Σχεδιασμός υλικού και λογισμικού επαναδιαμορφούμενων συστημάτων VLSI με χαμηλή κατανάλωση ισχύος
Authors: Σιώζιος Κωνσταντίνος 
Published: August 2021

Η παρούσα Διδακτορική Διατριβή διαπραγματεύεται την ανάπτυξη νέων μεθοδολογιών τόσο από πλευράς υλικού, όσο και λογισμικού, οι οποίες αποσκοπούν στον αποτελεσματικότερο σχεδιασμό επαναδιαμορφούμενων αρχιτεκτονικών. Αν και οι αρχές που διέπουν τις συγκεκριμένες μεθοδολογίες είναι καθολικές, εντούτοις στα πλαίσια της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής εφαρμόζονται προκειμένου να βελτιστοποιηθεί ο βασικός εκπρόσωπος αυτής της κατηγορίας υλικού, το FPGA (Field-Programmable Gate Array). Πιο συγκεκριμένα, στα πλαίσια της παρούσας Διατριβής έχει αναπτυχθεί μια επαναδιαμορφούμενη αρχιτεκτονική, η οποία χαρακτηρίζεται από μειωμένες απαιτήσεις κατανάλωσης ισχύος/ενέργειας, χωρίς όμως να παρατηρούνται επιπτώσεις στις τιμές άλλων σχεδιαστικών παραμέτρων (π.χ. καθυστέρηση, απαιτήσεις για επιφάνεια πυριτίου, κτλ.) σε σχέση με τις αντίστοιχες προσεγγίσεις της βιβλιογραφίας. Εξίσου σημαντικό πρόβλημα με τον σχεδίασμά μιας αποτελεσματικής αρχιτεκτονικής, θεωρείται πως είναι και η ανάπτυξη των αλγορίθμων και των εργαλείων CAD, τα οποία αξιοποιούν στον έπακρο τις ιδιαιτερότητες/χαρακτηριστικά που προσφέρει η εκάστοτε επαναδιαμορφούμενη αρχιτεκτονική. Για το σκοπό αυτό, στα πλαίσια της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής έχει επιπλέον αναπτυχθεί και μια ολοκληρωμένη σχεδιαστική ροή εργαλείων CAD, η οποία απευθύνεται σε FPGA. Στηριζόμενοι σε υπάρχουσες μελέτες, οι οποίες συγκρίνουν την αποτελεσματικότητα υλοποίησης των ψηφιακών εφαρμογών σε εναλλακτικές αρχιτεκτονικές, καθίσταται προφανές πως τα FPGA αν και προσφέρουν καλύτερες επιδόσεις συγκρινόμενα με τους επεξεργαστές γενικού (CPU) και ειδικού (DSP) σκοπού, εντούτοις υπολείπονται σημαντικά εκείνων των υλικών ειδικού σκοπού (ASIC). Μία από τις αιτίες αυτού είναι και το δίκτυο διασύνδεσης τους, το οποίο καταλαμβάνει περίπου το 80% της συνολικής επιφάνειας, ενώ καταναλώνει το 85% της δαπανώμενης ενέργειας. Λαμβάνοντας επιπλέον υπόψη πως οι πόροι διασύνδεσης δεν αξιοποιούνται πλήρως και ομοιόμορφα κατά μήκος της επαναδιαμορφούμενης αρχιτεκτονικής, συμπεραίνουμε πως απαιτείται ένας πιο προσεκτικός σχεδιασμός αυτών. Για την αντιμετώπιση του συγκεκριμένου προβλήματος, στα πλαίσια της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής προτείνεται μια σχεδιαστική μεθοδολογία για την ανάπτυξη ετερογενών δικτύων διασύνδεσης, τα οποία ανταποκρίνονται καλύτερα τόσο στις απαιτήσεις των χρησιμοποιούμενων αλγορίθμων υποστήριξης (π.χ. placement and routing), όσο και στις κατηγορίες των εφαρμογών (π.χ. multimedia, DSP, κτλ.) που υλοποιούνται στο FPGA. Οι αυξημένες τιμές κατανάλωσης ισχύος/ενέργειας που εμφανίζουν οι επαναδιαμορφούμενες αρχιτεκτονικές, μεταξύ των άλλων επηρεάζουν και την εμφανιζόμενη θερμοκρασία που αναπτύσσεται κατά τη διάρκεια λειτουργίας των τελευταίων. Το συγκεκριμένο θέμα προσφάτως έχει χαρακτηριστεί από τη βιομηχανία ανάπτυξης επαναδιαμορφούμενων αρχιτεκτονικών ως ένα από τα σημαντικότερα προβλήματα, το οποίο χρήζει άμεσης αντιμετώπισης. Μάλιστα το πρόβλημα αυτό καθίσταται ακόμη εντονότερο από το αντίστοιχο που παρατηρείται στις συσκευές ASIC, λόγω της αυξημένης πυκνότητας ισχύος που εμφανίζουν τα FPGA. Μεταξύ των προβλημάτων που