HLS高階綜合的定義及挑戰(zhàn)

HLS高階綜合的定義及挑戰(zhàn)HLS高階綜合(highlevelsynthesis)在被廣泛使用之前，作為商業(yè)技術(shù)其實已經(jīng)存在了20多年。設(shè)計團隊對于這項技術(shù)可以說呈現(xiàn)出兩極化的態(tài)度：要么堅信它是先進技術(shù)之翹楚，要么對其持謹慎懷疑態(tài)度。高級語言IP的優(yōu)勢是顯而易見的，例如易維護性、在設(shè)計周期早期進行重大變更的能力、以及大大節(jié)省產(chǎn)品上市時間等方面的優(yōu)勢都很明顯。目前的工具較之前一代工具，已有了大幅的進步：它們允許一些受歡迎的高級語言(如C和C++)的準入，這一點讓眾多軟件工程師甘之如飴。與硬件描述語言(如VHDL和VerilogHDL)不同，它并不是由一小部分工程師掌握的工具。當然，它也有局限性：語言限制，就像非可合成構(gòu)造(non-syntheticconstructs)一樣，必須解決或與特殊代碼的問題，這可能對設(shè)計性能產(chǎn)生負面影響。還有更糟糕的，大量可能解決方案都必須經(jīng)過一一驗證。目前的HLS工具是點工具(pointtools)，他們解決的是某個具體問題。軟件工程師還沒有一個生態(tài)系統(tǒng)來識別加速至硬件的代碼是否需要加速。對于那個工程師而言，這時的高階綜合可能是一個敵人，而不是朋友。如果沒有對底層多核平臺的全面理解，沒有對應(yīng)用程序進行有效和準確地分析，并且無法從設(shè)計空間中提取最佳解決方案，那么盲目斷言一個單點的工具可能會導(dǎo)致效率極低的解決方案。定義我們先退一步來說說定義。我們說高級綜合（HLS），意思是在導(dǎo)出數(shù)字電路(digitalcircuits)的過程里，這個數(shù)字電路可以在高級規(guī)范的制造過程中合成。這個術(shù)語是行為和電子系統(tǒng)的結(jié)合：是一門技術(shù)，也是一門科學(xué)，它把設(shè)計意圖抽象化，抽象視圖可以自動地將人類設(shè)計者的努力付諸現(xiàn)實。最終生成的設(shè)計應(yīng)遵循一系列要求，包括芯片面積、時鐘頻率、功耗和時間性能的要求等等。HLS工具的任務(wù)應(yīng)該是基于可移交給物理實現(xiàn)流程的而生成的優(yōu)秀設(shè)計。通常該接口是RTL(寄存器傳輸級別)，其中生成的描述是由數(shù)字設(shè)計領(lǐng)域的匯編語言VHDL和Verilog組成的，與邏輯綜合和物理實現(xiàn)可以接受的后端工具一樣高。RTL描述內(nèi)容包括生成的電路在狀態(tài)機、存儲器和寄存器存儲、流水線或多周期操作方面的功能。一個成功的HLS故事中一部分好像是一種藝術(shù)。它作為高級語言代碼(通常是C，C++或SystemC)，給出的輸入規(guī)范必須滿足對它應(yīng)該如何編寫的某些期望。而它的另一部分則是科學(xué)，因為HLS已經(jīng)成熟到足以成為硬件工程師庫存中的實用工具。盡管設(shè)計生態(tài)系統(tǒng)還不算是一個理想平臺，因為它仍不可保證達到可持續(xù)生產(chǎn)力的產(chǎn)生。因此每一個成功故事的背后，都包含著更多的不為人知的故事，包括不得不采用老辦法時倍感憤怒的團隊，因為這樣既沒有真正利用多核，也沒有平臺中的FPGA空間。尋求一個最佳解決方案(包括在面積，功率，時間性能方面)的過程必然充滿艱辛。在做設(shè)計決策時需要我們的專業(yè)知識，用戶也必須具有經(jīng)驗，才能為既定的應(yīng)用程序或程序集進行有效地HLS引擎做正確的決策。挑戰(zhàn)為了探索解決方案空間，我們必須根據(jù)給定的配置合成所得到的電路進行全方位的嘗試。使用現(xiàn)在的HLS工具，每種特定配置可能需要幾分鐘到半小時或更長時間。這顯然其實沒有幫助用戶減輕負擔，因為這個過程是手動的、緩慢的、容易出錯的，很容易導(dǎo)致明顯的非最優(yōu)解決方案。HLS引擎的常見弱點包括：-沒有早期的性能估計以及任何違反設(shè)計和平臺限制的行為-沒有利用所有可能的數(shù)據(jù)通信方式-沒有功能概述，也沒有對用戶代碼進行優(yōu)化轉(zhuǎn)換-支持代碼報告得太晚了-在某些情況下，工具的高效實施是不可能的，例如當必須將太多的加速器映射到硬件部分時。HLS工具無法預(yù)先檢測到這種情況，也無法在用戶堅持的情況下盡量減輕其影響。這些弱點都對設(shè)計周期造成損害，因為它們不允許自動設(shè)計空間探索，更不用說為所需解決方案自動生成軟件和硬件。解決辦法為了在整體生態(tài)系統(tǒng)中有效地整合高級綜合，需要更高級別的工具。Silexica的SLX是唯一真正支持多核自動生成軟件的生態(tài)系統(tǒng)，無論是硬連線(hardwired)，還是在FPGA上實現(xiàn)的軟核（如果有的話）。在我們的例子中，SLX解決方案中的分析功能保證用戶可以選擇適當時機切入設(shè)計。它使用底層平臺的模型，包括硬連線處理器和軟處理器，現(xiàn)在正在擴展到FPGA的硬件加速器。SLX了解數(shù)據(jù)通信的可能方式及其成本。它可以分析用戶代碼以識別執(zhí)行熱點。它使用快速估算引擎，在數(shù)秒或數(shù)分鐘而不是數(shù)天和數(shù)周內(nèi)，為實際工業(yè)問題進行設(shè)計空間探索。為了從具有FPGA加速器的異構(gòu)多核系統(tǒng)中獲得最佳效果，SLX面臨著有趣的挑戰(zhàn)。因此，目前正在擴展FPGA資源的高級模型，以便如何組織硬件加速。該模型將允許靈活地在每個應(yīng)用程序的基礎(chǔ)上進行架構(gòu)決策，因此非常適合HLS感知流程。它還將實現(xiàn)更準確的性能評估，這對于有效探索解決方案空間至關(guān)重要。SLX工具擴展用于自動HLS感知C代碼生成，將無縫切換到HLS工具，最后一步實現(xiàn)使用SLX進行FPGA加速的端到端自動化流程。HLS是我們應(yīng)該善待的朋友，它也不應(yīng)該承載我們錯誤的期望。為了使HLS成為一個方便且不可或缺的工具，我們需要提高設(shè)計抽象和自動化的水平。SLX通過經(jīng)過檢查的應(yīng)用程序及其輸入數(shù)據(jù)，以及底層平臺的描述，即可幫助用戶以最小的努力獲得最佳設(shè)計。通過FPGA加速器實現(xiàn)異構(gòu)多核編程的完全集成流程的要求為Silexica工程師提供了有趣的問題，敬請期待。作者介紹：NikilaosKavvadiasNikilaos來自于希臘，他于2008年畢業(yè)于希臘塞薩洛尼基亞里士多德大學(xué)（AUTH）的電子物理學(xué)專業(yè)，他的博士研究方向為定制處理器設(shè)計方法。他從2008年到2012年擔任伯羅奔尼撒大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)系的講師。2012年1月到2015年7