Simulação de Sistemas Heterogêneos Habilitados para FPGA visando Exploração Precoce do Espaço de Projeto

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.Sem bolsaHeterogeneous systems architectures usually include processing elements such as Central Processing Units and General Purpose Graphics Processing Units, frequently enabling optimization opportunities in terms of execution time, consumed energy, resource utilization, and throughput. In turn, the heterogeneity brings a series of new design challenges when compared to homogeneous systems. An even more challenging scenario appears when such heterogeneous systems feature hardware acceleration through dynamic and partial FPGA (Field Programmable Gate Array) reconfiguration. This work presents a Modeling and Simulation infrastructure for early Design Space Exploration (DSE) of heterogeneous systems by comprising a methodology to create high-level models of the system and a simulator complying with those models. A designer can partition an FPGA into Partially Reconfigurable Regions (PRRs) that can pass through a Dynamic and Partial Reconfiguration (DPR) during runtime. Considering those aspects, the modeling methodology contains the flow and automatic hardware generation to annotate our simulation models. FEHetSS is an FPGA-Enabled Heterogeneous System Simulator aiming to provide support for decision making in early design phases. We describe FEHetSS presenting its structure, models, and simulation flow. FEHetSS considers the tasks’ latencies even those related to reconfiguration, also estimating the processing elements’ power and resource utilization. Based on case studies, we demonstrate the methodology and FEHetSS’s potentialities. First, we model heterogeneous systems and use FEHetSS as a tool to evaluate single-points in early DSE. Second, we conceive distinct hardware design (e.g., pipelining and parallelism) models for an application kernel and utilize FEHetSS as a tool to assist designers considering a holistic system perspective. Third, we restrict a couple of design spaces applying FEHetSS to perform exhaustive exploration. Last, we prepare a DSE environment integrating an optimization heuristic and FEHetSS, performing simulations based on exploration parameters. Case studies’ results and analysis demonstrate the infrastructure features in the modeling and simulation of FPGA-enabled heterogeneous systems