Explorando a Portabilidade e Desempenho de Kernels HLS entre Intel e Xilinx

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Explorando a Portabilidade e Desempenho de Kernels HLS entre Intel e Xilinx

Título: Explorando a Portabilidade e Desempenho das Kernels HLS entre Plataformas de FPGA

Sumário

  1. Introdução
  2. O que são FPGAs e a necessidade de aceleradores de hardware
  3. High-Level Synthesis (HLS) e seu papel na programação de FPGAs
  4. Fluxo de trabalho tradicional para geração de hardware em FPGA
  5. Portabilidade e Desempenho em Designs HLS entre FPGAs Intel e Xilinx
  6. Nossas Contribuições neste trabalho
  7. Descrição das Kernels selecionadas para o estudo de portabilidade
  8. Modificações no código do host-site para as implementações Xilinx
  9. Portando otimizações de FPGAs Intel para designs OpenCL da Xilinx
  10. Resultados da portabilidade com um mínimo de esforço
  11. Exploração de otimizações adicionais para aumentar o desempenho
  12. Conclusão e Trabalhos Futuros

🧠 Introdução

Olá a todos! Neste artigo, vamos explorar a portabilidade e o desempenho das Kernels de High-Level Synthesis (HLS) entre as plataformas de FPGA Intel e Xilinx. Com as limitações impostas pela desaceleração da Lei de Moore, as FPGAs estão emergindo como aceleradores que permitem o desenvolvimento de soluções de hardware específicas para determinadas aplicações ou domínios. Além disso, as FPGAs permitem o design de hardware personalizado sem a necessidade de criar circuitos integrados específicos para cada aplicação. Neste trabalho, investigaremos a viabilidade de projetos HLS entre plataformas de FPGAs diferentes e avaliaremos o desempenho resultante dessa portabilidade.

💡 O que são FPGAs e a necessidade de aceleradores de hardware

As FPGAs (Field-Programmable Gate Arrays) são dispositivos semicondutores que podem ser programados ou configurados de maneira flexível após a fabricação. Eles contêm uma matriz de blocos lógicos configuráveis e blocos de Memória, que podem ser interconectados de várias maneiras para criar circuitos digitais personalizados e executar tarefas específicas de forma eficiente. Com o avanço da tecnologia e as limitações do processo de fabricação de chips, as FPGAs estão surgindo como uma solução poderosa para acelerar o processamento de certas tarefas e atender às demandas crescentes de desempenho computacional.

🌟 High-Level Synthesis (HLS) e seu papel na programação de FPGAs

A programação de FPGAs tradicionalmente requeria conhecimentos em baixo nível, como linguagens de descrição de hardware (HDL) e lógica combinacional. No entanto, com o advento da High-Level Synthesis (HLS), os desenvolvedores podem descrever seus designs de hardware usando linguagens de alto nível, como C ou C++. A HLS permite que o compilador faça a síntese e otimização automática do código para a implementação em FPGAs, abstraindo a complexidade dos detalhes de hardware. Isso torna a programação de FPGAs mais acessível para desenvolvedores de software tradicionais e acelera o processo de desenvolvimento.

📚 Fluxo de trabalho tradicional para geração de hardware em FPGA

Antes de explorar a portabilidade e o desempenho de designs HLS entre FPGAs Intel e Xilinx, é importante compreender o fluxo de trabalho tradicional para a geração de hardware em uma FPGA. Esse fluxo de trabalho envolve a definição do design em linguagens de baixo nível, como Verilog ou VHDL, e sua execução através de uma cadeia de ferramentas específica para a FPGA de destino. No final desse processo, um fluxo de bits (bitstream) é gerado e usado para configurar a FPGA. No entanto, a programação direta de FPGAs usando linguagens de baixo nível pode ser complexa e exigir um profundo conhecimento de design digital.

👥 Portabilidade e Desempenho em Designs HLS entre FPGAs Intel e Xilinx

Com a disponibilidade de ferramentas de HLS fornecidas pelas principais empresas de FPGA, como Intel e Xilinx, é teoricamente possível criar designs em uma plataforma e portá-los para a outra. Isso abriria novas possibilidades de reutilização de código e aceleraria o processo de desenvolvimento de hardware. No entanto, a Questão da portabilidade e do desempenho efetivo desses designs entre as duas plataformas ainda não foi amplamente explorada. Neste trabalho, começamos a explorar a seguinte pergunta: quão portáveis e eficientes são os designs HLS entre FPGAs Intel e Xilinx?

🏛 Nossas Contribuições neste trabalho

Neste trabalho, detalhamos nossa abordagem para a portabilidade de designs FPGA originalmente arquitetados usando OpenCL para a plataforma Intel para designs em OpenCL para a plataforma Xilinx. Além disso, apresentamos nossa experiência usando o ambiente Xilinx Vitis, que sucede o SDXl no processo de design HLS. Também contribuímos para a escassa literatura existente sobre designs OpenCL que visam FPGAs Xilinx.

No entanto, neste artigo, vamos nos concentrar nos dois primeiros pontos: descrever as kernels selecionadas para nosso estudo de portabilidade e discutir as modificações no código do host-site para as implementações Xilinx. Vamos mergulhar mais a fundo nesses aspectos-chave para entender as nuances da portabilidade e do desempenho das Kernels HLS entre essas duas plataformas de FPGAs.

[Recursos]

[Dúvidas Frequentes]

Q: Quais são as principais vantagens das FPGAs em relação a outros dispositivos semicondutores? A: As FPGAs oferecem flexibilidade e reconfigurabilidade após a fabricação, permitindo que os desenvolvedores criem circuitos personalizados e acelerem determinadas tarefas de forma eficiente. Elas também não exigem o custo e a complexidade do projeto de circuitos integrados específicos para cada aplicação.

Q: O que é High-Level Synthesis (HLS) e como ela facilita a programação de FPGAs? A: High-Level Synthesis é uma abordagem de programação de FPGAs que permite que os desenvolvedores descrevam seus designs de hardware usando linguagens de alto nível, como C ou C++. O compilador HLS traduz automaticamente esse código em implementações otimizadas em FPGA, abstraindo a complexidade dos detalhes de hardware.

Q: Quais são os desafios da portabilidade de designs HLS entre FPGAs Intel e Xilinx? A: Embora teoricamente seja possível portar designs HLS entre FPGAs Intel e Xilinx, a portabilidade real depende de várias otimizações de hardware específicas de cada plataforma. Nem todas as otimizações podem ser diretamente mapeadas, o que pode exigir modificações adicionais no código para alcançar a mesma performance ou desempenho melhorado.

Q: Como a portabilidade e o desempenho são avaliados nesse estudo? A: Neste estudo, avaliamos a portabilidade e o desempenho das kernels selecionadas em relação às suas versões originais de FPGA Intel. Comparamos o desempenho relativo ao implementar as kernels em uma plataforma Xilinx após a portabilidade bem-sucedida. Medimos a velocidade de execução das kernels em relação às suas respectivas versões de linha de base.

Q: Quais são as contribuições deste trabalho para o campo da computação FPGA? A: As principais contribuições deste trabalho são: a abordagem de portabilidade de designs HLS entre Intel e Xilinx, a análise e modificação do código do host-site para uso em implementações Xilinx, o estudo das kernels selecionadas em relação à sua portabilidade e desempenho, e a ampliação da literatura existente em relação aos designs OpenCL que visam FPGAs Xilinx.

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