Acceleration Methods for Evolutionary Design of Digital Circuits
Loading...
Date
Authors
ORCID
Advisor
Referee
Mark
P
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta informačních technologií
Abstract
Ačkoliv můžeme v literatuře nalézt řadu příkladů prezentujících evoluční návrh jakožto zajímavou a slibnou alternativu k tradičním návrhovým technikám používaným v oblasti číslicových obvodů, praktické nasazení je často problematické zejména v důsledku tzv. problému škálovatelnosti, který se projevuje např. tak, že evoluční algoritmus je schopen poskytovat uspokojivé výsledky pouze pro malé instance řešeného problému. Vážný problém představuje tzv. problém škálovatelnosti evaluace fitness funkce, který je markantní zejména v oblasti syntézy kombinačních obvodů, kde doba potřebná pro ohodnocení kandidátního řešení typicky roste exponenciálně se zvyšujícím se počtem primárních vstupů. Tato disertační práce se zabývá návrhem několika metod umožňujících redukovat problem škálovatelnosti evaluace v oblasti evolučního návrhu a optimalizace číslicových systémů. Cílem je pomocí několika případových studií ukázat, že s využitím vhodných akceleračních technik jsou evoluční techniky schopny automaticky navrhovat inovativní/kompetitivní řešení praktických problémů. Aby bylo možné redukovat problém škálovatelnosti v oblasti evolučního návrhu číslicových filtrů, byl navržen doménově specifický akcelerátor na bázi FPGA. Tato problematika reprezentuje případ, kdy je nutné ohodnotit velké množství trénovacích dat a současně provést mnoho generací. Pomocí navrženého akcelerátoru se podařilo objevit efektivní implementace různých nelineárních obrazových filtrů. S využitím evolučně navržených filtrů byl vytvořen robustní nelineární filtr implusního šumu, který je chráněn užitným vzorem. Navržený filtr vykazuje v porovnání s konvenčními řešeními vysokou kvalitu filtrace a nízkou implementační cenu. Spojením evolučního návrhu a technik známých z oblasti formální verifikace se podařilo vytvořit systém umožňující výrazně redukovat problém škálovatelnosti evoluční syntézy kombinačních obvodů na úrovni hradel. Navržená metoda dovoluje produkovat komplexní a přesto kvalitní řešení, která jsou schopna konkurovat komerčním nástrojům pro logickou syntézu. Navržený algoritmus byl experimentálně ověřen na sadě několika benchmarkových obvodů včetně tzv. obtížně syntetizovatelných obvodů, kde dosahoval v průměru o 25% lepších výsledků než dostupné akademické i komerční nástroje. Poslední doménou, kterou se práce zabývá, je akcelerace evolučního návrhu lineárních systémů. Na příkladu evolučního návrhu násobiček s vícenásobnými konstantními koeficienty bylo ukázáno, že čas potřebný k evaluaci kandidátního řešení lze výrazně redukovat (defacto na ohodocení jediného testovacího vektoru), je-li brán v potaz charakter řešeného problému (v tomto případě linearita).
Although many examples showing the merits of evolutionary design over conventional design techniques utilized in the field of digital circuits design have been published, the evolutionary approaches are usually hardly applicable in practice due to the various so-called scalability problems. The scalability problem represents a general problem that refers to a situation in which the evolutionary algorithm is able to provide a solution to a small problem instances only. For example, the scalability of evaluation of a candidate digital circuit represents a serious issue because the time needed to evaluate a candidate solution grows exponentially with the increasing number of primary inputs. In this thesis, the scalability problem of evaluation of a candidate digital circuit is addressed. Three different approaches to overcoming this problem are proposed. Our goal is to demonstrate that the evolutionary design approach can produce interesting and human competitive solutions when the problem of scalability is reduced and thus a sufficient number of generations can be utilized. In order to increase the performance of the evolutionary design of image filters, a domain specific FPGA-based accelerator has been designed. The evolutionary design of image filters is a kind of regression problem which requires to evaluate a large number of training vectors as well as generations in order to find a satisfactory solution. By means of the proposed FPGA accelerator, very efficient nonlinear image filters have been discovered. One of the discovered implementations of an impulse noise filter consisting of four evolutionary designed filters is protected by the Czech utility model. A different approach has been introduced in the area of logic synthesis. A method combining formal verification techniques with evolutionary design that allows a significant acceleration of the fitness evaluation procedure was proposed. The proposed system can produce complex and simultaneously innovative designs, overcoming thus the major bottleneck of the evolutionary synthesis at gate level. The proposed method has been evaluated using a set of benchmark circuits and compared with conventional academia as well as commercial synthesis tools. In comparison with the conventional synthesis tools, the average improvement in terms of the number of gates provided by our system is approximately 25%. Finally, the problem of the multiple constant multiplier design, which belongs to the class of problems where a candidate solution can be perfectly evaluated in a short time, has been investigated. We have demonstrated that there exists a class of circuits that can be evaluated efficiently if a domain knowledge is utilized (in this case the linearity of components).
Although many examples showing the merits of evolutionary design over conventional design techniques utilized in the field of digital circuits design have been published, the evolutionary approaches are usually hardly applicable in practice due to the various so-called scalability problems. The scalability problem represents a general problem that refers to a situation in which the evolutionary algorithm is able to provide a solution to a small problem instances only. For example, the scalability of evaluation of a candidate digital circuit represents a serious issue because the time needed to evaluate a candidate solution grows exponentially with the increasing number of primary inputs. In this thesis, the scalability problem of evaluation of a candidate digital circuit is addressed. Three different approaches to overcoming this problem are proposed. Our goal is to demonstrate that the evolutionary design approach can produce interesting and human competitive solutions when the problem of scalability is reduced and thus a sufficient number of generations can be utilized. In order to increase the performance of the evolutionary design of image filters, a domain specific FPGA-based accelerator has been designed. The evolutionary design of image filters is a kind of regression problem which requires to evaluate a large number of training vectors as well as generations in order to find a satisfactory solution. By means of the proposed FPGA accelerator, very efficient nonlinear image filters have been discovered. One of the discovered implementations of an impulse noise filter consisting of four evolutionary designed filters is protected by the Czech utility model. A different approach has been introduced in the area of logic synthesis. A method combining formal verification techniques with evolutionary design that allows a significant acceleration of the fitness evaluation procedure was proposed. The proposed system can produce complex and simultaneously innovative designs, overcoming thus the major bottleneck of the evolutionary synthesis at gate level. The proposed method has been evaluated using a set of benchmark circuits and compared with conventional academia as well as commercial synthesis tools. In comparison with the conventional synthesis tools, the average improvement in terms of the number of gates provided by our system is approximately 25%. Finally, the problem of the multiple constant multiplier design, which belongs to the class of problems where a candidate solution can be perfectly evaluated in a short time, has been investigated. We have demonstrated that there exists a class of circuits that can be evaluated efficiently if a domain knowledge is utilized (in this case the linearity of components).
Description
Keywords
návrh číslicových obvodů, evoluční optimalizace, evoluční návrh, násobička s konstantními koeficienty, filtrace obrazu, nelineární filtr, optimalizace kombinačních obvodů, FPGA akcelerace, digital circuit design, evolutionary optimization, evolutionary design, multiplier with constant coefficients, image filtering, nonlinear filter, optimization of combinational circuits, FPGA acceleration
Citation
VAŠÍČEK, Z. Acceleration Methods for Evolutionary Design of Digital Circuits [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
Defence
Result of defence
práce byla úspěšně obhájena
Document licence
Standardní licenční smlouva - přístup k plnému textu bez omezení