Thesis of Marco Pagani

Enabling Predictable Hardware Acceleration in Heterogeneous SoC-FPGA Computing Platforms

Les architectures informatiques modernes pour les systèmes intégrés évoluent vers des plateformes de plus en plus hétérogènes, comprenant différents types de processeurs et d'accélérateurs. Cette évolution est entraînée par la nécessité de répondre à la demande croissante de capacité de calcul par les systèmes cyber-physiques modernes. Ces systèmes doivent acquérir et traiter de grandes quantités de données, provenant de différents capteurs, afin d'exécuter les tâches de contrôle et de surveillance nécessaires. Ces exigences se traduisent par la nécessité d'exécuter des charges de calcul complexes telles que des algorithmes d'apprentissage automatique, de traitement numérique des signaux et de cryptographie, en respectant les contraintes de temps imposées par l'interaction avec le monde physique. Les plateformes hétérogènes permettent de répondre à cette demande de calcul, en distribuant le travail entre les différents processeurs et accélérateurs, ce qui permet de maintenir un niveau élevé d'efficacité énergétique. Cette thèse contribue au développement du support pour les systèmes temps réels sur des plateformes hétérogènes, en présentant un ensemble de techniques et de méthodologies pour rendre prévisible l'accélération matérielle sur les plateformes SoC-FPGA. La première partie de cette thèse présente un framework pour soutenir le développement d'applications en temps réel sur les plateformes SoC-FPGA, en utilisant l'accélération matérielle et la reconfiguration dynamique partielle pour « virtualiser » les ressources logiques. Le framework est basé sur un device model qui exprime les caractéristiques des plateformes SoC-FPGA modernes, et il est structuré autour d'une infrastructure d’ordonnancement conçue pour garantir des temps de réponse limités. Cette caractéristique est fondamentale pour rendre l'accélération matérielle dynamique viable dans le contexte des systèmes critiques. La deuxième partie de la thèse présente une implémentation complète du framework proposé sur Linux. Grâce à cette implémentation, il est possible de développer des applications prévisibles dans l'environnement GNU/Linux, en profitant de l'accélération dynamique basée sur FPGA pour exécuter les opérations de calcul les plus intensifs, tout en utilisant la grande quantité de logiciels et de bibliothèques offerts par l'environnement. Ensuite, la dernière partie de cette thèse présente un mécanisme de régulation de la bande pour le bus AMBA AXI conçu pour améliorer la prévisibilité de l'accélération matérielle sur les plateformes hétérogènes.

Jury

M. Smail NIAR Université Polytechnique Hauts-de-France Examinateur M. Jörg HENKEL Karlsruhe Institute of Technology (KIT) Examinateur M. Giuseppe LIPARI Université de Lille - UMR CRIStAL Directeur de thèse M. Giorgio BUTTAZZO Scuola Superiore Sant'Anna - Istituto TeCIP Co-directeur de thèse M. Luca ABENI Scuola Superiore Sant'Anna - Istituto TeCIP Examinateur Mme Francesca PALUMBO Dipartimento PolComIng Examinatrice Mme Liliana CUCU-GROSJEAN INRIA Rapporteure M. Sanjoy BARUAH Washington University in St. Louis Rapporteur

Thesis of the team Émeraude defended on 20/07/2020