Lina: uma ferramenta de otimização de projeto para programação de FPGAs baseada em software

Autor(es)

Andre Bannwart Perina

• Tipo de documento: Tese de Doutorado
• Imprenta: São Carlos.
• Instituição: Universidade de São Paulo (USP). Instituto de Ciências Matemáticas e de Computação (ICMC/SB)
• Data de defesa: 2022-06-13

Membros da banca

Vanderlei Bonato; João Manuel Paiva Cardoso; Ricardo dos Santos Ferreira; Nadia Nedjah

• Orientador: Vanderlei Bonato

Resumo

A contínua jornada da indústria de semicondutores levou ao desenvolvimento de diversas arquiteturas alternativas para uma computação eficiente. Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs) e Graphics Processing Units (GPUs) são exemplos de dispositivos utilizados para acelerar aplicações. FPGAs são capazes de oferecer um paralelismo massivo para tarefas adequadas quando apropriadamente programados. No entanto, projetar para FPGA não é trivial e requer um conhecimento específico que foge do desenvolvimento usual em software. Como uma alternativa buscando aumentar a programabilidade, ferramentas de Síntese de Alto Nível (do inglês High-Level Synthesis, ou HLS) permitem o uso de linguagens de alto-nível como C/C++/OpenCL para programar FPGAs. No entanto, experimentos preliminares e outros estudos na literatura demonstram que ainda são necessárias diversas modificações no código de alto nível para que os resultados sejam minimamente aceitáveis. Tal aspecto mitiga a democratização e simplificação propostas pelas ferramentas HLS. A contribuição principal desta tese considera C/C++ como linguagem de entrada HLS, e é composta por uma ferramenta de exploração de espaço de projeto acoplada à um estimador denominado Lina. Baseado no estimador Lin-analyzer, Lina usa a execução instrumentada de um código em alto-nível para aproximar o método de compilação do Vivado HLS, um compilador HLS C/C++ para FPGAs da Xilinx. Para um dado kernel C/C++, Lina calcula uma rápida estimativa para métricas de tempo de execução e recursos de FPGA ocupados. Junto com diretivas de otimização usadas pelo compilador HLS que o Lina também suporta, a metodologia aqui proposta permite a otimização não apenas do tempo de execução, mas também de recursos lógicos de FPGA. Considerando 16 kernels C/C++ do benchmark PolyBench, as soluções estimadas como ótimas pelo Lina estiveram dentro de 1% das melhores opções consideradas. Uma média de 14-16× de speedup de performance foi atingida, o que representa 70% do valor máximo alcançável considerando os espaços de projeto explorados. Adicionalmente, Lina suporta a exploração de transações com memórias off-chip em busca de otimizações como coalescência, empacotamento de dados, ou até informar sobre potenciais limitações do compilador HLS que possam degradar a performance. (AU)

• Processo FAPESP: 16/18937-7 - Ferramenta para exploração do espaço de projeto para arquiteturas heterogêneas de FPGAs e GPUs com foco em consumo de energia
• Beneficiário: Andre Bannwart Perina
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Doutorado Direto