Génération rapide d'accélerateurs matériels par synthèse d'architecture sous contraintes de ressources

High-level synthesis for fast generation of hardware accelerators under resource constraints

• Auteur / Autrice : Adrien Prost-Boucle
• Direction : Frédéric Rousseau, Olivier Muller
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanoélectronique et nanotechnologie
• Date : Soutenance le 08/01/2014
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Techniques de l’informatique et de la microélectronique pour l’architecture des systèmes intégrés (Grenoble ; 1994-....)
• Jury : Président / Présidente : Régis Leveugle
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Rousseau, Olivier Muller, El-Bay Bourennane
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Coussy, Ivan Augé

Mots clés

Mots clés contrôlés

Réseaux logiques programmables par l'utilisateur

Mots clés libres

Méthodologie de conception

Synthèse d'architecture

Accélérateurs matériels

FPGA

Exploration de l'espace de conception

Design flow

High-level synthesis

Hardware accelerator

FPGA

Design space exploration

Résumé

Dans le domaine du calcul générique, les circuits FPGA sont très attrayants pour leur performance et leur faible consommation. Cependant, leur présence reste marginale, notamment à cause des limitations des logiciels de développement actuels. En effet, ces limitations obligent les utilisateurs à bien maîtriser de nombreux concepts techniques. Ils obligent à diriger manuellement les processus de synthèse, de façon à obtenir une solution à la fois rapide et conforme aux contraintes des cibles matérielles visées.Une nouvelle méthodologie de génération basée sur la synthèse d'architecture est proposée afin de repousser ces limites. L'exploration des solutions consiste en l'application de transformations itératives à un circuit initial, ce qui accroît progressivement sa rapidité et sa consommation en ressources. La rapidité de ce processus, ainsi que sa convergence sous contraintes de ressources, sont ainsi garanties. L'exploration est également guidée vers les solutions les plus pertinentes grâce à la détection, dans les applications à synthétiser, des sections les plus critiques pour le contexte d'utilisation réel. Cette information peut être affinée à travers un scénario d'exécution transmis par l'utilisateur.Un logiciel démonstrateur pour cette méthodologie, AUGH, est construit. Des expérimentations sont menées sur plusieurs applications reconnues dans le domaine de la synthèse d'architecture. De tailles très différentes, ces applications confirment la pertinence de la méthodologie proposée pour la génération rapide et autonome d'accélérateurs matériels complexes, sous des contraintes de ressources strictes. La méthodologie proposée est très proche du processus de compilation pour les microprocesseurs, ce qui permet son utilisation même par des utilisateurs non spécialistes de la conception de circuits numériques. Ces travaux constituent donc une avancée significative pour une plus large adoption des FPGA comme accélérateurs matériels génériques, afin de rendre les machines de calcul simultanément plus rapides et plus économes en énergie.

In the field of high-performance computing, FPGA circuits are very attractive for their performance and low consumption. However, their presence is still marginal, mainly because of the limitations of current development tools. These limitations force the user to have expert knowledge about numerous technical concepts. They also have to manually control the synthesis processes in order to obtain solutions both fast and that fulfill the hardware constraints of the targeted platforms.A novel generation methodology based on high-level synthesis is proposed in order to push these limits back. The design space exploration consists in the iterative application of transformations to an initial circuit, which progressively increases its rapidity and its resource consumption. The rapidity of this process, along with its convergence under resource constraints, are thus guaranteed. The exploration is also guided towards the most pertinent solutions thanks to the detection of the most critical sections of the applications to synthesize, for the targeted execution context. This information can be refined with an execution scenarion specified by the user.A demonstration tool for this methodology, AUGH, has been built. Experiments have been conducted with several applications known in the field of high-level synthesis. Of very differen sizes, these applications confirm the pertinence of the proposed methodology for fast and automatic generation of complex hardware accelerators, under strict resource constraints. The proposed methodology is very close to the compilation process for microprocessors, which enable it to be used even by users non experts about digital circuit design. These works constitute a significant progress for a broader adoption of FPGA as general-purpose hardware accelerators, in order to make computing machines both faster and more energy-saving.