Μεθοδολογίες ταχείας εικονικής προτυποποίησης και αυτοματοποιημένης εξερεύνησης χώρου σχεδιασμού για συστήματα πολλαπλών συνεπεξεργαστών υλικού

Abstract

The increasing design complexity of modern embedded systems and the requirement for high-speed and low-energy design have lead to new design techniques, which aim to bridge the gap between the design complexity and the designer’s productivity, as well as tofacilitate the exploration for optimized design solutions. Towards the first goal, Virtual Prototyping enables the modeling and simulation of the system-under-design, without the need for hardware devices, in multiple levels where architectural details are omitted for reducing the design complexity. Towards the second goal, the automated Design Space Exploration utilizes algorithms which aim to find optimized design solutions, avoiding the time-consuming (and sometimes infeasible) exhaustive exploration of the design space. However, due to the need for faster virtual prototyping and the existence of emerging architectures for heterogeneous systems and interconnection means among the architectural components, more efficient simulation/co-simulation techniques and high-complexity design space exploration methodologies are required. Towards this direction, the goal of this PhD Thesis is (a) to propose efficient simulation techniques for faster but accurate system evaluation, also supporting the co-simulation with other platforms; and (b) to present exploration procedures for design spaces with increased complexity, which addressthe design requirements of modern systems.In the first case, one of the proposed techniques is to avoid non-productive simulation phases, so that no valuable time is wasted during the system evaluation. Another rapid simulation technique is the simultaneous evaluation of multiple design solutions during a single simulation, providing increased parallelization during the exploration procedure. In addition, the presentation of co-simulation techniques with the host and/or a real hardware platform provides even more solutions for the efficient system prototyping. In the above techniques, it is important to achieve an accurate system simulation, even in higher abstraction levels. Towards this direction, the hardware accelerators are characterized in terms of timing, area and power consumption, using High-Level Synthesis, while a power annotation technique for Central Processing Units is introduced, without requiring all the architectural details of the processors. In the second case, an exploration methodology for heterogeneous many-accelerator systems is proposed, which applies a different configuration for each accelerator according to the computational requirement. However, as the design complexity increases exponentially, the proposed methodology utilizes design space reduction techniques, aiming to higher-quality design solutions. A similar methodology is proposed for the efficient exploration of Hierarchical Networks-on-Chip, i.e. networks, the nodes of which are sub-networks, each of which has a different configuration according to its communication requirements. In this case as well, the increased design space is reduced for achieving a more efficient networks design. Finally, a design and implementation procedure is presented for heterogeneous 3D Networks-on-Chip, which utilize a mixture of 2D and 3D routers. During this procedure, it is investigated about which vertical connections between different layers should be removed, as well as how the final system components will be placed among the layers of the 3D chip. In both decisions, a requirement is the system speed improvement and the power consumption reduction. The efficiency of the proposed methodologies is studied through qualitative and quantitative comparisons with typical simulation and exploration techniques, by using fully-developed algorithms not only for multimedia and digital signal processing but also for medical applications. In any case, the proposed methodologies significantly contribute to the domain of the efficient design of modern embedded systems.

