Coarse Grain Reconfigurable Architectures

Report
60 Semester Informatik I
viewgraph downloading:
link found in
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Festkolloquium
Universität Dortmund,
18. – 19. Juli 2002
Reiner Hartenstein
Universität
Kaiserslautern
Data-Stream-based Computing:
Antimaterie der Kern-Informatik
Xputer Lab
University of Kaiserslautern
Kritik an der Praktischen Informatik
(in der Lehre)
• mißbraucht ihre Zweidrittel-Mehrheit
• hält die Prägungsphase strikt „procedural-only“
• Absolventen sind daher völlig unvorbereitet für
die nahe Zukunft
– Wo >90% der Anwendungen für eingebettete
Systeme implementiert werden
– Wie für 2010 vorhergesagt
• nur wenige % des Kurrikulum wären zu ändern
• meine Mission:
© 2002, [email protected]
Sie hierfür zu gewinnen
2
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Xputer Lab
University of Kaiserslautern
Kritik an der Technischen Informatik, TI
(klassischer Art)
• diese ist noch immer weit verbreitet
• keine Vorbereitung auf die heutige Arbeitswelt
• Indizien: Begriffe wie „Rechnerorganisation“,
„Rechnerstrukturen, “„Rechnerarchitektur“
• vN-only, alles andere wird konsequent verschwiegen
• Paradebeispiel: renommierte IEEE ISCA Serie
• TI muß auf die Realitäten der Mikroelektronik und der
eingebetteten Systeme vorbereiten
• andernfalls werden unsere Absolventen den Wettbewerb
mit E-Technikern nicht bestehen
© 2002, [email protected]
3
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Xputer Lab
die Kern-Informatik: jung ? dynamisch ?
University of Kaiserslautern
das von Neumann
Paradigma ....
... noch immer
die vorherrschende
Doktrin
die Mikroelektronik
wird ignoriert (außer dem
Kostenverfall der Rechenleistung)
.. ist nach >10 Technologie-Generationen ...
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
die Grundmodelle seit
der Zeit der MainframeDinosaurier sind
praktisch unverändert
© 2002, [email protected]
1th
2nd
3rd
4th
5th
6th
7th
8th
9th
10th
11th
4004
... der vN Mikroprozessor
8008
ist ein Methusalem ...
8086
80286
80386
... die Dampfmaschine
80486
des Silizium-Zeitalters
P5 (Pentium)
P6 (Pentium Pro / Pentium II)
Pentium III
....
4
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Dead Supercomputer Society
[Gordon Bell, keynote, ISCA 2000].
Xputer Lab
University of Kaiserslautern
•ACRI
•Alliant
•American
Supercomputer
•Ametek
•Applied Dynamics
•Astronautics
•BBN
•CDC
•Convex
•Cray Computer
•Cray Research
•Culler-Harris
•Culler Scientific
•Cydrome
•Dana/Ardent/
Stellar/Stardent
•DAPP
•Denelcor
•Elexsi
•ETA Systems
•Evans and Sutherland
•Computer
•Floating Point Systems
•Galaxy YH-1
•Goodyear Aerospace MPP
•Gould NPL
•Guiltech
•ICL
•Intel Scientific Computers
•International Parallel
.
Machines
•Kendall Square Research
•Key Computer Laboratories
© 2002, [email protected]
5
•MasPar
•Meiko
•Multiflow
•Myrias
•Numerix
•Prisma
•Tera
•Thinking Machines
•Saxpy
•Scientific Computer
•Systems (SCS)
•Soviet Supercomputers
•Supertek
•Supercomputer Systems
•Suprenum
•Vitesse Electronics
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Xputer Lab
Scheuklappen der Technischen Informatik
University of Kaiserslautern
die DatenflußMaschine ist tot
vN Parallelität:
Resignation?
VerbindungsGeflechte:
aufgegriffen von
der Opposition:
© 2002, [email protected]
6
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Xputer Lab
Data-Stream-based Computing
University of Kaiserslautern
• Reconfigurable Computing: ursprünglich
die treibende Kraft
• fest verdrahtete Umgebungen holen auf
• Nicht nur dadurch: von der Nische
zur Hauptrichtung
© 2002, [email protected]
7
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>> Gliederung
Xputer Lab
University of Kaiserslautern
• Einleitung
• Das CPU Maschinen Paradigma
• DPU & DPA : Antimaterie der Informatik
• Reconfigurable Computing
• Dominanz der Eingebetteten Systeme
http://www.uni-kl.de
© 2002, [email protected]
8
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Eine völlig neue Art von „Software“
Xputer Lab
University of Kaiserslautern
• .... für die Anti Maschine
• völlig neue Grundlagen
• nicht „von Neumann“
• für typische Informatiker verwirrend
• unsere Kurrikula sind unvorbereitet
• besser ein neuer Terminus:
• >>>> Configware <<<<
• wie ordnen wir das ein – in unsere Welt?
