高精度タイミング、省エネルギーを実現する組み込みシステム向けハイレベル合成手法

Core Concepts

ハイレベル合成手法を拡張し、状態ベースのタイミング情報を活用することで、高精度タイミングと省エネルギーを両立する組み込みシステムの設計を可能にする。

Abstract

本論文では、ハイレベル合成(HLS)手法を拡張した「ハイブリッドHLS(H-HLS)」を提案している。H-HLSは、状態ベースHLS(SB-HLS)と性能駆動HLS(PD-HLS)を組み合わせることで、組み込みシステムの設計と最適化を行う。

SB-HLSでは、周期的状態機械(PSM)モデルを用いて、コンポーネントレベルおよびシステムレベルの正確なタイミング情報を明示的に定義する。これにより、単一クロックサイクル演算と複数クロックサイクル演算を識別し、それぞれに適した合成手法を適用することができる。

PD-HLSでは、複数クロックサイクル演算について、性能、電力、面積のトレードオフを考慮した最適な実装を自動生成する。

SB-HLSとPD-HLSの出力を統合し、PSMモデルの正確なタイミング制約に基づいて、システムレベルの設計空間探索を行う。これにより、タイミング要件を満たしつつ、エネルギー消費を最小化した組み込みシステムの実装を得ることができる。

提案手法を、ウェアラブル妊婦モニタリングデバイス、ECGバイオメトリック認証システム、および合成システムの3つのケーススタディで評価した結果、従来手法と比べて平均92.9%のエネルギー削減、最大94.6%のエネルギー削減を達成した。

Stats

提案手法により、ウェアラブル妊婦モニタリングデバイスのエネルギー消費を93.5%削減できた。
提案手法により、ECGバイオメトリック認証システムのエネルギー消費を91.0%削減できた。
提案手法により、合成システムのエネルギー消費を平均92.9%、最大94.6%削減できた。

Quotes

"ハイレベル合成(HLS)は、ハードウェア設計の生産性を大幅に向上させ、開発時間/コストを削減することができる。"
"しかし、既存のHLS手法には、正確なタイミング仕様を合成プロセスに組み込むことができないという限界がある。"
"提案するハイブリッドHLS(H-HLS)手法は、状態ベースHLS(SB-HLS)と性能駆動HLS(PD-HLS)を組み合わせることで、正確なタイミング情報を活用しつつ、省エネルギーな組み込みシステムの設計を可能にする。"

Key Insights Distilled From

A high-level synthesis approach for precisely-timed, energy-efficient embedded systems

by Yuchao Liao,... at arxiv.org 04-24-2024

https://arxiv.org/pdf/2404.14769.pdf

Deeper Inquiries

組み込みシステムの設計において、正確なタイミング仕様を活用することの重要性はどのようなアプリケーションで特に顕著か。

組み込みシステムの設計において、正確なタイミング仕様を活用することは特にリアルタイム性が重要なアプリケーションで顕著です。例えば、医療機器や自動車の制御システムなど、タイミングが厳密に制御される必要があるアプリケーションでは、正確なタイミング仕様がシステムの正常な動作を保証するために不可欠です。特に、生体情報をリアルタイムで処理する医療機器や、自動車のセンサーデータを即座に解析する制御システムなどでは、タイミングの正確さがシステムの信頼性や安全性に直結します。