Ανάπτυξη μεθοδολογίας σχεδιασμού επεξεργαστών ειδικού σκοπού

Abstract

This Ph.D. dissertation unfolds a methodology for the development and design of application-specific processors, suitable for incorporation in embedded systems, supporting application sets that feature common characteristics. Representative examples of the considered application domains belong to the digital signal processing field, without fundamental reasons for this methodology not being applicable to other realistic/industrial application environments as well. Often, it is required that these applications have to be serviced under constraints of portability, sufficient processing performance, adaptability/flexibility to potential changes to the standards that they ought comply, and the time limitations from the starting point of developing the associated product (to which they are embedded to) to its introduction to the market (time-to-market). In most cases, these requirements cannot be satisfied by deploying the traditional solutions of either Application-Specific Integrated Circuits (ASICs) due to their lack of flexibility, and the associated high development costs and financial risks, or General-Purpose Processors (GPPs) which present increased power/energy consumption and relatively low performance per area unit. Application-Specific Processors and especially their subset of Application-Specific Instruction-set Processors (ASIPs) present a solution to the aforementioned problem. ASIPs provide sufficient flexibility through their programmability by the use of an instruction repertoire, while sustaining the high performance of a dedicated ASIC solution. An application-specific processor is designed for either an application or an application set that present similarities. The success of an ASIP design is determined by the optimal utilization of the respective characteristics of the applications, in order to satisfy requirements on performance, circuit area occupation and energy dissipation, while maintaining the desired level of flexibility. For this purpose, the effort is focused in optimizing the computationally-intensive tasks that are critical for the overall performance of the processor under design. The aims of this Ph.D. dissertation that have been achieved are: the formulation of a methodology for the development of an ASIP design flow, the development of novel techniques at the level of architectural and microarchitectural design for accomplishing the aforementioned requirements regarding processor metrics, and the extension and adaptation of algorithms such as for the generation of custom instructions, for underlying tasks involved in the realization of individual parts of the methodology. For establishing the applicability of the methodology in practice, strong design automation elements have been introduced in both the overall design flow and parts of the methodology in the form of prototype software tools for application analysis, custom instruction generation and selection under constraints, and performance estimation. The merit of the methodology has been evaluated with the end-to-end development of processor prototypes, the design of the corresponding simulators and programming tools, and their implementation in FPGA devices for extensive testing of indicative application fields.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή έχει ως αντικείμενο την ανάπτυξη μεθοδολογίας σχεδιασμού επεξεργαστών ειδικού σκοπού, οι οποίοι πλαισιώνουν ενσωματωμένα συστήματα, τα οποία υποστηρίζουν ομάδες εφαρμογών με κοινά χαρακτηριστικά. Χαρακτηριστικά παραδείγματα πεδίων εφαρμογών υπάγονται εν γένει στην ψηφιακή επεξεργασία σήματος χωρίς να υπάρχει θεμελιώδης περιορισμός στη στόχευση και άλλων ρεαλιστικών/βιομηχανικών εφαρμογών. Συχνά υπάρχει η ανάγκη εξυπηρέτησης αυτών των εφαρμογών υπό περιορισμούς φορητότητας, ικανών επεξεργαστικών επιδόσεων, προσαρμοστικότητας/ευελιξίας σε ενδεχόμενες μεταβολές των προτύπων που τις διέπουν, και των χρονικών περιθωρίων από την ανάπτυξη του προϊόντος στο οποίο ενσωματώνονται μέχρι την προώθησή του στην αγορά. Οι προϋποθέσεις αυτές, στις περισσότερες περιπτώσεις, δεν μπορούν να ικανοποιηθούν από τις παραδοσιακές λύσεις των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων ειδικού σκοπού (ASIC) λόγω της έλλειψης ευελιξίας και του υψηλού κόστους ανάπτυξής τους και των επεξεργαστών γενικού σκοπού (GPP) οι οποίοι παρουσιάζουν υψηλή κατανάλωση ενέργειας/ισχύος και συγκριτικά χαμηλές επιδόσεις ανά μονάδα επιφάνειας. Λύση στο πρόβλημα αυτό δίνουν οι επεξεργαστές ειδικού σκοπού (ΕΕΣ) και ιδιαίτερα το υποσύνολο των προγραμματιζόμενων ΕΕΣ συνόλου εντολών (ASIP). Οι ASIP συνδυάζουν ικανοποιητική ευελιξία μέσω της δυνατότητας προγραμματισμού τους με χρήση συνόλου εντολών, διατηρώντας παράλληλα τις υψηλές επιδόσεις μιας αφοσιωμένης ASIC λύσης. Ένας επεξεργαστής ειδικού σκοπού σχεδιάζεται είτε για μία εφαρμογή είτε για σύνολο εφαρμογών με κοινά χαρακτηριστικά. Η επιτυχία στο σχεδιασμό του έγκειται στη βέλτιστη εκμετάλλευση των ιδιαίτερων χαρακτηριστικών των εφαρμογών ώστε να ικανοποιηθούν οι απαιτήσεις σε ταχύτητα, επιφάνεια, και κατανάλωση ισχύος, διατηρώντας παράλληλα ένα επιθυμητό επίπεδο ευελιξίας. Για το σκοπό αυτό, η προσπάθεια εστιάζεται στη βελτιστοποίηση των εντατικών, επεξεργαστικά, υπολογιστικών διεργασιών, που είναι κρίσιμες για τις συνολικές επιδόσεις του επεξεργαστή. Οι στόχοι της διδακτορικής διατριβής οι οποίοι επιτεύχθηκαν είναι: η διαμόρφωση μεθοδολογίας για την ανάπτυξη ροής σχεδιασμού ΕΕΣ, η ανάπτυξη νέων τεχνικών στο επίπεδο της αρχιτεκτονικής και μικροαρχιτεκτονικής επεξεργαστών για την επίτευξη υψηλών επιδόσεων κάτω από τις παραπάνω προϋποθέσεις, και η επέκταση ή/και προσαρμογή αλγορίθμων όπως για τη γέννηση ειδικών εντολών, για διεργασίες που υπεισέρχονται στην υλοποίηση επιμέρους τμημάτων της μεθοδολογίας. Προκειμένου την πρακτική εφαρμοστικότητα της μεθοδολογίας εισήχθησαν ισχυρά στοιχεία αυτοματισμού τόσο στην όλη ροή ανάπτυξης όσο και σε επιμέρους βήματα της μεθοδολογίας υπό τη μορφή πρωτότυπων λογισμικών εργαλείων ανάλυσης εφαρμογών, γέννησης ειδικών εντολών και αποτίμησης επιδόσεων. Η αξία της μεθοδολογίας αποτιμήθηκε με την ανάπτυξη πρωτότυπων επεξεργαστών, το σχεδιασμό προσομοιωτών τους και την υλοποίησή τους σε διατάξεις προγραμματιζόμενου πεδίου (FPGA) και τη δοκιμή τους για ενδεικτικά πεδία εφαρμογών.