• ... in die Geschichte der Halbleiter-Anwendung
© 2002, [email protected]
9
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Halbleiter Revolutionen
Xputer Lab
University of Kaiserslautern
Standard
TTL
1957
custom
“Mainstream Silicon Application
is switching every 10 Years”
“The Programmable System-on-a-Chip
is the next wave“
fest verdrahtet
1967
prozedurale Programmierung
µproc.,
memory
LSI,
MSI
strukturelle Programmierung
2007
1987
ASICs,
accel’s
1977
1997
algorithm: fixed
algorithm: variable
algorithm: variable
resources: fixed
resources: fixed
resources: variable
vN MaschinenTredennick’s
Paradigma
Paradigm Shifts
© 2002, [email protected]
10
Anti MaschinenParadigma
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Xputer Lab
Impact of Makimoto’s wave
University of Kaiserslautern
Software Industry’s
Secret of Success
Personalization
(CAD) before
fabrication
standard
1967
1957
custom
Repeat Success Story by
Anti Machine Paradigm !
Procedural
personalization
via RAM-based vN
Machine Paradigm
µproc.,
memory
TTL
LSI,
MSI
© 2002, [email protected]
Configware
Industry
structural
personalization:
RAM-based
before run time
2007
1987
1977
11
ASICs,
accel’s
1997
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Xputer Lab
Was sind die Unterschiede ?
University of Kaiserslautern
vN* Computing:
• computing in time
• instruction fetch
at run time
Reconfigurable Computing:
• computing in space and time
• “instruction” fetch at compile time
• 1.) strukturelle Programmierung
• instruction scheduling • 2.) sodann: data scheduling
• also Daten-Strom-basiert
• auch fest verdrahtete Implementierungen
*) vN steht für “von Neumann”
© 2002, [email protected]
• z.B. Bee Projekt von Prof. Broderson
12
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Markt für reconfigurierbare Halbleiter
Xputer Lab
University of Kaiserslautern
feinkörnig:
grobkörnig:
Lattice
15%
cLBs, rLBs:
konfigurierbare
rDPUs: konfigurierbare Logik-Blöcke
Altera
Funktionsblöcke
37%
PACT AG, München
http://pactcorp.com
Quicksilver, San Jose
http://quicksilver-tech.com
© 2002, [email protected]
Actel
6%
Xilinx
42%
total: $3.7 Bio
Top 4 PLD Manufacturers 2000
• [Dataquest] > $7 billion in 2003.
• das am schnellsten wachsende
Halbleiter Marktsegment
• PLD Anbieter und deren Allianzen
schaffen Bibliotheken von “soft IPs”
13
Configware Markt
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Xputer
LabLab
Xputer
Reconfigurable goes mainstream
University of Kaiserslautern
University of Kaiserslautern
Themen aufgegriffen d. Kongresse: ASP-DAC, DAC, DATE, ISCAS ....
• FCCM, FPGA (gegründet 1992), and FPL (gegründet 1991 in Oxford, UK):
International Conference on Field-Programmable Logic and Applications
• FPL 2002, La Grande Motte
(Montpellier, France), 2. – 4. Sept.
http://fpl.org
FPL 2002: 214 Einreichungen –
gg. 2001 ein Zuwachs um 83%
© 2002, [email protected]
© 2001, [email protected]
14
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http://KressArray.de
Xputer Lab
DATE 2003 in München: special day ....
