[论文解读] 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 5

一句话总结

本文提出 DSPB Builder Advanced (DSPBA)，一种高级设计工具，使软件开发人员能够使用 MATLAB/Simulink 高效地在 FPGA 上实现高性能系统。通过抽象 FPGA 特定的复杂性，DSPBA 支持基于模型的设计，提供多精度浮点和定点 IP 库、自动操作符折叠以及位精确仿真，使新手和专家用户都能在包括 Arria10 在内的多种 FPGA 平台中实现精度、面积和吞吐量之间的最优权衡。

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.

研究动机与目标

• 使软件程序员能够在无需深入 FPGA 专业知识的情况下设计高性能 FPGA 系统。
• 在保持高性能和高效率的同时，抽象 FPGA 特定的实现细节。
• 支持多种精度格式和 IP 库的全面调试与验证。
• 实现对性能关键应用在 FPGA 架构上的快速移植。
• 为新型 FPGA 设备和功能（如 Arria10 浮点单元）提供可扩展性。

提出的方法

• 利用 MATLAB/Simulink 作为算法系统规范的前端，基于模型化设计环境。
• 通过高级综合后端，将算法设计与 FPGA 实现细节解耦。
• 支持七种浮点精度、融合数据通路操作以及自定义操作符映射。
• 采用自动折叠技术以优化资源使用和吞吐量。
• 提供位精确仿真和银色参考模型，实现端到端验证。
• 通过可移植的后端抽象层，保护用户免受设备特定实现复杂性的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 高级设计工具如何降低软件开发人员采用 FPGA 的门槛？
• RQ2 需要何种抽象层次，才能实现高效、可移植且高性能的 FPGA 设计？
• RQ3 如何有效将多精度浮点和定点 IP 库集成到统一的设计流程中？
• RQ4 哪些技术能够实现在 FPGA 系统中精度、面积和吞吐量之间的最优权衡？
• RQ5 工具如何支持将性能关键系统快速迁移至新型 FPGA 平台？

主要发现

• DSPBA 使新手和专家用户都能在无需深入 FPGA 知识的情况下高效地针对 FPGA 架构进行设计。
• 该工具支持七种浮点精度，允许在精度和资源使用之间灵活权衡。
• 融合数据通路和自定义操作符支持可提升性能并减少资源消耗。
• 自动折叠技术可优化各类设计的吞吐量和面积利用率。
• 位精确仿真和银色参考模型可确保设计过程中的功能正确性。
• 后端抽象支持对新型 FPGA 设备（包括具备原生浮点核心的 Arria10）的快速支持。