Μεθοδολογίες ταχείας εικονικής προτυποποίησης και αυτοματοποιημένης εξερεύνησης χώρου σχεδιασμού για συστήματα πολλαπλών συνεπεξεργαστών υλικού
Authors: Σωτηρίου-Ξανθόπουλος Ευστάθιος 
Published: August 2021

Η αυξανόμενη πολυπλοκότητα σχεδίασης των σύγχρονων ενσωματωμένων συστημάτων και η ανάγκη για αύξηση της ταχύτητας με ταυτόχρονη μείωση της κατανάλωσης ενέργειας έχουν οδηγήσει σε νέες τεχνικές σχεδιασμού, οι οποίες αφενός στοχεύουν στη γεφύρωση του χάσματος μεταξύ της σχεδιαστικής πολυπλοκότητας και της παραγωγικότητας του σχεδιαστή, αφετέρου διευκολύνουν την εύρεση βέλτιστων σχεδιαστικών λύσεων. Στην πρώτη κατηγορία, η Εικονική Προτυποποίηση επιτρέπει τη μοντελοποίηση και προσομοίωση του υπό σχεδιασμό συστήματος, χωρίς την ανάγκη συσκευών υλικού, σε πολλαπλά επίπεδα αφαίρεσης, όπου παραλείπονται αρχιτεκτονικές λεπτομέρειες για τη μείωση της πολυπλοκότητας. Στη δεύτερη κατηγορία, η αυτοματοποιημένη Εξερεύνηση Χώρου Σχεδιασμού χρησιμοποιεί αλγορίθμους, οι οποίοι στοχεύουν στην εύρεση βέλτιστων σχεδιαστικών λύσεων, αποφεύγοντας τη χρονοβόρα (και πολλές φορές αδύνατη) εξαντλητική εξερεύνηση του χώρου σχεδιασμού. Ωστόσο λόγω της ανάγκης για ταχύτερη εικονική προτυποποίηση καθώς και της ύπαρξης νέων αρχιτεκτονικών για ετερογενή συστήματα και μέσα διασύνδεσης των αρχιτεκτονικών στοιχείων απαιτώνται αποδοτικότερες τεχνικές προσομοίωσης ή/και συν-προσομοίωσης με άλλα περιβάλλοντα αλλά και μεθοδολογίες εξερεύνησης χώρων σχεδιασμού αυξημένης πολυπλοκότητας. Προς την κατεύθυνση αυτή στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι (α) η πρόταση αποδοτικών τεχνικών προσομοίωσης που κυρίως στοχεύουν στην ταχύτερη αλλά και ακριβή αξιολόγηση του συστήματος, υποστηρίζοντας επίσης την συν-προσομοίωση με άλλες πλατφόρμες, και (β) η παρουσίαση διαδικασιών εξερεύνησης για χώρους σχεδιασμού αυξημένης πολυπλοκότητας, οι οποίες ανταποκρίνονται στις σχεδιαστικές ανάγκες των σύγχρονων συστημάτων. Στην πρώτη περίπτωση, μία από τις προτεινόμενες τεχνικές προσομοίωσης εισηγείται την αποφυγή μη παραγωγικών φάσεων της προσομοίωσης, ώστε να μη σπαταλάται πολύτιμος χρόνος κατά την αξιολόγηση του συστήματος. Μία ακόμη τεχνική ταχείας προσομοίωσης είναι η ταυτόχρονη αξιολόγηση πολλών σχεδιαστικών λύσεων κατά τη διάρκεια μίας προσομοίωσης παρέχοντας αυξημένη παραλληλοποίηση κατά τη διάρκεια της διαδικασίας εξερεύνησης. Επίσης η παρουσίαση τεχνικών συν-προσομοίωσης με τον υπολογιστή υποδοχής ή/και πλατφόρμα πραγματικού υλικού δίνει ακόμη περισσότερες δυνατότητες αποδοτικής προτυποποίησης του συστήματος. Στις παραπάνω τεχνικές σημαντική είναι η ακριβής προσομοίωση του συστήματος ακόμα και σε ανώτερα επίπεδα αφαίρεσης. Προς την κατεύθυνση αυτή οι συνεπεξεργαστές υλικού χαρακτηρίζονται ως προς την καθυστέρηση, το μέγεθος και την ισχύ μέσω Σύνθεσης Υψηλού Επιπέδου, ενώ εισάγεται και μία τεχνική χαρακτηρισμού ισχύος για Κεντρικές Μονάδες Επεξεργασίας, χωρίς να απαιτώνται οι πλήρεις αρχιτεκτονικές λεπτομέρειες των επεξεργαστών. Στη δεύτερη περίπτωση προτείνεται μία μεθοδολογία εξερεύνησης για ετερογενή συστήματα πολλαπλών συνεπεξεργαστών υλικού, η οποία εφαρμόζει διαφορετική διαμόρφωση για κάθε συνεπεξεργαστή ανάλογα με τις υπολογιστικές του ανάγκες. Επειδή όμως η πολυπλοκότητα σχεδιασμού αυξάνεται εκθετικά, η προτεινόμενη μεθοδολογία χρησιμοποιεί τεχνικές για τη μείωση του χώρου σχεδιασμού στοχεύοντας στην εύρεση ποιοτικότερων σχεδιαστικών λύσεων. Παρόμοια μεθοδολογία εξερεύνησης προτείνεται και για την αποδοτική εξερεύνηση Ιεραρχικών Συστημάτων-σε-Ψηφίδα, δηλαδή δίκτυα των οποίων οι κόμβοι είναι υπο-δίκτυα, καθένα από τα οποία έχει διαφορετική διαμόρφωση ανάλογα με τις επικοινωνιακές ανάγκες του. Και σε αυτή την περίπτωση ο αυξημένος χώρος σχεδιασμού μειώνεται για το σχεδιασμό αποδοτικότερων δικτύων. Τέλος παρουσιάζεται μία διαδικασία εξερεύνησης και υλοποίησης για ετερογενή τρισδιάστατα Δίκτυα-σε-Ψηφίδα, τα οποία χρησιμοποιούν ένα μείγμα από δισδιάστατους και τρισδιάστατους δρομολογητές. Κατά τη διαδικασία αυτή αποφασίζεται το ποιες κάθετες συνδέσεις μεταξύ των επιπέδων θα αφαιρεθούν, καθώς και το πώς τα στοιχεία του τελικού συστήματος θα τοποθετηθούν στα επίπεδα της τρισδιάστατης ψηφίδας. Και στις δύο αποφάσεις απαίτηση είναι η βελτίωση της ταχύτητας και η μείωση της κατανάλωσης ισχύος. Η αποδοτικότητα των προτεινόμενων μεθοδολογιών μελετάται μέσω ποιοτικών και ποσοτικών συγκρίσεων με τυπικές τεχνικές προσομοίωσης και εξερεύνησης, με τη χρήση πλήρως ανεπτυγμένων αλγορίθμων τόσο για πολυμέσα και επεξεργασία ψηφιακού σήματος όσο και για ιατρικές εφαρμογές. Σε κάθε περίπτωση οι προτεινόμενες μεθοδολογίες αποτελούν μία σημαντική συνεισφορά στον τομέα του αποδοτικού σχεδιασμού σύγχρονων ενσωματωμένων συστημάτων.