University of Kaiserslautern
•.... special day on Reconfigurable Computing
•deadline: Sept. 8, 2002
•http://www.date-conference.com
© 2002, [email protected]
15
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Anti Partikel
Xputer Lab
University of Kaiserslautern
“im Universum muß es Regionen
von Anti Materie geben …
• 1928: Paul Dirac: „es muß ein Anti Elektron geben
mit positiver Ladung“ (Nobel Preis 1933)
• 1932: Carl David Anderson entdeckt dieses
„Positron“ in Höhenstrahlung (Nobel Preis 1936)
Wasserstoff
.... aber es gibt
Asymmetrien”
Anti Wasserstoff
• 1954: neue Beschleuniger: Zyklotron,
wie Berkeley‘s Bevatron
• 1955 Owen Chamberlain et al.
erzeugen Anti Proton auf Bevatron
• 1956: Anti Neutron erzeugt auf Bevatron
• 1965: Schaffung eines Deuterium
Anti Kern bei CERN
• 1995: Wasserstoff Anti Atom erzeugt bei
CERN – durch Erzwingung der
Verschmelzung von Positron und Anti
Proton bei sehr niedriger Energie.
© 2002, [email protected]
16
http://KressArray.de
Materie & Antimaterie: Atom and Anti Atom
Xputer Lab
University of Kaiserslautern
-
+
Anti Materie Maschinen Paradigma:
Anti Atom
die Welt der Materie Maschinen Paradigma:
das Atom
© 2002, [email protected]
17
+
http://KressArray.de
Xputer Lab
University of Kaiserslautern
Materie & Antimaterie der Informatik :
Maschine und Anti Maschine
Anti Maschinen Paradigma
CPU
-
+
Daten-prozedural
1936
1946
1971
1979
1990
1995
erster elektronischer Computer (Konrad Zuse)
v. N. Maschinen Paradigma
erster Mikroprozessor (Ted Hoff)
„data streams“ (systolische Arrays: Kung / Leiserson ...)
Anti Maschinen Paradigma publiziert in Japan
rDPA / DPSS (supersystolisch: Rainer Kress)
DPU
Maschinen Paradigma:
„von Neumann“
© 2002, [email protected]
+
18
-
http://KressArray.de
>> Das CPU Maschinen Paradigma
Xputer Lab
University of Kaiserslautern
• Einleitung
• Das CPU Maschinen Paradigma
• DPU & DPA : Antimaterie der Informatik
• Reconfigurable Computing
• Dominanz der Eingebetteten Systeme
http://www.uni-kl.de
© 2002, [email protected]
19
http://KressArray.de
Xputer Lab
University of Kaiserslautern
CPU
+
Data
Path
CPU: RAM-basiert
+ einfaches Maschinen Paradigmq
+ Skalierbarkeit
+ Verschiebbarkeit (relocatability)
+ Kompatibilität
= Erfolgsgeheimnis
der Software Industrie
RAM
instruction
sequencer
© 2002, [email protected]
20
http://KressArray.de
Xputer Lab
University of Kaiserslautern
CPU
+
das falsche problematische Materie
Maschinen- Paradigma
Central
alw. new instruction
Processing
sequencer needed
Unit
extremely
power hungry
and area
inefficient
rekonfigurierbar?
Data
Path
instruction
sequencer
© 2002, [email protected]
central
von Neumann
bottleneck
RAM
Instruction Fetch Overhead
Address Computation Overhead
21
http://KressArray.de
>>> nebenläufige Prozesse
Xputer Lab
University of Kaiserslautern
• Einleitung
• Das CPU Maschinen-Paradigma
– Concurrency (nebenläufige Prozesse)
• DPU & DPA: Antimaterie der Informatik
– DPA
• rDPA: Reconfigurable Computing
• Dominanz Eingebetteter Systeme
http://www.uni-kl.de
© 2002, [email protected]
22
http://KressArray.de
Parallelism by Concurrency
Xputer Lab
University of Kaiserslautern
independent instruction streams
+
+
-
-
© 2002, [email protected]
+
+
-
+
23
-
+
-
+
http://KressArray.de
Concurrent Computing
Xputer Lab
University of Kaiserslautern
CPU
....
extremely inefficient
Data
Path
Data
Path
Data
Path
Data
Path
Data
Path
Data
Path
instruction
sequencer
instruction
sequencer
instruction
sequencer
instruction
sequencer
instruction
sequencer
instruction
sequencer
Bus(es) or switch box
• massive switching activity at runtime
•may affect far beyond Amdahl‘s law
© 2002, [email protected]
24
http://KressArray.de
What is the trend ?
Xputer Lab
University of Kaiserslautern
• vN is needed for embedded systems,
OS, compilers, Sauerkraut software, nonperformance-critical applications, others ….
