Utilisation du modèle polyédrique pour la synthèse d'architectures pipelinées

par Antoine Morvan

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Patrice Quinton.

Le président du jury était Philippe Clauss.

Le jury était composé de Erven Rohou, Thierry Michel, Christophe Alias.

Les rapporteurs étaient Philippe Clauss, Jean-Marc Delosme.


  • Résumé

    Grâce aux progrès réalisés dans le domaine des semi-conducteurs, les plateformes matérielles embarquées sont capables de satisfaire les contraintes de performances d'applications de plus en plus complexes. Cette augmentation conduit à une explosion des coûts de conception, ce qui pousse les concepteurs de ces plateformes à utiliser des outils travaillant à des niveaux d’abstraction plus élevés. Aujourd’hui, les outils de synthèse de haut niveau opèrent sur des descriptions C/C++ pour en générer des accélérateurs matériels spécialisés. Ces outils offrent des gains en productivité significatifs par rapport à la génération précédente, qui opérait sur des descriptions structurelles de l’architecture en VHDL ou Verilog. Ces descriptions algorithmiques doivent être retravaillées pour que les outils puissent générer des circuits performants. Pour faciliter cette tâche, une solution consiste à mettre en œuvre une boite à outils pour des transformations source-à-source orientées synthèse de haut niveau. En particulier, cette thèse s’intéresse aux transformations de boucles, avec pour objectif d’améliorer les performances en exposant des boucles parallèles et en améliorant la localité des accès mémoire. En nous appuyant sur une représentation des boucles dans le modèle polyédrique, nous proposons une approche qui améliore l’applicabilité du pipeline de nids de boucles en vérifiant sa légalité de manière plus précise que les approches existantes. De plus, lorsque la vérification échoue, nous proposons une technique de correction qui insère statiquement des états d’attente pour assurer la légalité du pipeline. Enfin, ce pipeline est mis en œuvre en utilisant une technique de génération de code qui met les nids de boucles à plat. Ces contributions ont été implémentées dans l’infrastructure de compilation source-à-source Gecos, avant d’être appliquées à un ensemble de benchmarks représentatifs des noyaux de calculs cibles de la synthèse de haut niveau. Les résultats montrent un gain en performances significatif, avec un surcoût en surface modéré.

  • Titre traduit

    Synthesis of pipelined architectures using the polyhedral model


  • Résumé

    Due to the advances in semiconductor technologies, embedded hardware is capable of satisfying the performance constraints of increasingly complex applications. This leads to a design cost explosion, thus pushing the hardware designers to use tools working with higher levels of abstractions. High-Level Synthesis tools generate custom hardware accelerators out of C/C++ specifications. They offer significant productivity gains compared to the previous generation of tools that worked at the level of hardware description languages, such as VHDL or Verilog. These higher level specifications have to be reworked in order for the High-Level Synthesis tools to generate efficient hardware accelerators. To ease this task, one solution is to provide a source-to-source transformation toolbox targeting High-Level Synthesis. Specifically, this thesis explores loop transformations in order to improve performance by exposing parallel loops and improving the locality of memory accesses. Using polyhedral representation of loop nests, we propose an approach to improve the applicability of nested loop pipelining by verifying its legality in a more precise way than existing approaches. Moreover, we propose a correction mechanism that statically inserts wait states for enforcing the pipeline legality for cases when the verification fails. The resulting pipeline is implemented using a code generation technique that flattens the loop nests. These contributions have been implemented within the GeCoS source-to-source compilation infrastructure, and applied to a set of benchmarks targeted towards High-Level Synthesis. Results show significant performance improvement at the price of a moderate area overhead.


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