Πολυεπίπεδη Ταχεία Προτυποποίηση και Σύνθεση Εξειδικευμένων και Επαναδιαμορφούμενων Συστημάτων Πολλαπλών Επιταχυντών Υλικού

Διαμαντόπουλος, Διονύσιος; Diamantopoulos, Dionysios

dc.contributor.author	Διαμαντόπουλος, Διονύσιος	el
dc.contributor.author	Diamantopoulos, Dionysios	en
dc.date.accessioned	2015-12-23T09:11:36Z
dc.date.available	2015-12-23T09:11:36Z
dc.date.issued	2015-12-23
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/41807
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.1983
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Επαναδιαμορφούμενες Αρχιτεκτονικές	el
dc.subject	Επιταχυντές Υλικού	el
dc.subject	High Level Synthesis	en
dc.subject	Αρχιτεκτονική Υπολογιστών	el
dc.subject	Computer Architecture	en
dc.subject	Accelerator	en
dc.subject	Virtual Prototyping	en
dc.subject	Εικονική Προτυποποίηση	el
dc.subject	FPGA	en
dc.subject	Αυτοματισμός	el
dc.title	Πολυεπίπεδη Ταχεία Προτυποποίηση και Σύνθεση Εξειδικευμένων και Επαναδιαμορφούμενων Συστημάτων Πολλαπλών Επιταχυντών Υλικού	el
dc.title	Cross-Layer Rapid Prototyping and Synthesis of Application-Specific and Reconfigurable Many-accelerator Platforms	en
dc.contributor.department	Εργαστηρίο Μικροϋπολογιστών & Ψηφιακών Συστημάτων	el
heal.type	doctoralThesis
heal.generalDescription	Η παρούσα Διδακτορική Διατριβή συγχρηματοδοτήθηκε απο τα ερευνητικά προγράμματα της Ευρωπαϊκής Υπηρεσίας Διαστήματος (ESA), “SPAring Robotics Technologies For Autonomous Navigation (SPARTAN)” (ESA / ESTEC ITT Reference AO / 1-6512 / 10 / NL / EK), “Spartan EXTension Activity” (SEXTANT) (ESA / ESTEC ITT Reference 4000103357 / 11 / NL / EK) και “Code Optimisation Modication Partitioning” (COMPASS) (ESA / ESTEC ITT Reference), καθώς και από τα ευρωπαϊκά ερευνητικά προγράμματα FP7-248716 2PARMA και FP7-215244 MOSART. Επίσης, μέρος της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής συγχρηματοδοτήθηκε απο εθνικά κεφάλαια και απο το Εθνικό Στρατηγικό Πλαισίο Αναφοράς (ΕΣΠΑ) 2007-2013 για τα έργα “Next Generation Millimeter Wave Backhaul Radio” (NexGenMiliwave - ΜΙΚΡΟ2-ΣΕ-Β/Ε-ΙΙ), καθώς και από τα συνεργατικά έργα έρευνας και ανάπτυξης MENELAOS και CIDCIP του βιομηχανικού οργανισμού si-Cluster στον τομέα των διαστημικών τεχνολογιών και εφαρμογών. Ηλεκτρονική έκδοση της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι διαθέσιμη στον ιστότοπο: http://nestor.microlab.ntua.gr/	el
heal.classification	Computer architecture	en
heal.classification	Computer-aided design--Computer programs	en
heal.classification	Integrated circuits--Very large scale integration	en
heal.classification	Electronic circuits	en
heal.classification	Field programmable gate arrays	en
heal.classification	high level	el
heal.classificationURI	http://id.loc.gov/authorities/subjects/sh85029479
heal.classificationURI	http://id.loc.gov/authorities/subjects/sh2009121169
heal.classificationURI	http://id.loc.gov/authorities/subjects/sh85067125
heal.classificationURI	http://skos.um.es/unescothes/C01319
heal.classificationURI	http://id.loc.gov/authorities/subjects/sh93009062
heal.language	el
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2015-07-17
heal.abstract	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 της πραγμάτωσης, 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 μετα-υπηρεσίες 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 μέταχαρακτηριστικών, 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 συν-σχεδίασης 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 πολυ-κριτηριακής 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.	el
