Simulation Parallèle en SystemC/TLM de Composants Matériels décrits pour la Synthèse de Haut-Niveau

par Denis Becker

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Matthieu Moy.

Le président du jury était Frédéric Pétrot.

Le jury était composé de Jérôme Cornet, Tanguy Sassolas, Philipp Hartmann, Diana Göhringer.

Les rapporteurs étaient François Pêcheux, Rainer Dömer.


  • Résumé

    Les systèmes sur puce sont constitués d'une partie matérielle (un circuit intégré) et d'une partie logicielle (un programme) qui utilise les ressources matérielles de la puce. La conséquence de cela est que le logiciel d'un système sur puce est intrinsèquement lié à sa partie matérielle. Les composants matériels d'accélération sont des facteurs clés de différenciation d'un produit à l'autre.Il est nécessaire de pouvoir simuler ces systèmes très tôt lors de leur conception; bien avant que la puce ne soit physiquement disponible, et même avant que la puce ne soit complètement spécifiée. Pour cela, un modèle du système sur puce est réalisé à l'aide du langage SystemC, au niveau d'abstraction TLM (Transaction Level Modeling). La partie matérielle d'un système sur puce est constituée de composants, qui s'exécutent en parallèle. Pour autant, la simulation avec le simulateur SystemC de référence est séquentielle. Ceci permet de garantir les bonnes propriétés des simulations SystemC, en particulier la reproductibilité et le confort d'écriture des modèles.Les travaux de cette thèse portent sur la simulation parallèle de modèles SystemC/TLM. L'objectif de l'exécution parallèle est d'accélérer les simulations dans un mode d'utilisation correspondant à la phase de développement, où il est primordial de disposer de simulations qui donnent rapidement un résultat. Afin de cerner le problème de performance remarqué sur des modèles complexes à STMicroelectronics, le premier travail de cette thèse a été d'analyser le profil d'exécution d'une étude de cas représentative de la complexité actuelle des platformes SystemC/TLM. Pour cette étude, nous avons développé un outil de collecte de traces et de visualisation. Les résultats de cette analyse ont indiqué que la lenteur d'exécution en simulation était due à la complexité des composants matériels d'accélération. L'étude de l'état de l'art en simulation parallèle de modèles SystemC nous a conduit à chercher d'autres pistes que celles actuellement existantes.Pour réaliser les composants matériels plus rapidement, et permettre d'augmenter la réutilisabilité de composants d'un projet à l'autre, le flot de conception HLS (High Level Synthesis) est utilisé, notamment à STMicroelectronics. Ce flot de conception permet, à partir de la description d'une fonction en C/C++, de générer un plan de composant matériel qui va réaliser la même fonction. La description des composants est découpée en sous-fonctions, individuellement plus simples. Afin d'obtenir de bonnes performances, les sous-fonctions sont assemblées en chaîne, à travers laquelle circulent les données à traiter. Il est indispensable de pouvoir réutiliser le code écrit pour la HLS dans les simulations SystemC/TLM@: cette situation deviendra de plus en plus fréquente, et il n'a pas assez de temps pour réécrire ces modèles dans ces projets courts.Nous avons développé une infrastructure de simulation parallèle permettant d'intégrer et de simuler efficacement des composants de traitement de données écrits pour la HLS. L'application de cette infrastructure à un exemple a permis d'accélérer l'exécution de la simulation d'un facteur 1.6 avec 4 processeurs. Au-delà de ce résultat, les conclusions principales de cette thèse sont que la simulation parallèle de modèles à haut niveau d'abstraction, en SystemC/TLM, passe par la combinaison de plusieurs techniques de parallélisation. Il est également important d'identifier les parties parallélisables dans des simulations industrielles, notamment pour les nouveaux défis que sont les simulations multi-physiques et l'internet des objets.

  • Titre traduit

    Parallel SystemC/TLM Simulation of Hardware Components described for High-Level Synthesis


  • Résumé

    Systems on chip consists in a hardware part (an integrated circuit) and a software part (a program) that uses the hardware resources of the chip. Consequently, the embedded software is intrinsically connected to the chip hardware. Hardware acceleration components are key differentiation factors from one product to another.It is necessary to simulate systems on chip very early in the design flow; before the chip is physically available and even before its full specification. For such simulations, developers write a model of the system on chip in SystemC, at the TLM (Transaction Level Modeling) abstraction level. The hardware part of a chip consists in components that behave in parallel with each other. However, the reference SystemC simulator execute simulations sequentially. The sequential execution enables to keep good properties of SystemC simulations, namely reproducibility and ease of model writing.This thesis work address the parallel execution of SystemC/TLM simulations. The goal of parallel simulation is to speed up simulations, in the context of the model development, where it is important to quickly get results. In order to identify the performance problem of complex models at STMicroelectronics, the first step of this thesis was to analyse the execution profile of a case study, representative of the complexity of current platforms. For this study, we developed a trace recording and visualization tool. The results of this study indicated that the performance critical parts of the simulation are hardware acceleration components. Studying existing parallel simulation approaches led us to look for other parallel simulation techniques.To speed up the development of hardware acceleration components, and increase the reusability from one project to another, the HLS (High Level Synthesis) design flow is used, notably at STMicroelectronics. This design flow enables to generate a logically synthesizable model of a component, from a high level behavioral description in C/C++. This design flow also constraints the development: it is split in sub-functions, assembled in a pipeline. The code written for HLS must be re-used in SystemC/TLM models: this situation will become more and more frequent and there is no time to rewrite the models of such components within short delays.We developed a parallel simulation infrastructure enabling the integration and efficient simulation of hardware components written for HLS.We applied this infrastructure to an example platform, which resulted in speeding up the simulation. Beyond this result, one of the main conclusion of this thesis is that parallel simulation of abstract SystemC/TLM models will require to combine multiple parallelization techniques. Future research work can identify other types of potential parallelism in industrial models. This will become critical with the new challenges of simulation, as multi-physical simulations and internet of things.


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