• vN is obsolete for massive parallelism,
except some special application areas
• Anti machine is the way to go for massive
parallelism, also data-intensive applications
• reconfigurable is the way for high performance
with short product life cycles, unstable standards
© 2002, [email protected]
25
http://KressArray.de
Xputer Lab
>> DPU & DPA : Antimaterie der Informatik
University of Kaiserslautern
• Einleitung
• Das CPU Maschinen Paradigma
• DPU & DPA : Antimaterie der Informatik
• Reconfigurable Computing
• Dominanz der Eingebetteten Systeme
http://www.uni-kl.de
© 2002, [email protected]
26
http://KressArray.de
Some differences: CPU versus DPU
external
RAM RAM
signal, or RAM
data
streams
scheduled
elsewhere
CPU
+
Data
Path
instruction
sequencer
data
sequencer
nothing
central
no vN bottleneck:
multiple ports
instruction fetch
not at run time:
no overhead
instruction stream
routed here
© 2002, [email protected]
27
…
data
data
sequencer
sequencer
transporttriggered
data streams
Xputer Lab
University of Kaiserslautern
DPU
-
DPU
Data
Path
Unit
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Maschinen-Paradigmen: Gegenüberstellung
Xputer Lab
University of Kaiserslautern
MaschinenKategorie
Computer
(“v. Neumann”)
Anti Maschine
(Xputer: kein transputer!)
Getrieben durch:
Befehls-Ströme
Datenströme (no “dataflow”)
operation principles instruction sequencing
Zustands-Register
der Programm-Zähler
(i. allg. mehrere) Datenzähler
at run time
at load time
resource
DPU (e.g. single ALU)
DPU or DPA (DPU array) etc.
operation
sequential
parallel pipe network etc.
communication
path set-up
data
path
data sequencing
© 2002, [email protected]
28
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Progr.-Sprachen-Paradigmen: Gegenüberstellung
Xputer Lab
University of Kaiserslautern
Sprach-Kategorie
vN Computer Sprachen
Anti Sprachen
both deterministic
procedural sequencing: traceable, checkpointable
read next instruction,
read next data item,
goto (instr. addr.),
goto (data addr.),
operation
jump (to instr. addr.),
jump (to data addr.),
sequence
instr. loop, loop nesting
data loop, loop nesting,
driven by:
no parallel loops, escapes,
parallel loops, escapes,
instruction stream branching data stream branching
Zustands-Register
Der Program-Zähler
(i.allg.mehrere) Datenzähler
massive memory
address
no overhead
computation
cycle overhead
Instruction fetch
parallel memory
bank access
© 2002, [email protected]
memory cycle overhead
no overhead
interleaving only
no restrictions
29
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>> DPA
Xputer Lab
University of Kaiserslautern
• Einleitung
• das CPU Maschinen-Paradigma
– Concurrency
• DPU & DPA: Antimaterie der Informatik
– DPA
• rDPA: Reconfigurable Computing
• Dominanz Eingebetteter Systeme
http://www.uni-kl.de
© 2002, [email protected]
30
http://KressArray.de
Maschine-Paradigmen: Asymmetrien
Xputer Lab
University of Kaiserslautern
Zahl der Ströme  1
CPU
-
+
+
DPA
+
DPU
+
-
© 2002, [email protected]
31
-
+
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DPA = DPU array
Xputer Lab
kohärente Datenströme
zirkulieren
University of Kaiserslautern
+
+
+
DPU
DPU
DPU
DPU
DPU
DPU
DPU
DPU
DPU
DPA
-
+
-
+
+
© 2002, [email protected]
-
-
-
-
32
+
-
DPA
+
-
+
http://KressArray.de
>> rDPA: Reconfigurable Computing
Xputer Lab
University of Kaiserslautern
• Einleitung
• das CPU Maschinen-Paradigma
– Concurrency
• DPU & DPA: Antimaterie der Informatik
– DPA
• rDPA: Reconfigurable Computing
• Dominanz Eingebetteter Systeme
http://www.uni-kl.de
© 2002, [email protected]
33
http://KressArray.de
akademisches DPA Beispiel
Xputer Lab
University of Kaiserslautern
http://kressarray.de
SNN filter KressArray Mapping
rout thru only
array size:
10 x 16
= 160 rDPUs
