Architectural exploration of digital systems design for FPGAs using C/C++/SystemC specification languages

Abstract

The increasing demand for high computational performance and massive data processing has driven the development of systems-on-chip. One implementation target for complex digital systems are FPGA (Field-programmable Gate Array) devices, heavily used for prototyping systems or complex and fast time-to-market electronic products development. Certain inefficient aspects of FPGA devices relate to performance and power degradation with respect to custom hardware design. In this context, this master thesis proposes a survey on FPGA optimization techniques. This work presents a literature review on methods of power and area reduction applied to FPGA designs. Techniques for performance increasing and design speedup enhancing will be presented based on classic and state-of-the-art academic works. The main focus of this work is to discuss high-level design techniques and to present the results obtained in synthesis examples we developed, comparing with hand-coded HDL (Hardware Description Language) designs. In this work we present our methodology for fast digital design development using High-Level Synthesis (HLS) environments. Our methods include efficient high-level code partitioning for proper synthesis directives exploration in HLS tools. However, a non-guided HLS flow showed poor synthesis results when compared to hand-coded HDL designs. To fill this gap, we developed an iterative design space exploration method aiming at improving the area results. Our method is described in a high-level script language and it is compatible with the Xilinx VivadoTM HLS compiler. Our method is capable of detecting optimization checkpoints, automatic synthesis directives insertion, and check the results aiming at reducing area consumption. Our Design Space Exploration (DSE) experimental results proved to be more efficient than non-guided HLS design flow by at least 50% for a VLIW (Very Long Instruction Word) processor and 62% for a 12th-order FIR (Finite Impulse Response) filter implementation. Our area results in terms of flip-flops were up to 4X lower compared to a non-guided HLS flow, while the performance overhead was around 38%, for the VLIW processor compilation. In the FIR filter example, the flip-flops reduction were up to 3X, with no relevant LUTs and performance overhead.

A crescente demanda por alto desempenho computacional e massivo processamento de dados tem impulsionado o desenvolvimento de sistemas-on-chip. Um dos alvos de implementação para sistemas digitais complexos são os dispositivos FPGA (Field-programmable Gate Array), muito utilizados para prototipação de sistemas e rápido desenvolvimento de produtos eletrônicos complexos. Certos aspectos ineficientes relacionados aos dispositivos FPGA estão relacionadas com degradação no desempenho e na potência consumida em relação ao projeto de hardware customizado. Neste contexto, esta dissertação de mestrado propõe um estudo sobre técnicas de otimização em FPGAs. Este trabalho apresenta uma revisão da literatura sobre os métodos de redução de potência e área aplicados ao projeto de FPGA. Técnicas para aumento de desempenho e aceleração do tempo de desenvolvimento de projetos são apresentadas com base em referencias clássicas e do estado-da-arte. O principal foco deste trabalho é discutir sobre as técnicas de alto nível e apresentar os resultados obtidos nesta área, comparando com os projetos HDL (Hardware Description Language) codificados a mão. Neste trabalho, é apresentado uma metodologia para o desenvolvimento rápido projetos digitais utilizando ambientes HLS (High-Level Synthesis. Estes métodos incluem eficiente particionamento de código de alto nível, para a correta exploração de diretivas de síntese em ferramentas HLS. Porém, o fluxo HLS não guiado apresentou pobres resultados de síntese quando comparado com modelos HDL codificado a mão. Para preencher essa lacuna, foi desenvolvido um método iterativo para exploração de espaço de projeto com o objetivo de melhorar os resultados de área. Nosso método é descrito em uma linguagem de script de alto nível e é compatível com o VivadoTM HLS Compiler. O método proposto é capaz de detectar pontos chave para otimização, inserção automatica de diretivas síntese e verificação dos resultados com objetivo de reduzir o consumo de área. Os resultados experimentais utlizando o método de DSE (Design Space Exploration) provaram ser mais eficazes que o fluxo HLS não guiado, em ao menos 50% para um processador VLIW e em 43% para um filtro FIR (Finite Impulse Response de 12a ordem. Os resultados em área, em termos de flip-flops, foram até 4X menores em comparação com o fluxo HLS não guiado, enquanto redução no desempenho ficou em cerca de 38%, no caso do processador VLIW. No exemplo do filtro FIR, a redução no número flip-flops chegou a 3X, sem relevante aumento no número de LUTs e redução no desempenho.