Design automation and synthesis techniques for approximate computing

Abstract

Since the failure of Dennard scaling, energy efficiency has become a first-class design concern in computer systems. Recently, exploiting the intrinsic error resilience of a large number of application domains, approximate computing has emerged as a design alternative for energy efficient system design, trading accuracy for significant energy gains. In this thesis, we focus on the design of hardware approximate accelerators. Existing hardware approximation techniques mainly apply single-level approximation, limiting thus the potential energy-savings of the approximate computing application. In this dissertation, in order to max out the benefits of approximate computing application, we examine, introduce, and enable multi-level approximation in the design of hardware arithmetic circuits as well as hardware accelerators. In order to enable straightforward and seamless application of approximate computing and multi-level approximation on hardware circuits, we propose four automated frameworks, i.e., VOSsim, Partial Product Perforation framework, HAM, and METHADONE. All the proposed frameworks were extensively experimentally evaluated. We demonstrated their efficiency and optimality through comparisons against exhaustive design space exploration and related state-of-the-art works. Specifically, we showed that all the approximate designs produced by the proposed frameworks, outperform existing state-of-the-art designs in terms of both induced error as well as power reduction.

Οι τεχνολογίες πληροφορικής βρίσκονται πλέον σε μια εποχή που για να διατηρηθεί αλλά και να βελτιωθεί η απόδοση και αποτελεσματικότητα των υπολογιστικών συστημάτων είναι αναγκαίες ριζικές αλλαγές συγκριτικά με τις παραδοσιακές τεχνικές. Ο προσεγγιστικός υπολογισμός αποτελεί ένα χαρακτηριστικό πρότυπο ριζικής μεταβολής που έχει εισέλθει στο σχεδιασμό και τη λειτουργία των σύγχρονων συστημάτων. Η διατριβή αυτή επικεντρώνεται στην μελέτη και σχεδίαση προσεγγιστικών επιταχυντών υλικού. Οι υπάρχουσες μεθοδολογίες σχεδίασης προσεγγιστικών κυκλωμάτων εφαρμόζουν κατά κύριο λόγο μονο-επίπεδες προσεγγιστικές τεχνικές, περιορίζοντας έτσι σημαντικά τα ενεργειακά οφέλη από την εφαρμογή του προσεγγιστικού υπολογισμού. Ο στόχος αυτής της διατριβής είναι να μεγιστοποιήσει τα ενεργειακά οφέλη των προσεγγιστικών κυκλωμάτων και να προτείνει συστηματικές μεθοδολογίες για την εφαρμογή του προσεγγιστικού υπολογισμού, έτσι ώστε να επιτρέψει την αξιοποίησή του στον τομέα της σχεδίασης ψηφιακών συστημάτων. Για να μεγιστοποιήσουμε την απόδοση των προσεγγιστικών κυκλωμάτων μελετάμε, προτείνουμε, και καταστούμε δυνατή την εφαρμογή πολυ-επίπεδων προσεγγιστικών τεχνικών για την παραγωγή τόσο προσεγγιστικών αριθμητικών κυ- κλωμάτων όσο και επιταχυντών υλικού. Τα ανωτέρω επιτυγχάνονται μέσα από τα τέσσερα αυτοματοποιημένα πλαίσια σχεδίασης και σύνθεσης που προτείνουμε: VOSsim, Partial Product Perforation, HAM, και METHADONE. Τα πλαίσια αυτά αξιολογήθηκαν διεξοδικά μέσω εκτενούς πειραματικής διαδικασίας και συγκρίθηκαν με τις εκάστοτε βέλτιστες υπάρχουσες μεθοδολογίες και τεχνικές αποδεικνύοντας την αποδοτικότητά τους.