Automatický multikriteriální paralelní evoluční návrh a aproximace obvodů
Loading...
Date
Authors
ORCID
Advisor
Referee
Mark
P
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta informačních technologií
Abstract
Spotřeba a energetická efektivita se stává jedním z nejdůležitějších parametrů při návrhu počítačových systémů, zejména kvůli omezené kapacitě napájení u zařízení napájených bateriemi a velmi vysoké spotřebě energie rostoucích datacenter a cloudové infrastruktury. Současně jsou uživatelé ochotni do určité míry tolerovat nepřesné nebo chybné výpočty v roustoucím počtu aplikací díky nedokonalostem lidských smyslů, statistické povaze výpočtů, šumu ve vstupních datech apod. Přibližné počítání, nová oblast výzkumu v počítačovém inženýrství, využívá rozvolnění požadavků na funkčnost za účelem zvýšení efektivity počítačových systémů, pokud jde o spotřebu energie, výpočetní výkon či složitost. Aplikace tolerující chyby mohou být implementovány efektivněji a stále sloužit svému účelu se stejnou nebo mírně sníženou kvalitou. Ačkoli se objevují nové metody pro návrh přibližně počítajících výpočetních systémů, je stále nedostatek automatických návrhových metod, které by nabízely velké množství kompromisních řešení dané úlohy. Konvenční metody navíc často produkují řešení, která jsou daleko od optima. Evoluční algoritmy sice přinášejí inovativní řešení složitých optimalizačních a návrhových problémů, nicméně trpí několika nedostatky, např. nízkou škálovatelností či vysokým počtem generací nutných k dosažení konkurenceschopných výsledků. Pro přibližné počítání je vhodný zejména multikriteriální návrh, což existující metody většinou nepodporují. V této práci je představen nový automatický multikriteriální paralelní evoluční algoritmus pro návrh a aproximaci digitálních obvodů. Metoda je založena na kartézském genetickém programování, pro zvýšení škálovatelnosti byla navržena nová vysoce paralelizovaná implementace. Multikriteriální návrh byl založen na principech algoritmu NSGA-II. Výkonnost implementace byla vyhodnocena na několika různých úlohách, konkrétně při návrhu (přibližně počítajících) aritmetických obvodů, Booleovských funkcích s vysokou nelinearitou či přibližných logických obvodů pro tří-modulovou redundanci. V těchto úlohách bylo dosaženo význammých zlepšení ve srovnání se současnými metodami.
Recently, energy efficiency has become one of the most important properties of computing platforms, especially because of limited power supply capacity of battery-power devices and very high consumption of growing data centers and cloud infrastructure. At the same time, in an increasing number of applications users are able to tolerate inaccurate or incorrect computations to a certain extent due to the imperfections of human senses, statistical nature of data processing, noisy input data etc. Approximate computing, an emerging paradigm in computer engineering, takes advantage of relaxed functionality requirements to make computer systems more efficient in terms of energy consumption, computing performance or complexity. Error resilient applications can achieve significant savings while still serving their purpose with the same or a slightly degraded quality. Even though new design methods for approximate computing are emerging, there is a lack of methods for automated approximate HW/SW design offering a rich set of compromise solutions. Conventional methods often produce solutions that are far from an optimum. Evolutionary algorithms have been shown to bring innovative solutions to complex design and optimization problems. However, these methods suffer from several problems, such as the scalability or a high number of fitness evaluations needed to evolve competitive results. Finally, existing methods are usually single-objective whilst multi-objective approach is more suitable in the case of approximate computing. In this thesis, a new automated multi-objective parallel evolutionary algorithm for circuit design and approximation is proposed. The method is based on Cartesian Genetic Programming. In order to improve the scalability of the algorithm, a brand new highly parallel implementation was proposed. The principles of the NSGA-II algorithm were used to provide the multi-objective design and approximation capability. The performance of the implementation was evaluated in multiple different applications, in particular (approximate) combinational arithmetic circuits design, bent Boolean functions discovery and approximate logic circuits for TMR schema. In these cases, important improvements with respect to the state of the art were obtained.
Recently, energy efficiency has become one of the most important properties of computing platforms, especially because of limited power supply capacity of battery-power devices and very high consumption of growing data centers and cloud infrastructure. At the same time, in an increasing number of applications users are able to tolerate inaccurate or incorrect computations to a certain extent due to the imperfections of human senses, statistical nature of data processing, noisy input data etc. Approximate computing, an emerging paradigm in computer engineering, takes advantage of relaxed functionality requirements to make computer systems more efficient in terms of energy consumption, computing performance or complexity. Error resilient applications can achieve significant savings while still serving their purpose with the same or a slightly degraded quality. Even though new design methods for approximate computing are emerging, there is a lack of methods for automated approximate HW/SW design offering a rich set of compromise solutions. Conventional methods often produce solutions that are far from an optimum. Evolutionary algorithms have been shown to bring innovative solutions to complex design and optimization problems. However, these methods suffer from several problems, such as the scalability or a high number of fitness evaluations needed to evolve competitive results. Finally, existing methods are usually single-objective whilst multi-objective approach is more suitable in the case of approximate computing. In this thesis, a new automated multi-objective parallel evolutionary algorithm for circuit design and approximation is proposed. The method is based on Cartesian Genetic Programming. In order to improve the scalability of the algorithm, a brand new highly parallel implementation was proposed. The principles of the NSGA-II algorithm were used to provide the multi-objective design and approximation capability. The performance of the implementation was evaluated in multiple different applications, in particular (approximate) combinational arithmetic circuits design, bent Boolean functions discovery and approximate logic circuits for TMR schema. In these cases, important improvements with respect to the state of the art were obtained.
Description
Keywords
přibližné počítání, přibližné obvody, logické obvody, evoluční algoritmus, evoluční návrh, kartézské genetické programování, multikriteriální optimalizace, Approximate Computing, Approximate Circuits, Digital Circuits, Evolutionary Algorithms, Evolutionary Design, Cartesian Genetic Programming, Multi-Objective Optimization
Citation
HRBÁČEK, R. Automatický multikriteriální paralelní evoluční návrh a aproximace obvodů [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně. Fakulta informačních technologií. .
Document type
Document version
Date of access to the full text
Language of document
en
Study field
Výpočetní technika a informatika
Comittee
Date of acceptance
2017-11-09
Defence
Result of defence
práce byla úspěšně obhájena
Document licence
Standardní licenční smlouva - přístup k plnému textu bez omezení