Η αυξανόμενη πολυπλοκότητα σχεδίασης των σύγχρονων ενσωματωμένων συστημάτων και η ανάγκη για αύξηση της ταχύτητας με ταυτόχρονη μείωση της κατανάλωσης ενέργειας έχουν οδηγήσει σε νέες τεχνικές σχεδιασμού, οι οποίες αφενός στοχεύουν στη γεφύρωση του χάσματος μεταξύ της σχεδιαστικής πολυπλοκότητας και της παραγωγικότητας του σχεδιαστή, αφετέρου διευκολύνουν την εύρεση βέλτιστων σχεδιαστικών λύσεων. Στην πρώτη κατηγορία, η Εικονική Προτυποποίηση επιτρέπει τη μοντελοποίηση και προσομοίωση του υπό σχεδιασμό συστήματος, χωρίς την ανάγκη συσκευών υλικού, σε πολλαπλά επίπεδα αφαίρεσης, όπου παραλείπονται αρχιτεκτονικές λεπτομέρειες για τη μείωση της πολυπλοκότητας. Στη δεύτερη κατηγορία, η αυτοματοποιημένη Εξερεύνηση Χώρου Σχεδιασμού χρησιμοποιεί αλγορίθμους, οι οποίοι στοχεύουν στην εύρεση βέλτιστων σχεδιαστικών λύσεων, αποφεύγοντας τη χρονοβόρα (και πολλές φορές αδύνατη) εξαντλητική εξερεύνηση του χώρου σχεδιασμού. Ωστόσο λόγω της ανάγκης για ταχύτερη εικονική προτυποποίηση καθώς και της ύπαρξης νέων αρχιτεκτονικών για ετερογενή συστήματα και μέσα διασύνδεσης των αρχιτεκτονικών στοιχείων απαιτώνται αποδοτικότερες τεχνικές προσομοίωσης ή/και συν-προσομοίωσης με άλλα περιβάλλοντα αλλά και μεθοδολογίες εξερεύνησης χώρων σχεδιασμού αυξημένης πολυπλοκότητας. Προς την κατεύθυνση αυτή στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι (α) η πρόταση αποδοτικών τεχνικών προσομοίωσης που κυρίως στοχεύουν στην ταχύτερη αλλά και ακριβή αξιολόγηση του συστήματος, υποστηρίζοντας επίσης την συν-προσομοίωση με άλλες πλατφόρμες, και (β) η παρουσίαση διαδικασιών εξερεύνησης για χώρους σχεδιασμού αυξημένης πολυπλοκότητας, οι οποίες ανταποκρίνονται στις σχεδιαστικές ανάγκες των σύγχρονων συστημάτων. Στην πρώτη περίπτωση, μία από τις προτεινόμενες τεχνικές προσομοίωσης εισηγείται την αποφυγή μη παραγωγικών φάσεων της προσομοίωσης, ώστε να μη σπαταλάται πολύτιμος χρόνος κατά την αξιολόγηση του συστήματος. Μία ακόμη τεχνική ταχείας προσομοίωσης είναι η ταυτόχρονη αξιολόγηση πολλών σχεδιαστικών λύσεων κατά τη διάρκεια μίας προσομοίωσης παρέχοντας αυξημένη παραλληλοποίηση κατά τη διάρκεια της διαδικασίας εξερεύνησης. Επίσης η παρουσίαση τεχνικών συν-προσομοίωσης με τον υπολογιστή υποδοχής ή/και πλατφόρμα πραγματικού υλικού δίνει ακόμη περισσότερες δυνατότητες αποδοτικής προτυποποίησης του συστήματος. Στις παραπάνω τεχνικές σημαντική είναι η ακριβής προσομοίωση του συστήματος ακόμα και σε ανώτερα επίπεδα αφαίρεσης. Προς την κατεύθυνση αυτή οι συνεπεξεργαστές υλικού χαρακτηρίζονται ως προς την καθυστέρηση, το μέγεθος και την ισχύ μέσω Σύνθεσης Υψηλού Επιπέδου, ενώ εισάγεται και μία τεχνική χαρακτηρισμού ισχύος για Κεντρικές Μονάδες Επεξεργασίας, χωρίς να απαιτώνται οι πλήρεις αρχιτεκτονικές λεπτομέρειες των επεξεργαστών. Στη δεύτερη περίπτωση προτείνεται μία μεθοδολογία εξερεύνησης για ετερογενή συστήματα πολλαπλών συνεπεξεργαστών υλικού, η οποία εφαρμόζει διαφορετική διαμόρφωση για κάθε συνεπεξεργαστή ανάλογα με τις υπολογιστικές του ανάγκες. Επειδή όμως η πολυπλοκότητα σχεδιασμού αυξάνεται εκθετικά, η προτεινόμενη μεθοδολογία χρησιμοποιεί τεχνικές για τη μείωση του χώρου σχεδιασμού στοχεύοντας στην εύρεση ποιοτικότερων σχεδιαστικών λύσεων. Παρόμοια μεθοδολογία εξερεύνησης προτείνεται και για την αποδοτική εξερεύνηση Ιεραρχικών Συστημάτων-σε-Ψηφίδα, δηλαδή δίκτυα των οποίων οι κόμβοι είναι υπο-δίκτυα, καθένα από τα οποία έχει διαφορετική διαμόρφωση ανάλογα με τις επικοινωνιακές ανάγκες του. Και σε αυτή την περίπτωση ο αυξημένος χώρος σχεδιασμού μειώνεται για το σχεδιασμό αποδοτικότερων δικτύων. Τέλος παρουσιάζεται μία διαδικασία εξερεύνησης και υλοποίησης για ετερογενή τρισδιάστατα Δίκτυα-σε-Ψηφίδα, τα οποία χρησιμοποιούν ένα μείγμα από δισδιάστατους και τρισδιάστατους δρομολογητές. Κατά τη διαδικασία αυτή αποφασίζεται το ποιες κάθετες συνδέσεις μεταξύ των επιπέδων θα αφαιρεθούν, καθώς και το πώς τα στοιχεία του τελικού συστήματος θα τοποθετηθούν στα επίπεδα της τρισδιάστατης ψηφίδας. Και στις δύο αποφάσεις απαίτηση είναι η βελτίωση της ταχύτητας και η μείωση της κατανάλωσης ισχύος. Η αποδοτικότητα των προτεινόμενων μεθοδολογιών μελετάται μέσω ποιοτικών και ποσοτικών συγκρίσεων με τυπικές τεχνικές προσομοίωσης και εξερεύνησης, με τη χρήση πλήρως ανεπτυγμένων αλγορίθμων τόσο για πολυμέσα και επεξεργασία ψηφιακού σήματος όσο και για ιατρικές εφαρμογές. Σε κάθε περίπτωση οι προτεινόμενες μεθοδολογίες αποτελούν μία σημαντική συνεισφορά στον τομέα του αποδοτικού σχεδιασμού σύγχρονων ενσωματωμένων συστημάτων.