Μεθοδολογίες αυτοματοποιημένης εξερεύνησης και σύνθεσης επαναδιατάξιμων συνεπεξεργαστών υλικού

Abstract

Οι τεχνολογικες εξελιξεις στον τομεα της μικρο-ηλεκτρονικης επιτρεπουν σημερα την αναπτυξη πολυπλοκων ενσωματωμενων υπολογιστικων συσκευων π.χ. κινητα τηλεφωνα, ψηφιακες καμερες, που κυριαρχουν τη συγχρονη καθημερινοτητα. οι σχεδιαστες καλουνται να αντιμετωπισουν την αυξημενη πολυπλοκοτητα, παρεχοντας σχεδιαστικες λυσεις που ικανοποιουν ενα αντικρουομενο συνολο αυστηρων λειτουργικων και οικονομικων περιορισμων. σημερα, ειναι γενικα αποδεκτο οτι χωρις τη χρηση αυτοματοποιημενων εργαλειων που βελτιστοποιουν αισθητα τις συνιστωσες υλικου και λογισμικου του συστηματος, οι σχεδιαστες οδηγουνται στην υιοθετηση υπο-βελτιστων σχεδιαστικων λυσεων. η παρουσα διατριβη στοχευει στην αντιμετωπιση του παραπανω προβληματος μεσω της αναπτυξης ενος συνολου μεθοδολογιων σχεδιασης που επιτρεπουν αποδοτικη εξερευνηση και συνθεση αρχιτεκτονικων λυσεων υλικου και λογισμικου. πιο συγκεκριμενα, οι προτεινομενες μεθοδολογιες αφορουν (i) την αναπτυξη εξειδικευμενων λυσεων λογισμικου για δυναμικη διαχειριση μνημης πολυ-νηματικων εφαρμογων και (ii) τη σχεδιαση αποδοτικων λυσεων υλικου τοσο για επαναδιαταξιμες οσο και εξειδικευμενες αρχιτεκτονικες συνεπεξεργαστη. σε οτι αφορα στις μεθοδολογιες αυτοματοποιημενη εξερευνησης, παρουσιαζεται η μοντελοποιηση και η αναλυση σε βασικες συνιστωσες του χωρου σχεδιασης των δυναμικων διαχειριστων μνημης για πολυ-νηματικες εφαρμογες. προτεινονται νεοι αλγοριθμοι εξερευνησης και διασχισης του παραπανω χωρου σχεδιασης βασει μεθοδων ορθογωνιου διαχωρισμου των αποφασεων, που επιτρεπουν την πολυ-κριτηριακη εξειδικευση και την αυτοματοποιημενη παραγωγη λογισμικου των δυναμικων διαχειριστων μνημης. επιπλεον, προτεινεται μια νεα θεωρηση για την παραμετρικη μοντελοποιηση του χωρου σχεδιασης εξειδικευμενων συνεπεξεργαστων υλικου, η οποια λαμβανει υποψη τις επιδρασεις των σχεδιαστικων αποφασεων απο τα επιπεδα αφαιρεσης συμπεριφορας-αλγοριθμου και αρχιτεκτονικης, με στοχο τη συνδυασμενη βελτιστοποιηση της επιδοσης και της επιφανειας υλικου. νεοι αλγοριθμοι εξερευνησης αναπτυχθηκαν, ωστε να επιτυγχανεται γρηγορη αναζητηση με αποδοτικη συγκλιση στις καθολικα βελτιστες σχεδιαστικες λυσεις. σε οτι αφορα στις μεθοδολογιες αρχιτεκτονικης συνθεσης επαναδιαταξιμων συνεπεξεργαστων υλικου, παρουσιαζεται η τεχνικη εισαγωγη ευελιξιας για κυκλωματικη σχεδιαση επαναδιαταξιμων αρχιτεκτονικων αδρομερους υφης. η προτεινομενη τεχνικη εκμεταλλευεται την κατοπτρικη συμμετρια στις διασυνδεσεις εξειδικευμενων (μη-επαναδιαταξιμων) αριθμητικων κυκλωματων και μεσω καταλληλων μετασχηματισμων, επιτυγχανει τη σχεδιαση ενος νεου επαναδιαταξιμου μικρο-αρχιτεκτονικου προτυπου, το οποιο συνδυαζει τον οριζοντιο και καθετο παραλληλισμο με δυνατοτητες υπολογιστικης αλυσιδωσης λειτουργιων. επιπροσθετως, προτεινεται και μια δευτερη επαναδιαταξιμη αρχιτεκτονικη συνεπεξεργαστη, η οποια βασιζεται στη χρηση μεθοδων αριθμητικης βελτιστοποιησης για σχεδιαση ευελικτων συνεπεξεργαστων με αλυσιδωση λειτουργιων. για καθε επαναδιαταξιμο συνεπεξεργαστη αναπτυχθηκαν νεοι αλγοριθμοι σχεδιασης για αυτοματοποιημενη απεικονιση εφαρμογων στις προτεινομενες αρχιτεκτονικες. η μελετη της αποδοτικοτητας των προτεινομενων μεθοδολογιων πραγματοποιηθηκε μεσω εκτενων πειραματικων αξιολογησεων και συγκρισεων με τις αντιστοιχες σχεδιαστικες λυσεις αιχμης. σε καθε περιπτωση, διαπιστωνεται πως η υιοθετηση των μεθοδολογιων που αναπτυχθηκαν στην παρουσα διατριβη, οδηγει σε σημαντικη μετατοπιση των σχεδιαστικων λυσεων προς πιο αποδοτικες υλοποιησεις.