à 32 bits
Legend:
© 2002, [email protected]
rDPU not used
backbus connect
used for
routing only
backbus
connect
34
operator and routing
port location
not
used marker
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kommerzieller rDPA
Xputer
Xputer
LabLab
University
Kaiserslautern
University
of of
Kaiserslautern
XPU family :
PACT AG, München
http://pactcorp.com
© 2002, [email protected]
© 2001, [email protected]
XPU128
35
http://KressArray.de
http://www.fpl.uni-kl.de
PACT XPP: Referenz-Module XPU128 Ko-Prozessor
ALU - PAE
Xputer Lab
University of Kaiserslautern
ALU
Ctrl
CFG
XPP128 ALU-Array
PAE
core
•
•
•
•
2 X PACs (Cluster)
128 X ALU-PAEs
32 X 1Kbyte RAM-PAEs
8X I/O Elements
[Jürgen Becker,
Univ. Karlsruhe]
•
•
•
•
Full 32 or 24 Bit Design
2 Configuration Hierarchies
Evaluation Board (2001)
XDS Development Tool with
Simulator
© 2002, [email protected]
• PAE Core is 32- or 24-Bit ALU with
DSP-Instruction Set and Controller
36
• Connecttions: Inputs + Outputs (Channels) + Events
http://KressArray.de
Xputer Lab
Datastream-based Compilation Principles
University of Kaiserslautern
library
mapper
placement
& routing
scheduler
data stream assembly
© 2002, [email protected]
37
http://KressArray.de
Energy Efficiency vs. Flexibility
Xputer Lab
University of Kaiserslautern
T. Claasen et al.: ISSCC 1999
*) R. Hartenstein: ISIS 1997
MOPS / mW
1000
throughput
anti
hardwired
machine
100
10
FPGAs
flexibility
von
1
Neumann
flexibility
0.1
0.01
0.001
2
1
0.5
© 2002, [email protected]
0.25
0.13 0.1 0,07
38
µ feature size
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Xputer Lab
>> Dominanz der Eingebetteten Systeme
University of Kaiserslautern
• Einleitung
• Das CPU Maschinen Paradigma
• DPU & DPA : Antimaterie der Informatik
• Reconfigurable Computing
• Dominanz der Eingebetteten Systeme
http://www.uni-kl.de
© 2002, [email protected]
39
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Xputer Lab
Allgegenwärtige Eingebettete Systeme
University of Kaiserslautern
Eingebettete Systeme bedeuten:
• Hardware / Software
Ko-Design
20 Mrd. µProcessoren (2001)
> 90% in eingebetteten Systemen
• Configware / Software
Ko-design
10 x mehr Programmierer werden
eingebettete Anwendungen
schreiben, denn trad. Computer
Anwendungen: im Jahre 2010
• Hardware / Configware /
Software Ko-Design
• Der heutige nur-prozedurale
dorthin gehen dann unsere Absolventen Informatiker ist ein
Auslaufmodell
für Informatik-Kurrikula ist es allerhöchste Zeit, dies umzusetzen
© 2002, [email protected]
40
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Zusammenfassung: das nötige Know-how ist vorhanden
Xputer Lab
University of Kaiserslautern
courses / embedded tutorials:
• DATE. Munich, 2001
• ASP-DAC, Yokohama, 2001
• SBCCI, Brasilia, 2001
• Maschinen-Paradigma
• Sprachen
• Compiler-Techniken
• Anti Architektur Ressourcen
full day:
Univ. Montpellier 1998
Nokia / Univ. Tampere, Finland, 2002
CNRS Paris France, 2002
• Sequenzierungs-Methoden: hw & sw
• Hw / Sw Partitionierungs Methoden
•
10 keynotes 2001 / 2002
• some more invited talks
• Parallel-Speicher IP core und Modul Generator Anbieter
• Alles was sonst gebraucht wird
© 2002, [email protected]
41
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Xputer Lab
University of Kaiserslautern
-
Annihilierung?
+
vermeidbar…
+
© 2002, [email protected]
42
http://KressArray.de
Xputer Lab
University of Kaiserslautern
strukturell
Die Lehre in der Informatik .....
Configware / Software Co-Design?
Hardware / Software Co-Design?
prozedural
Hardware Person
© 2002, [email protected]
43
Software Person
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Xputer
Xputer
LabLab
University
Kaiserslautern
University
of of
Kaiserslautern
Lehreauf
in dem
der Informatik
.....
