Despite the popularity and success of neural networks in research, the number of resulting commercial or industrial applications have been limited. A primary cause of this lack of adoption is due to the fact that neural networks are usually implemented as software running on general-purpose processors. Hence, a hardware implementation that can take advantage of the inherent parallelism in neural networks is desired. This thesis investigates how the Restricted Boltzmann machine, a popular type of neural network, can be effectively mapped to a high-performance hardware architecture on FPGA platforms. The proposed, modular framework is designed to reduce the time complexity of the computations through heavily customized hardware engines. The framework is tested on a platform of four Xilinx Virtex II-Pro XC2VP70 FPGAs running at 100MHz through a variety of different configurations. The maximum performance was obtained by instantiating a Restricted Boltzmann Machine of 256x256 nodes distributed across four FPGAs, which results in a computational speed of 3.13 billion connection-updates-per-second and a speed-up of 145-fold over an optimized C program running on a 2.8GHz Intel processor.

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Made available in DSpace on 2014-06-12T16:00:24Z (GMT). No. of bitstreams: 2 arquivo6554_1.pdf: 3066452 bytes, checksum: 91820a83661287c92ba4438dd8c7a4d7 (MD5) license.txt: 1748 bytes, checksum: 8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33 (MD5) Previous issue date: 2007 / Os dispositivos lógicos programáveis, FPGAs (Field Programmable Gate Arrays) há algum tempo têm sido uma tecnologia interessante para prototipação de circuitos digitais. Porém, esta realidade tem mudado à medida que a capacidade computacional destes dispositivos tem aumentado e o custo diminuído. Além disso, os FPGAs atuais podem utilizar menos energia que uma CPU convencional utilizaria para realizar a mesma computação. Outra característica, que traz grandes possibilidades, é a capacidade de reconfiguração em tempo de execução (reconfiguração dinâmica). Todos estes avanços permitiram a utilização dos FPGAs não só em aplicações típicas como sistemas embarcados mas também em sistemas de alto desempenho, que realizam processamento massivo de dados. Contudo, apesar das diversas vantagens apresentadas, esta tecnologia ainda não é largamente utilizada para realizar computação. Várias são as razões para isso, entre elas a exigência de um mínimo conhecimento em eletrônica digital para possibilitar o desenvolvimento dos IP-Cores; a complexidade do processo de desenvolvimento destes sistemas; os custos elevados com licenças das ferramentas e com as plataformas de desenvolvimento e a pouca portabilidade das aplicações desenvolvidas. O objetivo deste trabalho é prover uma plataforma reconfigurável que seja capaz, através de um sistema operacional e de maneira eficiente, gerenciar os recursos oferecidos pelos FPGAs. A plataforma proposta recebeu o nome de Aquarius II e foi baseada na plataforma Aquarius desenvolvida no CIn-UFPE. A arquitetura desta plataforma é híbrida e consiste de um FPGA Stratix-II da Altera responsável pelo controle da reconfiguração e tráfego dos dados e de um FPGA Virtex-II da Xilinx que é o elemento reconfigurável propriamente dito. Foram incorporados a esta plataforma um módulo de comunicação (IPCommCore) que é responsável pelo tráfego de dados do sistema operacional para a memória do dispositivo reconfigurável, um device driver para que o sistema operacional uCLinux possa controlar a comunicação através deste módulo e também foi definida uma interface de comunicação padrão para os cores reconfiguráveis que vierem a ser implementados. Para validar esta interface foi implementado e validado um core multiplicador para o Virtex-II utilizado como estudo de caso. Esta plataforma permitirá que sejam realizadas pesquisas em áreas que buscam se beneficiar desta tecnologia, como desenvolvimento de sistemas embarcados e sistemas de alta performance. O desenvolvimento de sistemas computacionais que utilizam hardware reconfigurável em sua arquitetura ainda é pouco comum e complexo. No entanto, propostas como a apresentada neste trabalho procuram solucionar ou atenuar os problemas citados e mudar sensivelmente esta realidade tornando viáveis e mais populares soluções que utilizam esta tecnologia

