[論文レビュー] Tools and Techniques for Efficient High-Level System Design on FPGAs

Adrian J. Chung, Kathryn Cobden+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 20, 2014

Numerical Methods and Algorithms参考文献 10被引用数 5

ひとこと要約

本論文では、MATLAB/Simulinkを用いてFPGA上で高性能なシステムを効率的に実装できる高水準設計ツールであるDSPB Builder Advanced (DSPBA) を提示する。FPGA固有の複雑さを抽象化することで、DSPBAは多精度浮動小数点および固定小数点IPライブラリを備えたモデルベース設計をサポートし、自動演算子折りたたみとビット正確なシミュレーションを実現し、初心者および熟練者を問わず、Arria10を含む多様なFPGAプラットフォームにおいて、精度、面積、スループットの最適なトレードオフを達成できる。

ABSTRACT

In order for FPGAs to be successful outside traditional markets, tools which enable software programmers to achieve high levels of system performance while abstracting away the FPGA-specific details are needed. DSPB Builder Advanced (DSPBA) is one such tool. DSPBA provides model-based design environment using Matlab's Simulink frontend that decouples the fully-algorithmic design description from the details of FPGA system generation. DSPBA offers several levels of debugging: from Simulink scopes to bit-accurate-simulation and silver reference models. It also offers the most comprehensive set of fixed-point, floating-point and signal-processing IPs available today. The combination of 7 floating-point precisions, fused-datapath support, custom operator support and automated folding allows exploring the best tradeoffs between accuracy, size and throughput. The DSPBA backend protects users from the details of device-dependent operator mapping offering both efficiency and prompt support for new devices and features such as the Arria10 floating-point cores. The collection of features available in DSPBA allows both unexperienced and expert users to efficiently migrate performance-crucial systems to the FPGA architecture.

研究の動機と目的

• ソフトウェアプログラマーがFPGAの深い専門知識なしに高性能なシステムを設計できるようにすること。
• 高いパフォーマンスと効率性を維持しながら、FPGA固有の実装詳細を抽象化すること。
• 複数の精度形式とIPライブラリをカバーする包括的なデバッグおよび検証をサポートすること。
• パフォーマンスが重要なアプリケーションをFPGAアーキテクチャへ迅速に移植できること。
• Arria10の浮動小数点ユニットなどの新しいFPGAデバイスや機能に対応する拡張性を提供すること。

提案手法

• アルゴリズム的システム仕様のためのMATLAB/Simulinkをフ론トエンドとするモデルベース設計環境を活用する。
• 高水準合成バックエンドを介して、アルゴリズム的設計とFPGA実装詳細を分離する。
• 7種類の浮動小数点精度、統合データパス演算、カスタム演算子マッピングをサポートする。
• リソース使用量とスループットの最適化を図るための自動折りたたみ技術を採用する。
• ビット正確なシミュレーションとシルバー参照モデルを提供し、エンドツーエンドの検証を実現する。
• ポータブルなバックエンド抽象化レイヤーにより、ユーザーがデバイス固有の実装複雑さから保護される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高水準設計ツールは、ソフトウェア開発者にとってFPGAの採用障壁をどのように低減できるか？
• RQ2 効率的でポータブルかつ高性能なFPGA設計を実現するには、どの程度の抽象化レベルが必要か？
• RQ3 多精度浮動小数点および固定小数点IPライブラリを統合された設計フローに効果的に統合するにはどうすればよいか？
• RQ4 FPGAシステムにおける精度、面積、スループットの最適なトレードオフを実現するにはどのような技術が必要か？
• RQ5 ツールは、パフォーマンスが重要なシステムを新しいFPGAプラットフォームへ迅速に移行させるのにどのように支援できるか？

主な発見

• DSPBAは、FPGAの深い知識がなくても、初心者および熟練者を問わずFPGAアーキテクチャを効率的にターゲットにできる。
• ツールは7種類の浮動小数点精度をサポートしており、精度とリソース使用量の間で柔軟なトレードオフが可能である。
• 統合データパスおよびカスタム演算子のサポートにより、パフォーマンスが向上し、リソース消費が削減される。
• 自動折りたたみ技術により、多様な設計においてスループットとリソース利用効率の最適化が実現される。
• ビット正確なシミュレーションとシルバー参照モデルにより、設計プロセス全体で関数的正しさが保証される。
• バックエンド抽象化により、Arria10のネイティブ浮動小数点コアを含む新しいFPGAデバイスへの迅速な対応が可能である。