[論文レビュー] Defragmenting the Module Layout of a Partially Reconfigurable Device

Jan van der Veen, Sándor P. Fekete+4 more|ArXiv.org|May 2, 2005

VLSI and FPGA Design Techniques参考文献 19被引用数 12

ひとこと要約

この論文は、動的モジュールのロードおよびアンロードによって引き起こされる空間断片化を軽減するため、部分再構成可能なFPGA向けにハイブリッドなオンライン・オフラインのフラグメンテーション回避手法を提案する。問題を2次元ストリップパッキング問題としてモデル化し、グラフ理論的正確なアルゴリズムを用いることで、空き時間に最適なモジュールレイアウトの再編成を実現し、最大の自由長方形のサイズと自由列の数を顕著に向上させる。最大自由長方形領域は最大3.1倍、自由列の平均は4.2倍の向上を達成した。

ABSTRACT

Modern generations of field-programmable gate arrays (FPGAs) allow for partial reconfiguration. In an online context, where the sequence of modules to be loaded on the FPGA is unknown beforehand, repeated insertion and deletion of modules leads to progressive fragmentation of the available space, making defragmentation an important issue. We address this problem by propose an online and an offline component for the defragmentation of the available space. We consider defragmenting the module layout on a reconfigurable device. This corresponds to solving a two-dimensional strip packing problem. Problems of this type are NP-hard in the strong sense, and previous algorithmic results are rather limited. Based on a graph-theoretic characterization of feasible packings, we develop a method that can solve two-dimensional defragmentation instances of practical size to optimality. Our approach is validated for a set of benchmark instances.

研究の動機と目的

• 繰り返しモジュールの挿入・削除が行われることによる部分再構成可能なFPGAにおける空間断片化を解消すること。
• 空き時間におけるオフラインフラグメンテーションにより、オンラインモジュール配置の効率を向上させること。
• 最大の連続した自由長方形のサイズと自由列の数の両方を最大化すること。
• 実用的なFPGAレイアウトの文脈において、NP困難な2次元ストリップパッキング問題に正確な解を提供すること。

提案手法

• FPGAをW列とH行のプログラマブル論理ブロック（CLBs）のグリッドとしてモデル化し、再構成を列単位の操作に制限する。
• 可能なモジュールパッキングをグラフ理論的特徴付けを用いて表現し、正確な最適化を可能にする。
• この特徴付けに基づく正確なアルゴリズムを開発し、2次元ストリップパッキング問題を最適に解く。
• 空き時間（例：自動車システムにおける夜間）にこのアルゴリズムをオフラインで適用し、モジュールレイアウトを再編成する。
• 2つの目的を最適化する：最大の自由長方形の面積を最大化し、自由列の数を最大化する。
• 実際のFPGA構成から抽出したベンチマークインスタンスを用いて手法を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 実行時における部分再構成可能なFPGAの空間断片化は、どのように効果的に軽減できるか？
• RQ2 オフラインフラグメンテーションは、大きな連続した自由領域と自由列の可用性をどの程度向上できるか？
• RQ3 正確なアルゴリズムは、実用的なFPGAレイアウトに対して2次元ストリップパッキング問題を解けるか？
• RQ4 フラグメンテーションは、実世界のシナリオにおいて最大利用可能な自由長方形と列数にどのような影響を与えるか？

主な発見

• シナリオAでは、最大自由長方形が7 RFUs（7×1）から22 RFUs（2×11）に増加し、面積が3.1倍向上した。
• 全シナリオにわたり、最大自由長方形の面積は平均で2.2倍向上した。
• 自由列の数は0から平均4.2に増加し、シナリオCでは最大6列の増加を達成した。
• シナリオBでは、最大自由長方形が16 RFUs（2×8）から44 RFUs（4×11）に増加し、2.75倍の改善を達成した。
• シナリオHでは、自由列の数が3から7に増加し、将来的な再構成がより効率的になった。
• 使用頻度が低いモジュールが削除された場合でも、本手法は最大自由長方形のサイズと自由列の数の両方を成功裏に向上させた。