Modern society increasingly relies upon integrated circuits (ICs). It can be very costly if ICs do not function properly, and large portions of designer effort are spent on their verification. The use of field-programmable gate arrays (FPGAs) for verification and debug of ICs is increasing. FPGAs are faster than simulation and cost less than fabricating an ASIC prototype. However, the major challenge of using FPGAs for verification and debug is observability. Designers must use special techniques to observe the values of FPGA's internal signals. This thesis proposes a new method for increasing the observability of FPGAs and demonstrates its feasibility. The new method incrementally inserts trace buffers controlled by a trigger into already placed-and-routed FPGA designs. Incremental insertion allows several drawbacks of typical trace-based approaches to be avoided such as influencing the placing and routing of the design, large area overheads, and slow turnaround times when changes must be made to the instrumentation. It is shown that it is possible to observe every flip flop in Xilinx Virtex-5 designs using the method, given that enough trace buffer capacity is available. We investigate factors that influence the results of the method. It is shown that making the trace buffers wide may lead to routing failures. Congested areas of the circuit must be avoided when placing the trigger or this may also lead to routing failures. A drawback of the method is that it may increase the minimum period of the design, but we show that pipelining can reduce these effects. The method proves to be a promising way to observe thousands of signals in a design, potentially allowing designers to fully reconstruct the internal values of an FPGA over multiple clock cycles to assist in verification and debug.

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Distributed adaptive computing systems (ACS) allow developers to design applications using multiple programmable devices. The ACS API, an API created for distributed adaptive com-puting, gives developers the ability to design scalable ACS systems in a cluster networking environment for large applications. One such application, found in the field of bioinformatics, is the DNA sequence alignment problem. This thesis presents a runtime reconfigurable FPGA implementation of the Smith-Waterman similarity comparison algorithm. Additionally, this thesis presents tools designed for the ACS API that assist developers creating applications in a heterogeneous distributed adaptive computing environment. / Master of Science

This thesis describes the design and implementation of the JB1 reconfigurable video frame grabber board and its use in the Virginia Tech Splash system. The system utilizes the frame grabber board to provide the Splash-2 platform with real time digital images suitable for image processing. The board converts analog black and white video images (RS-170 format) into digital grey scale images of sizes up to 480 rows x 512 columns x 8 bits per pixel. The resulting images are then transferred to the Splash-2 platform in real time for subsequent processing. The board utilizes two Xilinx field programmable gate arrays (FPGAs) for implementation of different configurations. A software user interface has also been developed to control the operation of the board. / Master of Science

FPGAs (Field Programmable Gate Arrays) dinamicamente reconfiguráveis (DR-FPGAs) são soluções promissoras para muitos sistemas embarcados devido a potencial redução de área de silício. Metodologias de projeto e ferramentas CAD relacionadas são ainda muito limitadas para auxiliarem os projetistas a encontrarem soluções dinamicamente reconfiguráveis para diferentes aplicações. Este trabalho propõe uma metodologia de projeto que combina modelos de alto nível em SystemC, técnicas de projeto de baixo nível e a metodologia de projeto modular da XILINX. SystemC foi utilizada para representar o comportamento de alto nível não temporizado e não-RTL, bem como o baixo nível RTL-DCS (Chaveamento Dinâmico de Circuitos). Um estudo de caso da Banda Base de um Controlador Bluetooth foi desenvolvido. Duas partições temporais foram testadas em nove diferentes DR-FPGAs. A exploração espacial mostrou que 33% das soluções investigadas atenderam a restrição da especificação de 625µs de tempo do quadro do pacote Bluetooth, deixando diferentes parcelas de recursos livres que podem ser explorados para acomodar outros módulos IP de sistemas mais complexos no mesmo dispositivo. / Dynamically Reconfigurable Field Programmable Gate Arrays (DR-FPGAs) are promising solutions for many embedded systems due to the potential silicon area reduction. Design methodologies and related CAD tools are still very limited to assist designers to encounter dynamically reconfigurable solutions for different applications. This work proposes a design methodology that combines high level SystemC models and design techniques with the low level modular design proposed by Xilinx. SystemC has been used to represent the high level untimed non-RTL behavior as well as the low level RTL-DCS (Dynamic Circuit Switching). A Bluetooth Baseband unit case study was performed. Two temporal-functional partitions were evaluated on nine different target DR-FPGAs. The design space exploration showed that 33% of the investigated solutions complied with the 625µs Bluetooth packet time frame specification leaving different amounts if free resources that may be explored to accommodate other IP modules of more complex systems on the same device.

