A Method for designing domain-specific reconfigurable arrays

Abstract

Namenski računarski sistemi se najčesće projektuju tako da mogu da podrže izvršavanje većeg broja željenih aplikacija. Za postizanje što veće efikasnosti, preporučuje se korišćenje specijalizovanih procesora Application Specific Instruction Set Processors–ASIPs, na kojima se izvršavanje programskih instrukcija obavlja u za to projektovanim i nezavisnimhardverskim blokovima (akceleratorima). Glavni razlog za postojanje nezavisnih akceleratora jeste postizanjemaksimalnog ubrzanja izvršavanja instrukcija. Me ¯ dutim, ovakav pristup podrazumeva da je za svaki od blokova potrebno projektovati integrisano (ASIC) kolo, čime se bitno povećava ukupna površina procesora. Metod za smanjenje ukupne površine jeste primena DatapathMerging tehnike na dijagrame toka podataka ulaznih aplikacija. Kao rezultat, dobija se jedan programabilni hardverski akcelerator, sa mogućnosću izvršavanja svih željenih instrukcija. Međutim, ovo ima negativne posledice na efikasnost sistema. često se zanemaruje činjenica da, usled veoma ograničene fleksibilnosti ASIC hardverskih akceleratora, specijalizovani procesori imaju i drugih nedostataka. Naime, u slučaju izmena, ili prosto nadogradnje, specifikacije procesora u završnimfazama projektovanja, neizbežna su velika kašnjenja i dodatni troškovi promene dizajna. U ovoj tezi je pokazano da zahtevi za fleksibilnošću i efikasnošću ne moraju biti međusobno isključivi. Demonstrirano je je da je moguce uneti ograničeni nivo fleksibilnosti hardvera tokom dizajn procesa, tako da dobijeni hardverski akcelerator može da izvršava ne samo aplikacije definisane na samom početku projektovanja, već i druge aplikacije, pod uslovom da one pripadaju istom domenu. Drugim rečima, u tezi je prezentovana metoda projektovanja fleksibilnih namenskih hardverskih akceleratora. Eksperimentalnom evaluacijom pokazano je da su tako dobijeni akceleratori u većini slučajeva samo do 2 x veće površine ili 2 x većeg kašnjenja od akceleratora dobijenih primenom DatapathMerging metode, koja pritom ne pruža ni malo dodatne fleksibilnosti.

Typically, embedded systems are designed to support a limited set of target applications. To efficiently execute those applications, they may employ Application Specific Instruction Set Processors (ASIPs) enriched with carefully designed Instructions Set Extension (ISEs) implemented in dedicated hardware blocks. The primary goal when designing ISEs is efficiency, i.e. the highest possible speedup, which implies synthesizing all critical computational kernels of the application dataflow graphs as an Application Specific Integrated Circuit (ASICs). Yet, this can lead to high on-chip area dedicated solely to ISEs. One existing approach to decrease this area by paying a reasonable price of decreased efficiency is to perform datapath merging on input dataflow graphs (DFGs) prior to generating the ASIC. It is often neglected that even higher costs can be accidentally incurred due to the lack of flexibility of such ISEs. Namely, if late design changes or specification upgrades happen, significant time-to-market delays and nonrecurrent costs for redesigning the ISEs and the corresponding ASIPs become inevitable. This thesis shows that flexibility and efficiency are not mutually exclusive. It demonstrates that it is possible to introduce a limited amount of hardware flexibility during the design process, such that the resulting datapath is in fact reconfigurable and thus can execute not only the applications known at design time, but also other applications belonging to the same application-domain. In other words, it proposes a methodology for designing domain-specific reconfigurable arrays out of a limited set of input applications. The experimental results show that resulting arrays are usually around 2£ larger and 2£ slower than ISEs synthesized using datapath merging, which have practically null flexibility beyond the design set of DFGs.