Reconfigurable Computing - Cheatsheet

Unterschiede zwischen Reconfigurable Computing und traditionellen Hardware-/Softwarearchitekturen

Definition:

Vergleich zwischen Reconfigurable Computing (RC) und traditionellen Hardware-/Softwarearchitekturen (HW/SW) – schnelle Anpassungsfähigkeit vs. spezialisierte Effizienz

Details:

• Flexibilität vs. Spezialisierung: RC bietet anpassbare Hardware für verschiedene Aufgaben, traditionelle HW/SW ist auf festgelegte Funktionen optimiert.
• Leistung: RC kann oft spezialisierte HW-Leistung bieten, ohne die Produktionskosten und Entwicklungszeiten von ASICS. RC ermöglicht Anpassungen nach dem Herstellungsprozess.
• Entwicklungskosten und Zeit: Entwicklungszeit und -kosten für RC sind oft geringer, da dieselbe Hardware für verschiedene Anwendungen genutzt werden kann. HW/SW erfordert oft teure und zeitaufwendige Neuentwicklung.
• Energieeffizienz: Traditionelle HW ist effizienter, da sie für spezifische Aufgaben optimiert ist, während RC schneller für wechselnde Anforderungen angepasst werden kann.
• Beispielarchitekturen: RC: FPGA, CPLD. HW/SW: Mikroprozessoren (CPU), Mikrocontroller (MCU), ASICs.

Programmierung und Konfiguration von FPGAs

Definition:

Programmierung und Konfiguration von FPGAs umfasst das Entwerfen und Laden von Hardwarebeschreibungen auf einem FPGA-Chip.

Details:

• FPGA: Field Programmable Gate Array
• Verwendete Sprachen: VHDL, Verilog, High-Level Synthesis (HLS)
• Design-Flow: Entwurf, Simulation, Synthese, Implementierung, Bitstream-Generierung, Konfiguration
• Tools: Xilinx Vivado, Intel Quartus, Lattice Diamond
• Vorteile: Hohe Flexibilität, Parallelität, Anpassungsfähigkeit
• Nachteile: Komplexität, längere Entwicklungszeit gegenüber Software

Optimierungstechniken für Leistungsfähigkeit und Energieeffizienz

Definition:

Techniken zur Verbesserung der Systemleistung und Reduktion des Energieverbrauchs in rekonfigurierbaren Systemen.

Details:

• Dynamic Voltage and Frequency Scaling (DVFS): Anpassung von Spannung und Frequenz in Echtzeit, um Energie zu sparen.
• Clock Gating: Abschalten von Takt-Signalen in inaktiven Modulen.
• Power Gating: Abschalten der Stromversorgung für ungenutzte Module.
• Resource Sharing: Gemeinsame Nutzung von Ressourcen zur Reduzierung redundanter Hardware.
• Rekonfigurieren zur Laufzeit: Anpassung der Hardware an aktuelle Aufgaben zur Verbesserung der Effizienz.
• Task Mapping und Scheduling: Optimale Zuordnung und Reihenfolge von Aufgaben zur Minimierung der Ausführungszeit und des Energieverbrauchs.

Einführung in VHDL und Verilog

Definition:

Einführung in VHDL und Verilog im Kontext des Kurses Reconfigurable Computing. Dienen zur Modellierung und Beschreibung von Hardware auf Registerübertragungsebene (RTL).

Details:

• VHDL (VHSIC Hardware Description Language): Strikte Syntax, ähnlich wie Ada, unterstützt stark typisierte Entwürfe.
• Verilog: C-ähnliche Syntax, häufig in der Industrie genutzt, erlaubt flexibelere Konstrukte.
• Datentypen und Operationen: Signale, Variablen, Zuweisung (\texttt{<=} in VHDL, \texttt{=} bzw. \texttt{<=} in Verilog).
• Strukturierte Entwurfseinheiten: Entity/Architecture in VHDL, Module in Verilog.
• Prozesstypen: Prozess in VHDL (synchron/asynchron), immer/initial Blöcke in Verilog.
• Taktzyklus: Definition von synchronen und asynchronen Prozessen.
• Simulative und synthetisierbare Modelle: Unterschied zwischen Code für Simulation und echter Hardware.
• Beispiele: LED-Ansteuerung, Zähler, Zustandsautomaten (FSM).
• Verwendung im FPGA-Design: Basis für reconfigurable computing.

Simulation und Verifikation von Designs

Definition:

Simulation und Verifikation von Schaltungsdesigns sind kritische Schritte in der Entwicklung von rekonfigurierbarer Hardware, die sicherstellen, dass das Design korrekt und funktional ist.

Details:

• Zweck: Finden von Fehlern und Verifizieren der Funktionalität
• Simulation: Testlauf des Designs mit simulierten Signalen
• Verifikation: Formale Methoden und Testbenches nutzen
• Tools: ModelSim, VCS, Vivado
• Statische Verifikation: Linting, formale Verifikation
• Dynamische Verifikation: Verhalten des Designs unter realen Bedingungen testen

Vorteile und Herausforderungen von Reconfigurable Computing

Definition:

Vor-und Nachteile von Reconfigurable Computing - wichtig für Entscheidungsfindung bei Systemdesign

Details:

• Vorteile:
• Flexibilität bei Anpassungen an spezifische Aufgaben
• Höhere Performance durch Hardware-Beschleunigung
• Energieeffizienz durch optimierte Schaltungen
• Wiederverwendbarkeit von Hardware
• Herausforderungen:
• Komplexität der Hardware-Programmierung
• Lange Entwicklungszeiten
• Höhere Kosten für initiale Entwicklung
• Kompatibilitätsprobleme mit existierenden Tools und Software

Fallstudien von erfolgreichen Implementierungen

Definition:

Fallstudien von erfolgreichen Implementierungen: Analyse und Beschreibung von Projekten, bei denen rekonfigurierbare Computertechnologien erfolgreich eingesetzt wurden.

Details:

• Identifiziert Schlüsselstrategien und Best Practices.
• Analyse von Einsatzbereichen: z.B. Bildverarbeitung, Kryptographie, Machine Learning.
• Vergleich von Leistungskennzahlen: Energieeffizienz, Geschwindigkeit, Flexibilität.
• Fallbeispiele: Konkrete Projekte an Forschungseinrichtungen oder in der Industrie.
• Lehren und Erkenntnisse: Wichtige Erkenntnisse und Faktoren für den Erfolg.

Neue Trends und Entwicklungen im Reconfigurable Computing

Definition:

Definiton/Erklärung der neuesten Trends und Entwicklungen in der rekonfigurierbaren Datenverarbeitung.

Details:

• Verwendung von High-Level-Synthesewerkzeugen (HLS) zur vereinfachten Hardwarebeschreibung.
• Integration von AI/ML-Beschleunigern (z.B. FPGA-basierte KI-Engines).
• Steigende Nutzung von System-on-Chip (SoC)-FPGAs.
• Verbesserte Hard- und Softwaresicherheit.
• Niedrigere Entwicklungs- und Produktionskosten durch flexible Designanpassungen.
• Erhöhte Effizienz durch dynamische Anpassung an die Rechenanforderungen.
• Nutzung von Reconfgurable Dataflow Architectures.
• Entwicklung neuer Tools für die Energieoptimierung.