Efficient accelaration of complex DSP applications on reconfigurable devices: platform and architecture optimizations

Abstract

In recent years, there has been a remarkable surge in the field of embedded systems, especially in the consumer electronics sector. The growing demand for high-performance and energy-efficient systems has motivated researchers to come up with innovative design techniques to meet these challenging requirements. Among various aspects, streaming Digital Signal Processing (DSP) has gained particular attention, involving complex mathematical computations such as matrix inversions, filtering, and basic arithmetic operations. As DSP continues to gain importance in various devices, certain factors like time-to-market and flexibility for late design changes have become critical considerations. Software-based solutions provide flexibility and the ability to make adjustments even in the later stages, but they often lag behind hardware in terms of performance due to the limitations of serial processing. On the other hand, developing custom Application-Specific Integrated Circuits (ASICs) can be a time-consuming process and lacks reconfigurability once the fabrication is completed. This dissertation revolves around accelerating demanding and complex digital signal processing applications on re-configurable devices, with a particular emphasis on SoC-FPGAs. The applications covered in this research span two domains: image/video processing and telecommunications. In the image/video processing domain, the main focus is on accelerating 1) Medical Imaging and 2) Vision-based navigation applications for space deployments. In the telecom domain, the research centers on low-level physical layer processing, specifically targeting the next-generation 5G/B5G mobile networks. These applications share common characteristics, requiring strict adherence to latency requirements while keeping power consumption at a minimum. To achieve these objectives, extensive Design Space Exploration (DSE) is carried out, and advanced design techniques are employed. The utilization of the unique features of the underlying SoC-FPGA device further enhances the effectiveness of the proposed solutions.

Τα τελευταία χρόνια έχει σημειωθεί μια αξιοσημείωτη άνοδος στον τομέα των ενσωματωμένων συστημάτων, ιδίως στον τομέα των ηλεκτρονικών ειδών ευρείας κατανάλωσης. Η αυξανόμενη ζήτηση για συστήματα υψηλών επιδόσεων και ενεργειακά αποδοτικά συστήματα έχει παρακινήσει τους ερευνητές να επινοήσουν καινοτόμες τεχνικές σχεδιασμού για να ανταποκριθούν σε αυτές τις δύσκολες απαιτήσεις. Μεταξύ διαφόρων πτυχών, η ψηφιακή επεξεργασία σήματος (DSP) έχει κερδίσει ιδιαίτερη προσοχή, η οποία περιλαμβάνει πολύπλοκους μαθηματικούς υπολογισμούς, όπως αντιστροφές πινάκων, φιλτράρισμα και βασικές αριθμητικές πράξεις.Καθώς η ψηφιακή επεξεργασία σήματος συνεχίζει να αποκτά σημασία σε διάφορες συσκευές, ορισμένοι παράγοντες, όπως ο χρόνος διάθεσης στην αγορά και η ευελιξία για καθυστερημένες αλλαγές στη σχεδίαση, έχουν γίνει κρίσιμοι παράγοντες. Οι λύσεις που βασίζονται σε λογισμικό παρέχουν ευελιξία και δυνατότητα προσαρμογών ακόμη και σε μεταγενέστερα στάδια, αλλά συχνά υστερούν σε απόδοση έναντι του υλικού λόγω των περιορισμών της σειριακής επεξεργασίας. Από την άλλη πλευρά, η ανάπτυξη προσαρμοσμένων ολοκληρωμένων κυκλωμάτων ειδικής εφαρμογής (ASIC) μπορεί να είναι χρονοβόρα διαδικασία και στερείται δυνατότητας αναδιαμόρφωσης μόλις ολοκληρωθεί η κατασκευή. Η παρούσα διατριβή επικεντρώνεται στην επιτάχυνση απαιτητικών και πολύπλοκων εφαρμογών ψηφιακής επεξεργασίας σήματος σε επαναδιαμορφώσιμες συσκευές, με ιδιαίτερη έμφαση στα SoC-FPGAs.Οι εφαρμογές που μελετώνται καλύπτουν δύο τομείς: επεξεργασία εικόνας/βίντεο και τηλεπικοινωνίες. Στον τομέα της επεξεργασίας εικόνας/βίντεο, η κύρια έμφαση δίνεται 1) στην επιτάχυνση εφαρμογών ιατρικής απεικόνισης και 2) αυτόνομης πλοήγησης με βάση την όραση για διαστημικές εφαρμογές. Στον τομέα των τηλεπικοινωνιών, η έρευνα επικεντρώνεται στην επεξεργασία φυσικού επιπέδου, στοχεύοντας ειδικά στα κινητά δίκτυα επόμενης γενιάς 5G/B5G. Αυτές οι εφαρμογές έχουν κοινά χαρακτηριστικά, απαιτώντας αυστηρή τήρηση των απαιτήσεων καθυστέρησης, διατηρώντας παράλληλα την κατανάλωση ενέργειας στο ελάχιστο. Για την επίτευξη αυτών των στόχων, πραγματοποιείται εκτεταμένη εξερεύνηση του χώρου σχεδίασης (Design Space Exploration - DSE) και χρησιμοποιούνται προηγμένες τεχνικές σχεδίασης. Η αξιοποίηση των μοναδικών χαρακτηριστικών της υποκείμενης συσκευής SoC-FPGA ενισχύει περαιτέρω την αποτελεσματικότητα των προτεινόμενων λύσεων.