Document details

Synthesis of FPGA-based accelerators implementing recursive algorithms

Author(s): Pimentel, Bruno Figueiredo cv logo 1

Date: 2009

Persistent ID: http://hdl.handle.net/10773/2226

Origin: RIA - Repositório Institucional da Universidade de Aveiro

Subject(s): Engenharia informática; Algoritmos de computação; Design de sistemas; Campo lógico programável; Funções recursivas


Description
O desenvolvimento de sistemas computacionais é um processo complexo, com múltiplas etapas, que requer uma análise profunda do problema, levando em consideração as limitações e os requisitos aplicáveis. Tal tarefa envolve a exploração de técnicas alternativas e de algoritmos computacionais para optimizar o sistema e satisfazer os requisitos estabelecidos. Neste contexto, uma das mais importantes etapas é a análise e implementação de algoritmos computacionais. Enormes avanços tecnológicos no âmbito das FPGAs (Field-Programmable Gate Arrays) tornaram possível o desenvolvimento de sistemas de engenharia extremamente complexos. Contudo, o número de transístores disponíveis por chip está a crescer mais rapidamente do que a capacidade que temos para desenvolver sistemas que tirem proveito desse crescimento. Esta limitação já bem conhecida, antes de se revelar com FPGAs, já se verificava com ASICs (Application-Specific Integrated Circuits) e tem vindo a aumentar continuamente. O desenvolvimento de sistemas com base em FPGAs de alta capacidade envolve uma grande variedade de ferramentas, incluindo métodos para a implementação eficiente de algoritmos computacionais. Esta tese pretende proporcionar uma contribuição nesta área, tirando partido da reutilização, do aumento do nível de abstracção e de especificações algorítmicas mais automatizadas e claras. Mais especificamente, é apresentado um estudo que foi levado a cabo no sentido de obter critérios relativos à implementação em hardware de algoritmos recursivos versus iterativos. Depois de serem apresentadas algumas das estratégias para implementar recursividade em hardware mais significativas, descreve-se, em pormenor, um conjunto de algoritmos para resolver problemas de pesquisa combinatória (considerados enquanto exemplos de aplicação). Versões recursivas e iterativas destes algoritmos foram implementados e testados em FPGA. Com base nos resultados obtidos, é feita uma cuidada análise comparativa. Novas ferramentas e técnicas de investigação que foram desenvolvidas no âmbito desta tese são também discutidas e demonstradas. ABSTRACT: Design of computational systems is a complex multistage process which requires a deep analysis of the problem, taking into account relevant limitations and constraints as well as software/hardware co-design. Such task involves exploring competitive techniques and computational algorithms, enabling the system to be optimized while satisfying given requirements. In this context, one of the most important stages is analysis and implementation of computational algorithms. Tremendous progress in the scope of FPGA (Field-Programmable Gate Array) technology has made it possible to design very complicated engineering systems. However, the number of available transistors grows faster than the ability to meaningfully design with them. This situation is a well known design productivity gap, which was inherited by FPGA from ASIC (Application-Specific Integrated Circuit) and which is increasing continuously. Developing engineering systems on the basis of high capacity FPGAs involves a wide variety of design tools, including methods for efficient implementation of computational algorithms. The thesis is intended to provide a contribution in this area by aiming at reuse, high level abstraction, automation, and clearness of algorithmic specifications. More specifically, it presents research studies which have been carried out in order to obtain criteria regarding implementation of recursive vs. iterative algorithms in hardware. After describing some of the most relevant strategies for implementing recursion in hardware, a selection of algorithms for solving combinatorial search problems (considered as application examples) are also described in detail. Iterative and recursive versions of these algorithms have been implemented and tested in FPGA. Taking into consideration the results obtained, a careful comparative analysis is given. New research-oriented tools and techniques for hardware design which have been developed in the scope of this thesis are also discussed and demonstrated. Doutoramento em Engenharia Informática
Document Type Doctoral Thesis
Language English
Advisor(s) Skliarov, Valeri Anatolevitch; Skliarova, Iouliia
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