Automated design of domain-specific custom instructions = Geautomatiseerd ontwerp van domeinspecifieke gespecialiseerde instructies
Authors:   , González Alvárez Cecilia Noemí 
Published: July 2023

In the last years, hardware specialization has received renewed attention as chips approach a utilization wall. Specialized accelerators can take advantage of underutilized transistors implementing custom hardware that complements the main processor. However, specialization adds complexity to the design process and limits reutilization. Application-Specific Instruction Processors (ASIPs) balance performance and reusability, extending a general-purpose processor with custom instructions (CIs) specific for an application, implemented in Specialized Functional Units (SFUs). Still, time-to-market is a major issue with application-specific designs because, if CIs are not frequently executed, the acceleration benefits will not compensate for the overall design cost. Domain-specific acceleration increases the applicability of ASIPs, as it targets several applications that run on the same hardware. Also, reconfigurable SFUs and the automation of the CIs design can solve the aforementioned problems. In this dissertation, we explore different automated approaches to the design of CIs that extend a baseline processor for domain-specific acceleration to improve both performance and energy efficiency.
First, we develop automated techniques to identify code sequences within a domain to create CI candidates. Due to the disparity among coding styles of different programs, it is difficult to find patterns that are represented by a unique CI across applications. Therefore, we propose an analysis at the basic block level that identifies equivalent CIs within and across different programs. We use the Taylor Expansion Diagram (TED) canonical representation to find not only structurally equivalent CIs, but also functionally similar ones, as opposed to the commonly applied directed acyclic graph (DAG) isomorphism detection. We combine both methods into a new Hybrid DAG/TED technique to identify more patterns across applications that map to the same CI. Then, we select a subset of the CI candidates that fits in the available SFU area. Because of the complexity of the problem, we propose four scoring heuristics to reduce the design space and smooth the potential performance speedup across applications. We include these methods in the FuSInG framework, and we estimate performance with hardware models on a set of media benchmarks. Results show that, when limiting core area devoted to specialization, the SFU customization with the largest speedups includes a mix of application and domain-specific custom instructions.
If we target larger CIs to obtain higher speedups, reusability across applications becomes critical; without enough equivalences, CIs cannot be generalized for a domain. We aim to share partially common operations among CIs to accelerate more code, especially across basic blocks, and to reduce the hardware area needed for specialization. Hence, we create a new canonical representation across basic blocks, the Merging Diagram, to facilitate similarity detection and improve code coverage. We also introduce clustering-based partial matching to identify partially-similar domain-specific CIs, which generally leads to better performance than application-specific ones. Yet, at small areas, merging two CIs induces a high additional overhead that might penalize energy-efficiency. Thus, we also detect fragments of CIs and we join them with the existing merged clusters resulting in minimal extra overhead. Also, using speedup as the deciding factor for CI selection may not be optimal for devices with limited power budgets. For that reason, we propose a linear programming-based selection that balances performance and energy consumption. We implement these techniques in the MInGLE framework and evaluate them with media benchmarks. The selected CIs significantly improve the energy-delay product and performance, demonstrating that we can accelerate a domain covering more code while reducing the needed area for the CI implementation.

La especialización de hardware ha recibido renovado interés debido al utilization wall, ya que transistores infrautilizados pueden implementar hardware a medida que complemente el procesador principal. Sin embargo, el proceso de diseño se complica y se limita la reutilización. Procesadores de instrucciones para aplicaciones específicas (ASIPs) equilibran rendimiento y reuso, extendiendo un procesador con instruciones especializadas (custom instructions ¿ CIs) para una aplicación, implementadas en unidades funcionales especializadas (SFUs). No obstante, los plazos de comercialización suponen un obstáculo en diseños específicos ya que, si las CIs no se ejecutan con frecuencia, los beneficios de la aceleración no compensan los costes de diseño. La aceleración de un dominio específico incrementa la aplicabilidad de los ASIPs, acelerando diferentes aplicaciones en el mismo hardware, mientras que una SFU reconfigurable y un diseño automatizado pueden resolver los problemas mencionados. En esta tesis, exploramos diferentes alternativas al diseño de CIs que extienden un procesador para acelerar un dominio, mejorando el rendimiento y la eficiencia energética. Proponemos primero técnicas automatizadas para identificar código acelerable en un dominio. Sin embargo, la identificación se ve dificultada por la diversidad de estilos entre diferentes programas. Por tanto, proponemos identificar en el bloque básico CIs equivalentes utilizando la representación canónica Taylor Expansion Diagram (TED). Con TEDs encontramos no sólo código estructuralmente equivalente, sino también con similitud funcional, en contraposición a la detección isomórfica de grafos acíclicos dirigidos (DAG). Combinamos ambos métodos en una nueva técnica híbrida DAG/TED, que identifica en varias aplicaciones más secuencias representadas por la misma CI. Tras esto, seleccionamos un subconjunto de CIs que puede ser contenido en el área de la SFU. Por la complejidad del problema, proponemos cuatro heurísticas de selección para reducir el espacio de búsqueda y homogeneizar el rendimiento de las aplicaciones. Incluimos estas técnicas en la infraestructura FuSInG y estimamos el rendimiento para un conjunto de benchmarks multimedia. Los resultados muestran que, al limitar el área de especialización, la configuración de la SFU con las mayores ganancias incluye una mezcla de CIs específicas tanto para una aplicación como para todo el dominio. Si nos centramos en CIs más grandes para obtener mayores ganancias, la reutilización se vuelve crítica; sin suficientes equivalencias las CIs no pueden ser generalizadas. Nuestro objetivo es que las CIs compartan parcialmente operaciones, especialmente a través de bloques básicos, y reducir el área de especialización. Por ello, creamos una representación canónica de CIs que cubre varios bloques básicos, Merging Diagram, para mejorar el alcance de la aceleración y facilitar la detección de similitud. Además, proponemos una búsqueda de coincidencias parciales basadas en clustering para identificar CIs de dominio específico parcialmente similares, las cuales derivan generalmente mejor rendimiento. Pero en áreas reducidas, la fusión de CIs induce un coste adicional que penalizaría la eficiencia energética. Así, detectamos fragmentos de CIs y los unimos con grupos de CIs previamente fusionadas con un coste extra mínimo. Usar el rendimiento como el factor decisivo en la selección puede no ser óptimo para disposivos con consumo de energía limitado. Por eso, proponemos un mecanismo de selección basado en programación lineal que equilibra rendimiento y consumo energético. Implementamos estas técnicas en la infraestructura MInGLE y las evaluamos con benchmarks multimedia. Las CIs seleccionadas mejoran notablemente la eficiencia energética y el rendimiento, demostrando que podemos acelerar un dominio cubriendo más código a la vez que reducimos el área de implementación.