Design methodologies, frameworks and implementations on reconfigurable devices for timing and energy optimizations
Authors: Μαραγκός Κωνσταντίνος 
Published: September 2021

Η κατασκευή ολοένα και πιο ανεπτυγμένων τσιπ πλέον καθίσταται εξαιρετικά δύσκολη και οικονομικά ασύμφορη καθώς το μέγεθος των τρανζίστορ πλησιάζει την ατομική κλίμακα. Σημαντικά ζητήματα αξιοπιστίας όπως είναι η μεταβλητότητα υλικού, η πτώση τάσης και αύξηση της θερμοκρασίας γίνονται όλο και πιο έντονα στις νεότερες τεχνολογίες ολοκλήρωσης. Προκειμένου να ανταπεξέλθουν με τα προαναφερθέντα ζητήματα και να παρέχουν αποδεκτές λύσεις, οι κατασκευαστές επιβάλλουν καθολικά και πολύ συντηρητικά όρια ασφαλείας στην λειτουργία όλων των κατασκευασμένων τσιπ. Ωστόσο, αυτή η πεσιμιστική στρατηγική δεν εκμεταλλεύεται τις πραγματικές δυνατότητες απόδοσης των μεμονωμένων τσιπ και δεν προσαρμόζεται στις συνθήκες λειτουργίας (π.χ., πτώση τάσης) που εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από τα μεμονωμένα χαρακτηριστικά μιας εφαρμογής. Συνεπώς, υπάρχει σημαντική απώλεια απόδοσης τόσο σε όρους ταχύτητας όσο και σε κατανάλωσης ισχύος. Στην παρούσα ερευνητική εργασία, επικεντρωνόμαστε συγκεκριμένα σε επαναπρογραμματιζόμενης λογικής τσιπ (FPGA) και αποσκοπούμε στην παροχή λύσεων που προσαρμόζονται τόσο στην ποιότητα πυριτίου του υποκείμενου τσιπ, όσο και στις ιδιαιτερότητες της εκάστοτε εφαρμογής που εκτελείται πάνω σε αυτό. Προτείνουμε μια μεθοδολογία για τον χαρακτηρισμό των πραγματικών δυνατοτήτων απόδοσης των σημερινών εμπορικών FPGA τσιπ που υπόκεινται σε μεταβολές υλικού. Η μεθοδολογία αυτή βασίζεται στη δημιουργία χαρτών μεταβλητότητας υλικού για την αξιολόγηση της μεταβολής της απόδοσης σε όλο το εύρος της αρχιτεκτονικής του FPGA. Αξιοποιώντας τους παραγόμενους χάρτες μεταβλητότητας υλικού και τα δυνητικά κέρδη που προκύπτουν από την εκμετάλλευση των συντηρητικών ορίων ασφαλείας λειτουργίας των τσιπ, αναπτύξαμε ένα πλαίσιο για την ενίσχυση της απόδοσης των FPGAs. Το συγκεκριμένο πλαίσιο βασίζεται σε χάρτες μεταβλητότητας υλικού και τεχνικές κλιμάκωσης της συχνότητας και τάσης λειτουργίας. Το πρώτο εξυπηρετεί το σκοπό της αποτύπωσης μιας δοθείσας εφαρμογής στο πιο αποδοτικό τσιπ και στην πιο αποδοτική περιοχή αυτού. Το δεύτερο χρησιμοποιείται για τη βαθμονόμηση της λειτουργίας του FPGA στο βέλτιστο σημείο σύμφωνα με τις προδιαγραφές που τίθενται από τον χρήστη. Χρησιμοποιώντας την πειραματική μας υποδομή και ένα σύνολο FPGAs 28nm και ρεαλιστικών εφαρμογών, επιδεικνύουμε λύσεις οι οποίες μπορούν μέχρι να διπλασιάζουν την μέγιστη απόδοση που επικαρπώνεται ο χρήστης, συγκριτικά με την ονομαστική λειτουργία του τσιπ όπως παρέχεται από τα σημερινά βιομηχανικά εργαλεία σχεδιασμού. Επιπλέον, εκτός από το παραπάνω πλαίσιο, προτείνουμε μια εναλλακτική μέθοδο που στοχεύει στη βελτίωση της ενεργειακής απόδοσης των σημερινών εμπορικών FPGAs παρέχοντας υψηλή αυτάρκεια. Η προτεινόμενη μέθοδος βασίζεται σε ένα αξιόπιστο σύστημα παρακολούθησης και ρύθμισης της τάσης λειτουργίας λαμβάνοντας υπόψιν όλα τα φαινόμενα μεταβλητότητας του υλικού, τάσης και θερμοκρασίας κατά την διάρκεια λειτουργίας του FPGA. Ένα από τα κύρια χαρακτηριστικά αυτής της μεθόδου είναι ότι μπορεί να ενσωματωθεί ως έτοιμο προς χρήση IP σε οποιαδήποτε σχεδίαση του χρήστη. Βασιζόμενοι σε πραγματικές εφαρμογές, τα πειραματικά μας αποτελέσματα επιδεικνύουν σημαντική εξοικονόμηση ενέργειας διατηρώντας παράλληλα την λειτουργική ακεραιότητα και την ονομαστική ταχύτητα επεξεργασίας του τσιπ.