ενδέχεται να ανακύψουν από τα υψηλά επίπεδα θερμοκρασίας είναι ο περιορισμός της αξιοπιστίας, καθώς και η μείωση του χρόνου ζωής. Για την αντιμετώπιση του συγκεκριμένου προβλήματος στα πλαίσια της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής προτείνεται μια νέα μεθοδολογία διαχείρισης της εμφανιζόμενης θερμοκρασίας, η οποία εγγυάται αρχικά τον περιορισμό των μέγιστων τιμών αυτής, και εν συνεχεία την ομοιόμορφη κατανομή της σε ολόκληρη την επιφάνεια της αρχιτεκτονικής. Παρά τα μειονεκτήματα που εμφανίζουν οι επαναδιαμορφούμενες αρχιτεκτονικές σε σχέση με τις αντίστοιχες υλοποιήσεις σε ASIC, αυτές παρουσιάζουν ένα συγκριτικό πλεονέκτημα σύμφωνα με το οποίο επιτρέπεται η υλοποίηση οποιασδήποτε εφαρμογής. Πιο συγκεκριμένα, η παρεχόμενη δυνατότητα για εύκολη και γρήγορη τροποποίηση του συνόλου (ή τμήματος) ενός ψηφιακού σχεδιασμού τις καθιστά κατάλληλες για την γρήγορη ανάπτυξη τελικών προϊόντων, τα οποία παράλληλα χαρακτηρίζονται από μειωμένο κόστος σχεδιασμού. Πρέπει όμως να σημειωθεί πως προκειμένου η δυνατότητα αυτή να αξιοποιείται στο έπακρο, απαιτούνται εργαλεία CAD, τα οποία θα διαχειρίζονται αποτελεσματικά όλες τις παραμέτρους που η συγκεκριμένη διαδικασία εισάγει. Για το σκοπό αυτό, στα πλαίσια της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής προτείνεται μια μεθοδολογία υπολογισμού της πληροφορίας προγραμματισμού επαναδιαμορφούμενων αρχιτεκτονικών, η οποία είναι ανεξάρτητη της επαναδιαμορφούμενης αρχιτεκτονικής, ενώ παράλληλα υποστηρίζει ένα πλήθος δυνατοτήτων (π.χ. μερική, δυναμική, κατά τη διάρκεια λειτουργίας, κτλ.) που επιτρέπουν την αποτελεσματικότερη υλοποίηση των εφαρμογών. Το τελευταίο θέμα που μελετάται στην παρούσα Διδακτορική Διατριβή αφορά την ανάπτυξη μιας σχεδιαστικής μεθοδολογίας, καθώς και των συνοδευτικών εργαλείων CAD υποστήριξης αυτής, τα οποία μπορεί να προσφέρουν συγκριτικά αυξημένες επιδόσεις. Πιο αναλυτικά, προκειμένου να υλοποιηθούν οι σύγχρονες ψηφιακές εφαρμογές απαιτείται αυξημένη σχεδιαστική πολυπλοκότητα, η οποία συχνά επιτυγχάνεται με την ολοκλήρωση ολοένα και περισσότερων στοιχείων λογικής πάνω στο ίδιο chip. Αποτέλεσμα της συγκεκριμένης τάσης είναι η περαιτέρω επιδείνωση των προβλημάτων που οφείλονται στα μεγάλα μήκη καλωδίωσης. Ο περιορισμός αυτός έχει στρέψει τις εταιρείες που δραστηριοποιούνται στο σχεδιασμό και την κατασκευή αρχιτεκτονικών να προσανατολιστούν σε διαφορετικές τεχνολογίες ολοκλήρωσης, πέρα από τη συμβατική CMOS, μιας και η διαρκής κλιμάκωση των διαστάσεων σχεδιασμού έχει σχεδόν αγγίξει τα κατασκευαστικά όρια του πυριτίου. Μια από τις λύσεις στο συγκεκριμένο πρόβλημα αναμένεται να δοθεί μέσω της ολοκλήρωσης κατά την τρίτη διάσταση, η οποία εκτιμάται πως στα επόμενα χρόνια θα αποτελεί την βασική τεχνολογία σχεδιασμού/κατασκευής ψηφιακών κυκλωμάτων. Παρά τα συγκριτικά πλεονεκτήματα όμως που προσφέρει η συγκεκριμένη τεχνολογία, μέχρι στιγμής δεν υπάρχουν εργαλεία CAD τα οποία είναι σε θέση να ποσοτικοποιήσουν τα σχεδιαστικά οφέλη. Για το σκοπό αυτό, στα πλαίσια της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής έχει αναπτυχθεί ένα ολοκληρωμένο σχεδιαστικά περιβάλλον το οποίο απευθύνεται σε 3Δ επαναδιαμορφούμενες αρχιτεκτονικές, το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί είτε για την διερεύνηση εναλλακτικών αρχιτεκτονικών, είτε για την υλοποίηση εφαρμογών σ’ αυτές.