Μεθοδολογίες αυτοματοποιημένης εξερεύνησης και σύνθεσης επαναδιατάξιμων συνεπεξεργαστών υλικού
Authors: Ξύδης Σωτήριος 
Published: January 2014

Οι τεχνολογικές εξελίξεις στον τομέα της μικρο-ηλεκτρονικής επιτρέπουν σήμερα την ανάπτυξη πολύπλοκων ενσωματωμένων υπολογιστικών συσκευών π.χ. κινητά τηλέφωνα, ψηφιακές κάμερες, που κυριαρχούν τη σύγχρονη καθημερινότητα. Οι σχεδιαστές καλούνται να αντιμετωπίσουν την αυξημένη πολυπλοκότητα παρέχοντας σχεδιαστικές λύσεις που ικανοποιούν ένα αντικρουόμενο σύνολο αυστηρών λειτουργικών και οικονομικών περιορισμών. Σήμερα είναι γενικά αποδεκτό ότι χωρίς τη χρήση αυτοματοποιημένων εργαλείων που βελτιστοποιούν αισθητά τις συνιστώσες υλικού και λογισμικού του συστήματος οι σχεδιαστές οδηγούνται στην υιοθέτηση υπο-βέλτιστων σχεδιαστικών λύσεων. Η παρούσα διατριβή στοχεύει στην αντιμετώπιση του παραπάνω προβλήματος μέσω της ανάπτυξης ενός συνόλου μεθοδολογιών σχεδίασης που επιτρέπουν αποδοτική εξερεύνηση και σύνθεση αρχιτεκτονικών λύσεων υλικού και λογισμικού. Πιο συγκεκριμένα οι προτεινόμενες μεθοδολογίες αφορούν (i) την ανάπτυξη εξειδικευμένων λύσεων λογισμικού για δυναμική διαχείριση μνήμης πολύ-νηματικών εφαρμογών και (ii) τη σχεδίαση αποδοτικών λύσεων υλικού τόσο για επαναδιατάξιμες όσο και εξειδικευμένες αρχιτεκτονικές συνεπεξεργαστή. Σε ότι αφορά στις μεθοδολογίες αυτοματοποιημένης εξερεύνησης παρουσιάζεται η μοντελοποίηση και η ανάλυση σε βασικές συνιστώσες του χώρου σχεδίασης των δυναμικών διαχειριστών μνήμης για πολύ-νηματικές εφαρμογές. Προτείνονται νέοι αλγόριθμοι εξερεύνησης και διάσχισης του παραπάνω χώρου σχεδίασης βάσει μεθόδων ορθογώνιου διαχωρισμού των αποφάσεων που επιτρέπουν την πολύ-κριτηριακή εξειδίκευση και την αυτοματοποιημένη παραγωγή λογισμικού των δυναμικών διαχειριστών μνήμης. Επιπλέον προτείνεται μια νέα θεώρηση για την παραμετρική μοντελοποίηση του χώρου σχεδίασης εξειδικευμένων συνεπεξεργαστών υλικού η οποία λαμβάνει υπόψη τις επιδράσεις των σχεδιαστικών αποφάσεων από τα επίπεδα αφαίρεσης συμπεριφοράς αλγορίθμου και αρχιτεκτονικής με στόχο τη συνδυασμένη βελτιστοποίηση της επίδοσης και της επιφάνειας υλικού. Νέοι αλγόριθμοι εξερεύνησης αναπτύχθηκαν ώστε να επιτυγχάνεται γρήγορη αναζήτηση με αποδοτική σύγκλιση στις καθολικά βέλτιστες σχεδιαστικές λύσεις. Σε ότι αφορά στις μεθοδολογίες αρχιτεκτονικής σύνθεσης επαναδιατάξιμων συνεπεξεργαστών υλικού παρουσιάζεται η τεχνική Εισαγωγή Ευελιξίας για κυκλωματική σχεδίαση επαναδιατάξιμων αρχιτεκτονικών αδρομερούς υφής. Η προτεινόμενη τεχνική εκμεταλλεύεται την κατοπτρική συμμετρία στις διασυνδέσεις εξειδικευμένων (μη-επαναδιατάξιμων) αριθμητικών κυκλωμάτων και μέσω κατάλληλων μετασχηματισμών επιτυγχάνει τη σχεδίαση ενός νέου επαναδιατάξιμου μικρο-αρχιτεκτονικού πρότυπου το οποίο συνδυάζει τον οριζόντιο και κάθετο παραλληλισμό με δυνατότητες υπολογιστικής αλυσίδωσης λειτουργιών. Επιπροσθέτως, προτείνεται και μια δεύτερη επαναδιατάξιμη αρχιτεκτονική συνεπεξεργαστή, η οποία βασίζεται στη χρήση μεθόδων αριθμητικής βελτιστοποίησης για σχεδίαση ευέλικτων συνεπεξεργαστών με αλυσίδωση λειτουργιών. Για κάθε επαναδιατάξιμο συνεπεξεργαστή αναπτύχθηκαν νέοι αλγόριθμοι σχεδίασης για αυτοματοποιημένη απεικόνιση εφαρμογών στις προτεινόμενες αρχιτεκτονικές. Η μελέτη της αποδοτικότητας των προτεινόμενων μεθοδολογιών πραγματοποιήθηκε μέσω εκτενών πειραματικών αξιολογήσεων και συγκρίσεων με τις αντίστοιχες σχεδιαστικές λύσεις αιχμής. Σε κάθε περίπτωση, διαπιστώνεται πως η υιοθέτηση των μεθοδολογιών που αναπτύχθηκαν στην παρούσα διατριβή, οδηγεί σε σημαντική μετατόπιση των σχεδιαστικών λύσεων προς πιο αποδοτικές υλοποιήσεις.