τechnological advances in micro-electronics, enabled the development of complex embedded computing devices, i.e. mobile phones, digital cameras, etc., which dominate the modern everyday life. such type of systems usually executes a large but specific set of applications, which combine highly dynamic behaviour together with high demands in computing power. the designers have to deal with the increased system complexity, in order to provide design solutions that satisfy a set of stringent functional and financial constraints. today, it is broadly accepted that without the use of automated tools to optimize the hardware and software system's coefficients, designers are led to the adoption of sub-optimal design solutions. this thesis addresses the above problem by developing a set of methodologies for efficient design space exploration and architectural synthesis for digital signal processing coprocessors. specifically, the proposed techniques target to (i) the development of customized software solutions for dynamic memory management of multi-threaded applications and (ii) the design of efficient customized and reconfigurable coprocessor architectures. regarding to the automated design space exploration methodologies, we model and analyze the basic building blocks of multi-threaded dynamic memory management for multi-core platforms with shared memory. we propose new algorithms for exploring and traversing the defined parameter space based on constrained orthogonal design space partitioning, which enables multi-objective optimization and automated code generation of application specific dynamic memory management. in addition, we propose a new approach for defining an extended design space for hardware coprocessor synthesis, which takes into account the combined impact of behavioral-algorithmic and architectural level parameters. new exploration algorithms are developed to enable fast and efficient exploration that converges to more globally optimal design solutions. regarding to the architectural synthesis of reconfigurable coprocessors, we introduce the flexibility inlining technique for designing coarse-grained reconfigurable architectures at the circuit level. the proposed technique exploits the mirror symmetry found in asic implementations of arithmetic circuits and through appropriate rtl transformations achieves the design of a new reconfigurable micro-architectural template that exploits in a combined manner the architectural optimizations of horizontal parallelism, vertical parallel and operation chaining. in addition, we present a second micro-architectural template that use advanced arithmetic optimization techniques for designing flexible coprocessor datapaths. each of the aforementioned reconfigurable architectures is complemented with new high-level synthesis algorithms in order to enable automated mapping of applications onto the introduced datapaths. we study the effectiveness of the proposed methodologies through multiple and extensive experimental evaluations of the proposed solutions in comparison with state-of-the-art design solutions. in any case, it seems that the adoption of the proposed methodologies leads to a significant shift of the design solutions towards more efficient implementations.