Original title: Metodologie pro automatický návrh nízkopříkonových aproximativních obvodů
Translated title: Automated Design Methodology for Approximate Low Power Circuits
Authors: Mrázek, Vojtěch ; Bosio, Alberto (referee) ; Fišer, Petr (referee) ; Sekanina, Lukáš (advisor)
Document type: Doctoral theses
Language: eng
Publisher: Vysoké učení technické v Brně. Fakulta informačních technologií
Abstract: [eng] [cze]
Rozšiřování moderních vestavěných a mobilních systémů napájených bateriemi zvyšuje požadavky na návrh těchto systémů s ohledem na příkon. Přestože moderní návrhové techniky optimalizují příkon, elektrická spotřeba těchto obvodů stále roste díky jejich složitosti. Nicméně existuje celá řada aplikací, kde nepotřebujeme získat úplně přesný výstup. Díky tomu se objevuje technika zvaná aproximativní (přibližné) počítání, která umožňuje za cenu zanesení malé chyby do výpočtu významně redukovat příkon obvodů. V práci se zaměřujeme na použití evolučních algoritmů v této oblasti. Ačkoliv již tyto algoritmy byly úspěšně použity v syntéze přesných i aproximativních obvodů, objevují se problémy škálovatelnosti - schopnosti aproximovat složité obvody. Cílem této disertační práce je ukázat, že aproximační logická syntéza založená na genetickém programování umožňuje dosáhnout vynikajícího kompromisu mezi spotřebou a chybou. Byla provedena analýza čtyř různých aplikacích na třech úrovních popisu. Pomocí kartézského genetického programování s modifikovanou reprezentací jsme snížili spotřebu malých obvodů popsaných na úrovni tranzistorů použitelných například v technologické knihovně. Dále jsme zavedli novou metodu pro aproximaci aritmetických obvodů, jako jsou sčítačky a násobičky, popsaných na úrovni hradel. S využitím metod formální verifikace navíc celý návrhový proces umožňuje garantovat stanovenou chybu aproximace. Tyto obvody byly využity pro významné snížení příkonu v neuronových sítích pro rozpoznávání obrázků a v diskrétní kosinově transformaci v HEVC kodéru. Pomocí nové chybové metriky nezávislé na rozložení vstupních dat jsme navrhli komplexní aproximativní mediánové filtry vhodné pro zpracování signálů. Disertační práce reprezentuje ucelenou metodiku pro návrh aproximativních obvodů na různých úrovních popisu, která navíc garantuje nepřekročení zadané chyby aproximace. The rapid expansion of modern embedded and battery-powered systems has brought new challenges for design methods oriented to low power circuits and systems. Although these methods systematically apply various power optimization techniques, the overall power requirements are still growing because of the increased complexity of integrated circuits. It has been shown that many applications are inherently error resilient and this property can be exploited for further power consumption reduction. This principle is systematically investigated in the nascent field of approximate computing. This thesis deals with efficient design methods for approximate circuits. The proposed methods are based on evolutionary algorithms (EAs). Although EAs have been applied in logic synthesis and optimization of common as well as approximate circuits, their scalability is limited in these areas. The goal of this dissertation is to show that approximate logic synthesis based on evolutionary algorithms (particularly on genetic programming) can provide excellent tradeoffs between the error and power consumption of complex digital circuits. We analyzed four different applications that use digital circuits described at three different levels of abstraction. By means of Cartesian genetic programming we reduced power consumption of small transistor-level circuits that are typically used in a technology library. We combined evolutionary approximation with formal verification techniques in order to evolve high quality gate-level approximate circuits such as adders and multipliers and provide formal guarantees on the approximation error. These circuits were employed to reduce power consumption in neural image classifiers and discrete cosine transform blocks of the HEVC encoder. We proposed a new data-independent error metric - the distance error - and used it in the evolutionary approximation of complex median circuits that are suitable for low power signal processing.  This doctoral thesis presents a coherent methodology for the design of approximate circuits at different levels of description which is also capable of providing formal guarantees on the approximation error.
Keywords: aproximační počítání; Evoluční algoritmy; kartézské genetické programování; logická syntéza; mediánové filtry; neuronová síť; obvody s nízkým příkonem; přibližná ekvivalence.; technologická knihovna; approximate computing; Cartesian Genetic Programming; Evolutionary algorithms; logic synthesis; low-power circuits; median filters; neural network; relaxed equivalence.; technology library

Institution: Brno University of Technology (web)
Document availability information: Fulltext is available in the Brno University of Technology Digital Library.
Original record: http://hdl.handle.net/11012/187321

Permalink: http://www.nusl.cz/ntk/nusl-412599


The record appears in these collections:
Universities and colleges > Public universities > Brno University of Technology
Academic theses (ETDs) > Doctoral theses