Transformations de programmes et optimisations de l'architecture mémoire pour la synthèse de haut niveau d'accélérateurs matériels

• Main Author: Plesco, Alexandru
• Language: ENG
• Published: Ecole normale supérieure de lyon - ENS LYON 2010
• Subjects: [INFO:INFO_OH] Computer Science/Other; synthèse de haut niveau; accélérateurs matériels; DDR SDRAM; optimisations des communications; HPC; transformations de programme source-à-source; architectures reconfigurables; FPGA
• Online Access: http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00544349; http://tel.archives-ouvertes.fr/docs/00/54/43/49/PDF/alexandru.plesco_these.pdf; http://tel.archives-ouvertes.fr/docs/00/54/43/49/ANNEX/main.pdf

Une grande variété de produits vendus, notamment de télécommunication et multimédia, proposent des fonctionnalités de plus en plus avancées. Celles-ci induisent une augmentation de la complexité de conception. Pour satisfaire un budget de performance et de consommation d'énergie, ces fonctionnalités peuvent être accélérées par l'utilisation d'accélérateurs matériels dédiés. Pour respecter les délais nécessaires de mise sur le marché et le prix de développement, les méthodes traditionnelles de conception de matériel ne sont plus suffisantes et l'utilisation d'outils de synthèse de haut niveau (HLS) est une alternative intéressante. Ces outils sont maintenant plus aboutis et permettent de générer des accélérateurs matériels possédant une structure interne optimisée, grâce à des techniques d'ordonnancement efficaces, de partage des ressources et de génération de machines d'états. Cependant, les interfacer avec le monde extérieur, c'est-à-dire intégrer des accélérateurs matériels générés automatiquement dans une conception complète, avec des communications optimisées pour atteindre le meilleur débit, reste une tâche très ardue, réservée aux concepteurs experts. Le leitmotiv de cette thèse était d'étudier et d'élaborer des stratégies source-à-source pour améliorer la conception de ces interfaces, en essayant d'envisager l'outil HLS comme back-end pour des transformations front-end plus avancées. Dans la première partie de la thèse, comme étude de cas, nous avons conçu à la main, en VHDL, une logique intelligente permettant l'interfaçage d'un accélérateur, calculant la multiplication de deux matrices, généré par l'outil de synthèse MMAlpha. En utilisant des informations sur les dépendances de données, nous avons implanté des techniques de double tampon et de calcul/transfert par bloc (pavage), pour des mémoires locales SRAM de type scratchpad, pour améliorer la réutilisation des données. Ceci a permis d'augmenter de manière significative les performances du système, mais a également exigé un effort important de développement. Nous avons ensuite montré, sur plusieurs applications de type multimédia, avec un autre outil de HLS, Spark, que le même avantage pouvait être obtenu avec une étape préliminaire semi-automatique de transformations source-à-source (ici de C vers C). Pour cela, nous avons utilisé le front-end d'un compilateur avancé, basé sur le compilateur Open64 et l'outil WRaP-IT de transformations polyédriques. Des améliorations significatives ont été présentées, en particulier pour la synthèse de la conversion de l'espace couleur (extrait d'un benchmark de MediaBench II), dont les données étaient transmises via une mémoire cache. Cette étude a démontré l'importance des transformations des boucles comme étape de pré-traitement pour les outils HLS, mais aussi la difficulté de les utiliser en fonction des caractéristiques de l'outil HLS pour exprimer les communications externes. Dans la deuxième partie de la thèse, en utilisant l'outil C2H HLS d'Altera qui peut synthétiser des accélérateurs matériels communiquant avec une mémoire externe DDR-SDRAM, nous avons montré qu'il était possible de restructurer automatiquement le code de l'application, de générer des processus de communication adéquats, écrits entièrement en C, et de les compiler avec C2H, afin que l'application résultante soit hautement optimisée, avec utilisation maximale de la bande passante mémoire. Ces transformations et optimisations, qui combinent des techniques telles que l'utilisation de double tampon, la contraction de tableaux, le pavage, le pipeline logiciel, entre autres, ont été intégrées dans un outil de transformation automatique source-à-source, appelé Chuba et basé sur la représentation du modèle polyédrique. Notre étude montre que ainsi qu'il est possible d'utiliser certains outils HLS comme des optimiseurs de niveau back-end pour les optimisations effectuées au niveau front-end, comme c'est le cas pour la compilation standard où des transformations de haut niveau sont développées en amont des optimiseurs au niveau assembleur. Nous pensons que ceci est la voie à suivre pour que les outils HLS deviennent viables.