…Die
basiert
U-Boot-Modell
dieses Modell verhindert ...
Algorithmus
prozedurale höhere
Programmiersprache
Hirn-Gebrauch:
nur prozedural
Assembler Sprache
Hardware unsichtbar:
unter der Oberfläche
Hardware
© 2002, [email protected]
© 2001, [email protected]
44
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http://www.fpl.uni-kl.de
..... Hardware und Software als Alternativen
Xputer
Xputer
LabLab
University
Kaiserslautern
University
of of
Kaiserslautern
prozedural
strukturell
Algorithmus
Partitionierung
Hirn-Gebrauch:
Beide Hemisphären
Hardware,
Configware
Software
Software only
& Hardw/Configw
Software only
Hardw/Configw
© 2002, [email protected]
© 2001, [email protected]
45
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http://KressArray.de
Dominanz des U-Boot-Modell ...
Xputer
Xputer
LabLab
University
Kaiserslautern
University
of of
Kaiserslautern
(prozedural)
strukturell
unfähig
Hardware
... zeigt uns, daß unsere Lehre
Zillionen geistig behinderter
Absolventen produziert
… völlig unfähig zum Umgang mit
anderen Lösungen als nur-Software
es ist höchste Zeit, die Diktatur der
Software–Fakultäten zu brechen.
Ihr Engagement wird dringend benötigt!
© 2002, [email protected]
© 2001, [email protected]
46
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http://KressArray.de
Schlußfolgerungen
Xputer Lab
University of Kaiserslautern
• Die Lehre der Kerninformatik hat sich seit den
Zeiten der Mainframe-Dinosaurier kaum verändert
• die Mikroelektronik wird ignoriert (außer dem
Kostenverfall der Rechenleistung)
• aller Forschritt geht von den Anwendungen aus
• immer mehr vor Allem für eingebettete Systeme
• darauf sind unsere Absolventen nicht vorbereitet
© 2002, [email protected]
47
http://KressArray.de
>>> vielen Dank
Xputer
Xputer
LabLab
University
Kaiserslautern
University
of of
Kaiserslautern
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit
© 2002, [email protected]
© 2001, [email protected]
48
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http://KressArray.de
>>> ENDE
Xputer
Xputer
LabLab
University
Kaiserslautern
University
of of
Kaiserslautern
© 2002, [email protected]
© 2001, [email protected]
49
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>>> Anhang
Xputer
Xputer
LabLab
University
Kaiserslautern
University
of of
Kaiserslautern
Anhang
© 2002, [email protected]
© 2001, [email protected]
50
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Super Pipe Networks
Xputer Lab
University of Kaiserslautern
array
systolic
array
supersystolic
DPA
applications
regular data
dependencies
only
pipeline properties
shape
resources
linear
only
uniform
only
mapping
linear projection or
algebraic synthesis
simulated
annealing or
P&R algorithm
no restrictions
scheduling
(data stream
formation)
(e.g. force-directed)
scheduling
algorithm
*) KressArray [ASP-DAC-1995]
© 2002, [email protected]
51
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Xputer Lab
.... it‘s an alternative culture ....
University of Kaiserslautern
• now the area is going mainstream: a rapidly widening
audience of non-specialists gets interested ...
• severe communication gaps due to educational deficits
• not only to users: still many hardware and EDA experts
ask: isn’t it just logic design on a strange platform ?
• it is time to clarify and popularize fundamental aspects
and to explain, that it is a fundamentally different culture
© 2002, [email protected]
52
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Jürgen Becker’s Co-DE-X Co-Compiler
Xputer
Xputer
LabLab
supporting platform-based design
University
Kaiserslautern
University
of of
Kaiserslautern
X-C
Computer machine
paradigm
X-C is C language
extended by MoPL
Partitioner
Xputer machine
paradigm
X-C
GNU C Analyzer
compiler / Profiler compiler
Host KressArray
Software Configware
© 2002, [email protected]
© 2001, [email protected]
53
DPSS
supporting
different
platforms
Resource
Parameters
http://KressArray.de
http://www.fpl.uni-kl.de
“von Neumann” Computer:
the wrong Machine Paradigm
Xputer
Xputer
LabLab
University
Kaiserslautern
University
of of
Kaiserslautern
Computer
RAM
tightly coupled
by compact
instruction code
Compiler
instructions
Sequencer
Datapath
Datapath
program hardwired
counter:
loosely coupled
by decision
data bits only
“von
Neumann”
does not support
soft data paths
Xputer:
Compiler
Scheduler
“instructions”
(multiple)
sequencer
The Soft
Machine
Paradigm data
Datapath
Array
reconfigurable
counter s
also for hardwired
state register
© 2002, [email protected]
© 2001, [email protected]
RAM
Xputer
54
(anti machine)
http://KressArray.de
[Keutzer / Newton]
Xputer Lab
University of Kaiserslautern
The next Revolution:
[Keutzer / Newton]
Makimoto’s 3rd wave
EDA industry paradigm
switching every 7 years
82% of designers
hate their tools
Tornado
2006
Mainstream
Paradigm
Shift
1999
1992
Synthesis: Cadence, Synopsys ...