FPGAs (Field Programmable Gate Arrays) dinamicamente reconfiguráveis (DR-FPGAs) são soluções promissoras para muitos sistemas embarcados devido a potencial redução de área de silício. Metodologias de projeto e ferramentas CAD relacionadas são ainda muito limitadas para auxiliarem os projetistas a encontrarem soluções dinamicamente reconfiguráveis para diferentes aplicações. Este trabalho propõe uma metodologia de projeto que combina modelos de alto nível em SystemC, técnicas de projeto de baixo nível e a metodologia de projeto modular da XILINX. SystemC foi utilizada para representar o comportamento de alto nível não temporizado e não-RTL, bem como o baixo nível RTL-DCS (Chaveamento Dinâmico de Circuitos). Um estudo de caso da Banda Base de um Controlador Bluetooth foi desenvolvido. Duas partições temporais foram testadas em nove diferentes DR-FPGAs. A exploração espacial mostrou que 33% das soluções investigadas atenderam a restrição da especificação de 625µs de tempo do quadro do pacote Bluetooth, deixando diferentes parcelas de recursos livres que podem ser explorados para acomodar outros módulos IP de sistemas mais complexos no mesmo dispositivo. / Dynamically Reconfigurable Field Programmable Gate Arrays (DR-FPGAs) are promising solutions for many embedded systems due to the potential silicon area reduction. Design methodologies and related CAD tools are still very limited to assist designers to encounter dynamically reconfigurable solutions for different applications. This work proposes a design methodology that combines high level SystemC models and design techniques with the low level modular design proposed by Xilinx. SystemC has been used to represent the high level untimed non-RTL behavior as well as the low level RTL-DCS (Dynamic Circuit Switching). A Bluetooth Baseband unit case study was performed. Two temporal-functional partitions were evaluated on nine different target DR-FPGAs. The design space exploration showed that 33% of the investigated solutions complied with the 625µs Bluetooth packet time frame specification leaving different amounts if free resources that may be explored to accommodate other IP modules of more complex systems on the same device.

A busca por padrões em imagens é um problema clássico em visão computacional e consiste em detectar a presença de uma dada máscara em uma imagem digital. Tal tarefa pode se tornar consideravelmente mais complexa com a invariância aos aspectos da imagem tais como rotação, escala, translação, brilho e contraste (RSTBC - rotation, scale, translation, brightness and contrast). Um algoritmo de busca de máscara foi recentemente proposto. Este algoritmo, chamado de Ciratefi, é invariante aos aspectos RSTBC e mostrou-se bastante robusto. Entretanto, a execução deste algoritmo em um computador convencional requer diversos segundos. Além disso, sua implementação na forma mais geral em hardware é difícil pois há muitos parâmetros ajustáveis. Este trabalho propõe o projeto de um software que gera automaticamente módulos compiláveis em Hardware Description Logic (VHDL) que implementam o filtro circular do algoritmo Ciratefi em dispositivos Field Programmable Gate Array (FPGA). A solução proposta acelera o tempo de processamento de 7s (em um PC de 3GHz) para 1,367ms (em um dispositivo Stratix III da Altera). Esta performance excelente (mais do que o necessário em sistemas em tempo-real) pode levar a sistemas de visão computacional de alta performance e de baixo custo. / Template matching is a classical problem in computer vision. It consists in detecting the presence of a given template in a digital image. This task becomes considerably more complex with the invariance to rotation, scale, translation, brightness and contrast (RSTBC). A novel RSTBC-invariant robust template matching algorithm named Ciratefi was recently proposed. However, its execution in a conventional computer takes several seconds. Moreover, the implementation of its general version in hardware is difficult, because there are many adjustable parameters. This work proposes a software that automatically generates compilable Hardware Description Logic (VHDL) modules that implement the circular filter of the Ciratefi template matching algorithm in Field Programmable Gate Array (FPGA) devices. The proposed solution accelerates the time to process a frame from 7s (in a 3GHz PC) to 1.367ms (in Altera Stratix III device). This excellent performance (more than the required for a real-time system) may lead to cost-effective high-performance coprocessing computer vision systems.