Transformations de programmes et optimisations de l'architecture mémoire pour la synthèse de haut niveau d'accélérateurs matériels

A wide category of sold products including telecommunication and multimedia propose more and more advanced features and functionalities. These functionalities come at a cost of increased design complexity. For performance and power budget issues, these features can be accelerated using dedicated hardware accelerators. To meet the required time-to-market and development price, traditional hardware design methodologies are not sufficient and the use of high-level synthesis (HLS) tools is an appealing alternative. These tools are now getting more mature for generating hardware accelerators with an optimized internal structure, thanks to efficient scheduling techniques, resource sharing, and finite-state machines generation. However, interfacing them with the outside world, i.e., integrating the automatically-generated hardware accelerators within the complete design, with optimized communications, so that they achieve the best throughput, remains a very hard task, reserved to expert designers. The leitmotiv of this thesis was to study and to develop source-to-source strategies to improve the design of these interfaces, trying to consider the HLS tool as a back-end for more advanced front-end transformations. In the first part of the thesis, as a case study, we designed by hand, in VHDL, an intelligent glue logic to interface an accelerator, for matrix-matrix multiplication, generated by the MMAlpha HLS tool. Using data dependence information, we implemented double-buffering and blocking techniques on a scratchpad-like local SRAM memory to exploit data reuse. This increased significantly the performance of the system but required also a significant engineering effort. We then showed, on several multi-media applications and with another HLS tool, Spark, that the same benefit could be obtained with a preliminary semi-automatic source-to-source (here C-to-C) transformations step. For that, we used an advanced state-of-the-art compiler front-end, based on the Open64 compiler and the WRaP-IT framework for polyhedral transformations. Significant improvements were shown in particular on the synthesis of part of the video color space conversion from MediaBench~II benchmarks, for which data was fed through a processor cache memory. This study demonstrated the importance of loop transformations as a pre-processing step to HLS tools, but also the difficulty to use them depending on the HLS tool features to express external communications. In the second part of the thesis, using the C2H HLS tool from Altera, which can synthesize hardware accelerators communicating to an external DDR-SDRAM memory, we showed that it is possible to automatically restructure the application code, to generate adequate communication processes in C, and to compile them all with C2H, so that the resulting application is highly-optimized, with full usage of the memory bandwidth. These transformations and optimizations, which combine techniques such as double buffering, array contraction, loop tiling, software pipelining, among others, were incorporated in an automatic source-to-source transformation tool, called Chuba, based on the polyhedral model representation. Our study shows that HLS tools can indeed be used as back-end optimizers for front-end optimizations, as it is the case for standard compilation with high-level transformations developed on top of assembly-code optimizers. We believe this is the way to go for making HLS tools viable.Une grande variété de produits vendus, notamment de télécommunication et multimédia, proposent des fonctionnalités de plus en plus avancées. Celles-ci induisent une augmentation de la complexité de conception. Pour satisfaire un budget de performance et de consommation d'énergie, ces fonctionnalités peuvent être accélérées par l'utilisation d'accélérateurs matériels dédiés. Pour respecter les délais nécessaires de mise sur le marché et le prix de développement, les méthodes traditionnelles de conception de matériel ne sont plus suffisantes et l'utilisation d'outils de synthèse de haut niveau (HLS) est une alternative intéressante. Ces outils sont maintenant plus aboutis et permettent de générer des accélérateurs matériels possédant une structure interne optimisée, grâce à des techniques d'ordonnancement efficaces, de partage des ressources et de génération de machines d'états. Cependant, les interfacer avec le monde extérieur, c'est-à-dire intégrer des accélérateurs matériels générés automatiquement dans une conception complète, avec des communications optimisées pour atteindre le meilleur débit, reste une tâche très ardue, réservée aux concepteurs experts. Le leitmotiv de cette thèse était d'étudier et d'élaborer des stratégies source-à-source pour améliorer la conception de ces interfaces, en essayant d'envisager l'outil HLS comme back-end pour des transformations front-end plus avancées. Dans la première partie de la thèse, comme étude de cas, nous avons conçu à la main, en VHDL, une logique intelligente permettant l'interfaçage d'un accélérateur, calculant la multiplication de deux matrices, généré par l'outil de synthèse MMAlpha. En utilisant des informations sur les dépendances de données, nous avons implanté des techniques de double tampon et de calcul/transfert par bloc (pavage), pour des mémoires locales SRAM de type scratchpad, pour améliorer la réutilisation des données. Ceci a permis d'augmenter de manière significative les performances du système, mais a également exigé un effort important de développement. Nous avons ensuite montré, sur plusieurs applications de type multimédia, avec un autre outil de HLS, Spark, que le même avantage pouvait être obtenu avec une étape préliminaire semi-automatique de transformations source-à-source (ici de C vers C). Pour cela, nous avons utilisé le front-end d'un compilateur avancé, basé sur le compilateur Open64 et l'outil WRaP-IT de transformations polyédriques. Des améliorations significatives ont été présentées, en particulier pour la synthèse de la conversion de l'espace couleur (extrait d'un benchmark de MediaBench II), dont les données étaient transmises via une mémoire cache. Cette étude a démontré l'importance des transformations des boucles comme étape de pré-traitement pour les outils HLS, mais aussi la difficulté de les utiliser en fonction des caractéristiques de l'outil HLS pour exprimer les communications externes. Dans la deuxième partie de la thèse, en utilisant l'outil C2H HLS d'Altera qui peut synthétiser des accélérateurs matériels communiquant avec une mémoire externe DDR-SDRAM, nous avons montré qu'il était possible de restructurer automatiquement le code de l'application, de générer des processus de communication adéquats, écrits entièrement en C, et de les compiler avec C2H, afin que l'application résultante soit hautement optimisée, avec utilisation maximale de la bande passante mémoire. Ces transformations et optimisations, qui combinent des techniques telles que l'utilisation de double tampon, la contraction de tableaux, le pavage, le pipeline logiciel, entre autres, ont été intégrées dans un outil de transformation automatique source-à-source, appelé Chuba et basé sur la représentation du modèle polyédrique. Notre étude montre que ainsi qu'il est possible d'utiliser certains outils HLS comme des optimiseurs de niveau back-end pour les optimisations effectuées au niveau front-end, comme c'est le cas pour la compilation standard où des transformations de haut niveau sont développées en amont des optimiseurs au niveau assembleur. Nous pensons que ceci est la voie à suivre pour que les outils HLS deviennent viables