heal.abstract	The technological advances of recent years laid the foundation consolidation of informatisation of society, impacting on economic, political, cultural and social dimensions. At the peak of this realization, today, more and more everyday devices are connected to the web, giving the term ”Internet of Things”. The future holds the full connection and interaction of IT and communications systems to the natural world, delimiting the transition to natural cyber systems and offering meta-services in the physical world, such as personalized medical care, autonomous transportation, smart energy cities etc. . Outlining the necessities of this dynamically evolving market, computer engineers are required to implement computing platforms that incorporate both increased systemic complexity and also cover a wide range of meta-characteristics, such as the cost and design time, reliability and reuse, which are prescribed by a conflicting set of functional, technical and construction constraints. This thesis aims to address these design challenges by developing methodologies and hardware/software co-design tools that enable the rapid implementation and efficient synthesis of architectural solutions, which specify operating meta-features required by the modern market. Specifically, this thesis presents a) methodologies to accelerate the design flow for both reconfigurable and application-specific architectures, b) coarse-grain heterogeneous architectural templates for processing and communication acceleration and c) efficient multi-objective synthesis techniques both at high abstraction level of programming and physical silicon level. Regarding to the acceleration of the design flow, the proposed methodology employs virtual platforms in order to hide architectural details and drastically reduce simulation time. An extension of this framework introduces the systemic co-simulation using reconfigurable acceleration platforms as co-emulation intermediate platforms. Thus, the development cycle of a hardware/software product is accelerated by moving from a vertical serial flow to a circular interactive loop. Moreover the simulation capabilities are enriched with efficient detection and correction techniques of design errors, as well as control methods of performance metrics of the system according to the desired specifications, during all phases of the system development. In orthogonal correlation with the aforementioned methodological framework, a new architectural template is proposed, aiming at bridging the gap between design complexity and technological productivity using specialized hardware accelerators in heterogeneous systems-on-chip and network-on-chip platforms. It is presented a novel co-design methodology for the hardware accelerators and their respective programming software, including the tasks allocation to the available resources of the system/network. The introduced framework provides implementation techniques for the accelerators, using either conventional programming flows with hardware description language or abstract programming model flows, using techniques from high-level synthesis. In any case, it is provided the 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 reconfigurable systems, there are proposed novel multi-objective optimization evolutionary algorithms which exploit the modern multicore processors and the coarse-grain nature of multithreaded programming environments (e.g. OpenMP) in order to reduce the placement time, while by simultaneously grouping the applications based on their intrinsic characteristics, the effectively explore the design space effectively. The efficiency of the proposed architectural templates, design tools and methodology flows is evaluated in relation to the existing edge solutions with applications from typical computing domains, such as digital signal processing, multimedia and arithmetic complexity, as well as from systemic heterogeneous environments, such as a computer vision system for autonomous robotic space navigation and many-accelerator systems for HPC and workstations/datacenters. The results strengthen the belief of the author, that this thesis provides competitive expertise to address complex modern - and projected future - design challenges.	en
heal.advisorName	Σούντρης, Δημήτριος	el
heal.committeeMemberName	Σούντρης, Δημήτριος	el
heal.committeeMemberName	Πεκμεστζή, Κιαμάλ	el
heal.committeeMemberName	Οικονομάκος, Γεώργιος	el
heal.committeeMemberName	Θεοδωρίδης, Γεώργιος	el
heal.committeeMemberName	Ρεΐσης, Διονύσιος	el
heal.committeeMemberName	Hübner, Michael	de
heal.committeeMemberName	Πνευματικάτος, Διονύσιος	el
heal.academicPublisher	Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	280
heal.fullTextAvailability	true