FPGA enabled heterogeneous system simulation for early design space exploration

Abstract

Arquiteturas de Sistemas Heterogêneos usualmente incluem CPUs e GPUs como elementos de processamento habilitando oportunidades de otimização no tempo de execução, energia consumida, utilização de recursos e desempenho. Em comparação ao projeto de sistemas homogêneos, novos desafios surgem com a heterogeneidade, sendo estes potencializados pela inclusão de aceleradores de hardware como FPGAs. Este trabalho apresenta uma infraestrutura de Modelagem e Simulação em alto nível para a Exploração Precoce do Espaço de Projeto de sistemas heterogêneos habilitados para incluir dispositivos FPGA. Tais dispositivos podem ser particionados em Regiões Parcialmente Reconfiguráveis (PRR) que, por sua vez, podem passar por Reconfiguração Dinâmica e Parcial (DPR). Considerando esses aspectos, a metodologia inclui o fluxo de modelagem e a geração automática de hardware necessários às anotações dos modelos de simulação. FEHetSS é um simulador de sistemas heterogêneos habilitado para FPGAs que fornece suporte à tomada de decisão em estágios iniciais de projeto, sendo este detalhado em relação a sua estrutura, modelos e fluxo de simulação. Nas simulações são consideradas as latências das tarefas de aplicação e aquelas referentes às reconfigurações, assim como o consumo energético e utilização de recursos do sistema. Estudos de caso demonstram as capacidades da infraestrutura. Primeiro, foram criados modelos de sistemas heterogêneos para simulação via FEHetSS atuando como uma ferramenta de avaliação na exploração precoce do espaço de projeto. Segundo, foram concebidos diferentes modelos de hardware para o kernel de uma aplicação exemplo, sendo estes submetidos ao FEHetSS para a avaliação do projeto em uma perspectiva holística do sistema. Terceiro, foram definidos parâmetros de busca restringindo o espaço de projeto para exploração exaustiva com FEHetSS. Por último, FEHetSS foi integrado em um ambiente gerenciado por heurística de otimização visando a exploração baseada em parâmetros do espaço de projeto. Os resultados e respectivas análises demonstraram as potencialidades da infraestrutura na modelagem e simulação de sistemas heterogêneos habilitados para FPGAs dinamicamente reconfiguráveis e particionados em PRRs.