1985
1978
Reconfigurability
(Co-) Compilation &
[Hartenstein]
Data-stream-based (r)DPAs
Schematics entry: Daisy, Mentor, Valid ...
Transistor entry: Applicon, Calma, CV ...
© 2002, [email protected]
55
[Richard Newton]
http://KressArray.de
missing the next revolution
Xputer Lab
University of Kaiserslautern
Ignoring reconfigurable computing
by teaching computing fundamentals
within our CS curricula is one of
the biggest mistakes in the history of
information technology application
causing the waste billions of dollars.
© 2001,
2002, [email protected]
[email protected]
56
http://KressArray.de
The anti universe
Xputer Lab
University of Kaiserslautern
• Paul Dirac predicted a complete
anti universe consisting of antimatter
• “There are regions in the universe,
which consist of antimatter .....
• .... But there are asymmetries
asymmetries”
• when a particle hits its antiparticle, both •and Annihilation
are converted into energy: Annihilation
(CS curricula)
• We are not aware, that there is a new area in computing
sciences , which consists of antimatter of computing
• Reconfigurable Computing is made from this antimatter,
especially if it’s data-stream-based
© 2002, [email protected]
57
http://KressArray.de
Xputer Lab
Soft rDPA ?
miscellanous
University of Kaiserslautern
HLL
Compiler
Memory
soft CPU
• Rapid technology progress
• 50 million system gates soon
• FPGAs f. relocatable configware code ?
• Compatibility at configuration code level ?
• Slower clock: compensated by more parallelism: low power
• Even large rDPAs as a soft IP become feasible
• By >2005: don’t care about area efficiency ?
© 2002, [email protected]
58
http://KressArray.de
PACT-XPP: Direct Programming Methodology
Xputer Lab
[Jürgen Becker,
Univ. Karlsruhe]
University of Kaiserslautern
The code sections are mapped directly onto the processing array
Code section nodes correspond to XPP ALUs
© 2002, [email protected]
59
http://KressArray.de
.... the Antimatter of CPU-based Computing
Xputer Lab
University of Kaiserslautern
• Reconfigurable or Hardwired: Datastream-based
Computing is the Antimatter of classical Computing
• This Antimatter has been mainly ignored
•
„Antimatter: where is it ?“
Antimatter Search
© 2002, [email protected]
60
http://KressArray.de
Parallelism at data stream level
Xputer Lab
mapping before fabrication
noconfigured
switching overhead
at run time
after fabrication
University of Kaiserslautern
rDPU
DPU
-
rDPU
DPU
rDPU
DPU
-
-
rDPU
DPU
-
reconfigurable
hardwired interconnect
interconnect
fabrics
fabrics
rDPU
DPU
-
rDPU
DPU
© 2002, [email protected]
-
rDPU
DPU
61
-
rDPU
DPU
-
http://KressArray.de
Xputer Lab
University of Kaiserslautern
memory
communication
architecture
mapping before
fabrication
DPA-based entire System
RAM
RAM
RAM
RAM
DPA
-
RAM
© 2002, [email protected]
62
RAM
RAM
RAM
http://KressArray.de
Xputer Lab
University of Kaiserslautern
mapping after
fabrication
reconfigurable
memory
communication
architecture
RAM
RAM
RAM-based RAM
reconfiguration
RAM
DPA-based entire System
RAM
rDPA
-
RAM
© 2002, [email protected]
63
M. Herz, et al.: Memory Organisation
for Stream-based Reconfigurable
Computing; IEEE ICECS 2002, Sept.
15-18, 2002, Dubrovnik, Croatia
RAM
RAM
RAM
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