Entwurf, modellgestützte Exploration und Optimierung einer heterogenen FPGA-basierten Architektur zur Bildmerkmalsextraktion

Julian Hartig

Abstract: Die Architekturoptimierung in einem Entwurfsraum mit vielen Parametern stellt den Designer eines eingebetteten Systems immer wieder vor beträchtliche Herausforderungen. Ein systematisches Vorgehen während der Entwurfsraumexploration ist von essentieller Bedeutung und Gegenstand der Forschung auf diesem Gebiet. Insbesondere die bestehende Heterogenität der Systeme mit unterschiedlichen Architekturblöcken, wechselnden und anspruchsvollen Anwendungen sowie dynamischen Performance-Anforderungen erhöhen die Designkomplexität, was das Erreichen einer optimalen Systemrealisierung erschwert. Aufgrund der Größe des sich ergebenden Entwurfsraums lässt sich in der Realität nicht jede Parameterkombination tatsächlich implementieren. Das realistische Durchsuchen des Architekturentwurfsraums nach optimalen Designvarianten wird nur durch Abstraktion möglich, d. h. einer Systembetrachtung auf höheren Entwurfsebenen mithilfe geeigneter Modellbeschreibungen. Durch eine parametrisierte Modellierung eines Architekturblocks lässt sich auch ohne direkte, prototypische Realisierung und für einen bestimmten Parametersatz dieses Blocks eine Bewertung vornehmen. Derartige Methoden, die sich eine Architekturmodellierung zu Optimierungszwecken zu Nutze machen, haben für die Praxis höchste Relevanz. Im Rahmen dieser Arbeit wurde daher eine Methodik zur modellgestützten Exploration und Optimierung einer heterogenen FPGA-Architektur entwickelt und demonstriert. Die betrachtete Anwendung in diesem Kontext bildet die Bildverarbeitung, daher besteht die Architektur aus einem VLIW-Prozessor mit angekoppeltem dediziertem Beschleuniger, was einen typischen Aufbau für Algorithmen aus diesem Feld darstellt. Der verwendete Algorithmus Scale-Invariant Feature Transform (SIFT) ist dabei eine klassische, sehr komplexe Variante aus dem Feld der Bildmerkmalsextraktion mit hoher algorithmischer Qualität bei gleichzeitigem großem Rechenleistungs- und Speicherbedarf. Die Exploration des Architekturentwurfsraums erfolgt anhand einer Kombination aus prototypischen Implementierungen und Auswertungen von analytischen Modellgleichun- gen. Neben einem architekturbasierten Laufzeitmodell wurde ein regressionsbasiertes Verlustleistungsmodell erarbeitet. Durch die modellgestützte Auswertung von Designva- rianten können Teile des Entwurfsraums detaillierter betrachtet werden, als dies rein prototypisch oder simulativ möglich wäre. Mit der Architekturoptimierung können der Energiebedarf pro Bild und die dabei entstehende Verlustleistung bei gleichzeitig steigen- dem Durchsatz und moderatem Ressourcenzuwachs gesenkt werden. Zudem wird durch dynamische Anpassung der Taktfrequenzen des Beschleunigers und des VLIW-Prozessors auf Basis von durch die Modelle bestimmten Parametersätzen weiteres Optimierungspo- tential aufgezeigt. Es kann in dieser Arbeit gezeigt werden, dass das demonstrierte, methodische Vorgehen einen strukturierten Weg zur Exploration des Entwurfsraums einer Architektur und dessen Optimierung bildet. Der entwickelte Modellierungsansatz bietet dabei eine konzeptionelle Grundlage für weitere Anwendungen und Architekturen.