguration verursacht wird, zu bewerten ist. Diese Dissertation führt ein neues Kostenmodell für Laufzeit und Speicherbedarf ein, welche durch partielle dynamische Rekonfiguration verursacht wird. Es wird aufgezeigt, wie das Modell in alle Ebenen der Entwurfsoptimierung für rekonfigurierbare Hardware einbezogen werden kann. Insbesondere wird gezeigt, wie digitale Schaltungen derart auf FPGAs abgebildet werden können, sodass nur wenig Ressourcen der Hardware zur Laufzeit rekonfiguriert werden müssen. Dadurch kann Zeit, Speicher und Energie eingespart werden. Die Entwurfsoptimierung ist am effektivsten, wenn sie auf der Ebene der High-Level-Synthese angewendet wird. Diese Arbeit beschreibt, wie das Kostenmodell in ein neuartiges Werkzeug für die High-Level-Synthese integriert wurde. Das Werkzeug erlaubt es, beim Entwurf die Nutzung von FPGA-Ressourcen gegen den Rekonfigurationsaufwand abzuwägen. Es wird gezeigt, dass partielle Rekonfiguration nur wenig Kosten verursacht, wenn der Entwurf bezüglich Rekonfigurationskosten optimiert wird. Eine Anzahl von Beispielen und experimentellen Ergebnissen belegt die Vorteile der angewendeten Methodik.:1 Introduction 1 1.1 Reconfigurable Computing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.1.1 Reconfigurable System on a Chip (RSOC) . . . . . . . . . . . . 4 1.1.2 Anatomy of an Application . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.1.3 RSOC Design Characteristics and Trade-offs . . . . . . . . . . . 7 1.2 Classification of Reconfigurable Architectures . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.2.1 Partial Reconfiguration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.2.2 Runtime Reconfiguration (RTR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.2.3 Multi-Context Configuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.2.4 Fine-Grain Logic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.2.5 Coarse-Grain Logic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.3 Reconfigurable Computing Specific Design Issues . . . . . . . . . . . . 12 1.4 Overview of this Dissertation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2 Reconfigurable Computing Systems – Background 17 2.1 Examples for RSOCs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.2 Partially Reconfigurable FPGAs: Xilinx Virtex Device Family . . . . . . 20 2.2.1 Virtex-II/Virtex-II Pro Logic Architecture . . . . . . . . . . . . . 20 2.2.2 Reconfiguration Architecture and Reconfiguration Control . . 21 2.3 Methods for Design Entry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.3.1 Behavioural Design Entry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.3.2 Design Entry at Register-Transfer Level (RTL) . . . . . . . . . . 25 2.3.3 Xilinx Early Access Partial Reconfiguration Design Flow . . . . 26 2.4 Task Management in Reconfigurable Computing . . . . . . . . . . . . . 27 2.4.1 Online and Offline Task Management . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.4.2 Task Scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.4.3 Task Placement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.4.4 Reconfiguration Runtime Overhead . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.5 Configuration Data Compression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2.6 Evaluation of Reconfigurable Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 2.6.1 Energy Efficiency Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 2.6.2 Area Efficiency Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 2.6.3 Runtime Efficiency Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 2.7 Similarity Based Reduction of Reconfiguration Overhead . . . . . . . . 38 2.7.1 Configuration Data Generation Methods . . . . . . . . . . . . . 39 2.7.2 Device Mapping Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 2.7.3 Circuit Design Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 2.7.4 Model for Partial Configuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 2.8 Contributions of this Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 3 Runtime Reconfiguration Cost and Optimization Methods 47 3.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 3.2 Reconfiguration State Graph . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 3.2.1 Reconfiguration Time Overhead . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 3.2.2 Dynamic Configuration Data Overhead . . . . . . . . . . . . . . 52 3.3 Configuration Cost at Bitstream Level . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 3.4 Configuration Cost at Structural Level . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 3.4.1 Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 3.4.2 Virtual Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 3.4.3 Reconfiguration Costs in the VA Context . . . . . . . . . . . . . 65 3.5 Allocation Functions with Minimal Reconfiguration Costs . . . . . . . 67 3.5.1 Allocation of Node Pairs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 3.5.2 Direct Allocation of Nodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 3.5.3 Experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 3.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 4 Implementation Tools for Reconfigurable Computing 95 4.1 Mapping of Netlists to FPGA Resources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 4.1.1 Mapping to Device Resources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 4.1.2 Connectivity Transformations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 4.1.3 Mapping Variants and Reconfiguration Costs . . . . . . . . . . . 100 4.1.4 Mapping of Circuit Macros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 4.1.5 Global Interconnect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 4.1.6 Netlist Hierarchy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 4.2 Mapping Aware Allocation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 4.2.1 Generalized Node Mapping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 4.2.2 Successive Node Allocation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 4.2.3 Node Allocation with Ant Colony Optimization . . . . . . . . . 107 4.2.4 Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 4.3 Netlist Mapping with Minimized Reconfiguration Cost . . . . . . . . . 110 4.3.1 Mapping Database . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 4.3.2 Mapping and Packing of Elements into Logic Blocks . . . . . . 112 4.3.3 Logic Element Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 4.3.4 Logic Element Selection for Min. Routing Reconfiguration . . 115 4.3.5 Experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 4.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 5 High-Level Synthesis for Reconfigurable Computing 125 5.1 Introduction to HLS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 5.1.1 HLS Tool Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 5.1.2 Realization of the Hardware Tasks . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 5.2 New Concepts for Task-based Reconfiguration . . . . . . . . . . . . . . 131 5.2.1 Multiple Hardware Tasks in one Reconfigurable Module . . . . 132 5.2.2 Multi-Level Reconfiguration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 5.2.3 Resource Sharing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 5.3 Datapath Synthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 5.3.1 Task Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 5.3.2 Resource Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 5.3.3 Resource Binding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 5.3.4 Scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 5.3.5 Constraints for Scheduling and Resource Binding . . . . . . . . 151 5.4 Reconfiguration Optimized Datapath Implementation . . . . . . . . . . 153 5.4.1 Effects of Scheduling and Binding on Reconfiguration Costs . 153 5.4.2 Strategies for Resource Type Binding . . . . . . . . . . . . . . . 154 5.4.3 Strategies for Resource Instance Binding . . . . . . . . . . . . . 157 5.5 Experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 5.5.1 Summary of Binding Methods and Tool Setup . . . . . . . . . . 163 5.5.2 Cost Factors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 5.5.3 Implementation Scenarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 5.5.4 Benchmark Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 5.5.5 Benchmark Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170 5.5.6 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 5.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 6 Summary and Outlook 185 Bibliography 189 A Simulated Annealing 20