[論文レビュー] Stream Processor Generator for HPC to Embedded Applications on FPGA-based System Platform

Kentaro Sano, H. Suzuki+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 21, 2014

Parallel Computing and Optimization Techniques参考文献 8被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、FPGA ベースのシステムオンチッププラットフォーム向けに、ドメイン特化型の高水準記述言語を用いて高スループットでパイプライン化されたストリームプロセッサの設計を自動化するストリームプロセッサ生成ツール SPGen を提案する。この記述言語から HDL コードを生成することで、設計空間の迅速な探索が可能となり、流体力学的計算ワークロードを用いた検証により、手動最適化された実装と同等またはそれ以上の性能を達成している。

ABSTRACT

This paper presents a stream processor generator, called SPGen, for FPGA-based system-on-chip platforms. In our research project, we use an FPGA as a common platform for applications ranging from HPC to embedded/robotics computing. Pipelining in application-specific stream processors brings FPGAs power-efficient and high-performance computing. However, poor productivity in developing custom pipelines prevents the reconfigurable platform from being widely and easily used. SPGen aims at assisting developers to design and implement high-throughput stream processors by generating their HDL codes with our domain-specific high-level stream processing description, called SPD.With an example of fluid dynamics computation, we validate SPD for describing a real application and verify SPGen for synthesis with a pipelined data-flow graph. We also demonstrate that SPGen allows us to easily explore a design space for finding better implementation than a hand-designed one.

研究の動機と目的

• HPC および組み込み応用分野における FPGA 用カスタムパイプライン化ストリームプロセッサ設計における生産性の低さに対処すること。
• 自動生成された HDL コードを通じて、再構成可能な FPGA プラットフォーム上で効率的かつ高性能なコンピューティングを実現すること。
• スループットとリソース使用量の最適化を図るための迅速な設計空間探索を可能にすること。
• ストリーム処理記述言語 (SPD) の有効性を実世界の HPC ワークロード上で検証すること。
• 自動生成された設計が、手動最適化された実装を上回る性能を達成できるかどうかを示すこと。

提案手法

• 著者らは、データフローおよびパイプライン動作を指定するドメイン特化型の高水準ストリーム処理記述言語 (SPD) を導入した。
• SPGen は SPD の仕様を入力とし、FPGA 実装用の合成可能 HDL コードを自動生成する。
• 本手法は、スループットを最大化し並列性を活用するためのパイプライン化されたデータフローグラフをサポートする。
• 本手法の有効性を検証するため、流体力学的計算の例を用いて実世界応用の可能性を示した。
• SPD 記述をパラメータ化することで設計空間探索を可能とし、SPGen を用いて異なる構成を評価した。
• 生成された設計は FPGA プラットフォーム上で合成され、関数的正しさと性能を確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高水準ストリーム処理記述言語は、FPGA 上で流体力学的ワークロードのような複雑な HPC ワークロードを効果的に表現できるか？
• RQ2 SPGen は、多様な応用分野向けに、高スループットでパイプライン化されたストリームプロセッサの生成をどの程度自動化できるか？
• RQ3 自動生成された設計は、手動最適化された実装と同等またはそれ以上の性能を達成できるか？
• RQ4 SPGen は、スループットとリソース利用効率の最適化を図るための迅速な設計空間探索をどの程度効果的に可能にするか？
• RQ5 FPGA ストリームプロセッサの開発において、自動生成と手動コーディングの間で、どのようなオーバーヘッドやトレードオフが生じるか？

主な発見

• SPGen は流体力学的計算の例から HDL コードを正常に生成し、SPD 記述言語を用いて実世界の HPC ワークロードを表現可能であることを実証した。
• FPGA プラットフォーム上でのデータフローグラフの効果的なパイプライン化により、生成された設計は高いスループットを達成した。
• SPGen を用いた設計空間探索により、手動設計のベースライン実装を上回る性能を示す構成が特定された。
• 高水準記述言語の使用により開発作業が著しく軽減された一方で、高い性能を維持できた。
• ツールチェーンにより、最小限の手動介入で複雑なストリームプロセッサの関数的検証と合成が可能となった。
• 結果から、自動生成により手動コーディングに匹敵する、あるいはそれを上回る設計が得られることを確認した。特に初期段階の探索において顕著な利点が示された。