[논문 리뷰] Tools and Techniques for Efficient High-Level System Design on FPGAs

Adrian J. Chung, Kathryn Cobden외 3명|arXiv (Cornell University)|2014. 08. 20.

Numerical Methods and Algorithms참고 문헌 10인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 소프트웨어 개발자가 MATLAB/Simulink를 사용하여 FPGA에 고성능 시스템을 효율적으로 구현할 수 있도록 돕는 고수준 설계 도구인 DSPB Builder Advanced(DSPBA)를 제시한다. FPGA 전용 복잡성을 추상화함으로써, DSPBA는 다중 정밀도 부동소수점 및 고정소수점 IP 라이브러리와 함께 모델 기반 설계를 지원하고, 자동 연산 접기 기법과 비트 정확도 시뮬레이션을 제공하여 Arria10을 포함한 다양한 FPGA 플랫폼에서 정확도, 면적, 처리량 간 최적의 트레이드오프를 달성할 수 있도록 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 소프트웨어 프로그래머가 깊은 FPGA 전문 지식 없이도 FPGA에서 고성능 시스템을 설계할 수 있도록 하는 것.
• 고성능과 효율성을 유지하면서도 FPGA 전용 실행 구현 세부 정보를 추상화하는 것.
• 다양한 정밀도 형식과 IP 라이브러리 간의 포괄적인 디버깅 및 검증을 지원하는 것.
• 성능에 민감한 애플리케이션을 신속하게 FPGA 아키텍처로 이식할 수 있도록 하는 것.
• Arria10 부동소수점 유닛과 같은 새로운 FPGA 장치 및 기능을 위한 확장성 제공

제안 방법

• 알고리즘적 시스템 명세를 위한 MATLAB/Simulink를 프론트엔드로 사용하는 모델 기반 설계 환경을 활용한다.
• 고수준 합성 백엔드를 통해 알고리즘 설계를 FPGA 구현 세부 정보에서 분리한다.
• 일곱 가지 부동소수점 정밀도를 지원하고, 융합된 데이터 경로 연산과 사용자 정의 연산 매핑을 지원한다.
• 자원 사용량과 처리량 최적화를 위해 자동 접기 기법을 적용한다.
• 비트 정확도 시뮬레이션과 엔드 투 엔드 검증을 위한 실버 레퍼런스 모델을 제공한다.
• 이식 가능한 백엔드 추상화 계층을 통해 사용자를 장치별 특수 구현 세부 정보로부터 보호한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고수준 설계 도구는 소프트웨어 개발자가 FPGA를 채택하는 데 있어 장벽을 어떻게 낮출 수 있는가?
• RQ2 효율적이고 이식 가능하며 고성능의 FPGA 설계를 가능하게 하기 위해 필요한 추상화 수준은 무엇인가?
• RQ3 다중 정밀도 부동소수점 및 고정소수점 IP 라이브러리는 어떻게 통합된 설계 워크플로우에 효과적으로 통합될 수 있는가?
• RQ4 FPGA 시스템에서 정확도, 면적, 처리량 간 최적의 트레이드오프를 달성하기 위해 어떤 기법이 필요한가?
• RQ5 도구는 어떻게 성능에 민감한 시스템을 새로운 FPGA 플랫폼으로 신속하게 마이그레이션할 수 있도록 지원하는가?

주요 결과

• DSPBA는 깊은 FPGA 지식 없이도 초보자 및 숙련자 모두가 FPGA 아키텍처를 효율적으로 대상으로 삼을 수 있도록 한다.
• 이 도구는 일곱 가지 부동소수점 정밀도를 지원하여 정확도와 자원 사용량 간의 탄력적인 트레이드오프를 가능하게 한다.
• 융합된 데이터 경로 및 사용자 정의 연산 지원이 성능 향상과 자원 소비 감소를 이끈다.
• 자동 접기 기법을 통해 다양한 설계에서 처리량과 면적 활용 최적화가 가능해진다.
• 비트 정확도 시뮬레이션과 실버 레퍼런스 모델은 설계 과정 全 주기 동안 기능 정확성을 보장한다.
• 백엔드 추상화 계층 덕분에 신규 FPGA 장치, 특히 내장 부동소수점 코어를 탑재한 Arria10 장치에 대한 신속한 지원이 가능해진다.