|
|
Automated Multi-Objective Parallel Evolutionary Circuit Design and Approximation
Hrbáček, Radek ; Fišer, Petr (oponent) ; Trefzer,, Martin (oponent) ; Sekanina, Lukáš (vedoucí práce)
Recently, energy efficiency has become one of the most important properties of computing platforms, especially because of limited power supply capacity of battery-power devices and very high consumption of growing data centers and cloud infrastructure. At the same time, in an increasing number of applications users are able to tolerate inaccurate or incorrect computations to a certain extent due to the imperfections of human senses, statistical nature of data processing, noisy input data etc. Approximate computing, an emerging paradigm in computer engineering, takes advantage of relaxed functionality requirements to make computer systems more efficient in terms of energy consumption, computing performance or complexity. Error resilient applications can achieve significant savings while still serving their purpose with the same or a slightly degraded quality. Even though new design methods for approximate computing are emerging, there is a lack of methods for automated approximate HW/SW design offering a rich set of compromise solutions. Conventional methods often produce solutions that are far from an optimum. Evolutionary algorithms have been shown to bring innovative solutions to complex design and optimization problems. However, these methods suffer from several problems, such as the scalability or a high number of fitness evaluations needed to evolve competitive results. Finally, existing methods are usually single-objective whilst multi-objective approach is more suitable in the case of approximate computing. In this thesis, a new automated multi-objective parallel evolutionary algorithm for circuit design and approximation is proposed. The method is based on Cartesian Genetic Programming. In order to improve the scalability of the algorithm, a brand new highly parallel implementation was proposed. The principles of the NSGA-II algorithm were used to provide the multi-objective design and approximation capability. The performance of the implementation was evaluated in multiple different applications, in particular (approximate) combinational arithmetic circuits design, bent Boolean functions discovery and approximate logic circuits for TMR schema. In these cases, important improvements with respect to the state of the art were obtained.
|
|
|
Automated Design Methodology for Approximate Low Power Circuits
Mrázek, Vojtěch ; Bosio, Alberto (oponent) ; Fišer, Petr (oponent) ; Sekanina, Lukáš (vedoucí práce)
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.
|
|
|
Evoluční návrh pro aproximaci obvodů
Dvořáček, Petr ; Vašíček, Zdeněk (oponent) ; Sekanina, Lukáš (vedoucí práce)
V posledních letech klademe stále větší důraz na energetickou úspornost integrovaných obvodů. Můžeme vytvořit aproximační obvody, které nesplňují specifikovanou logickou funkci, a které jsou cíleně navrženy ke snížení velikosti, doby odezvy a příkonu. Tyto nepřesné obvody lze využít v mnoha aplikacích, kde lze tolerovat chyby, obzvláště v aplikacích ve zpracování signálů a obrazu, počítačové grafiky a strojového učení. Tato práce popisuje evoluční přístup k návrhu aproximačních aritmetických obvodů a dalších složitějších obvodů. Díky paralelnímu výpočtu fitness byl evoluční návrh osmibitových násobiček urychlen až 170 krát oproti standardnímu přístupu. Pomocí inkrementální evoluce byly vytvořeny různé aproximační aritmetické obvody. Vyvinuté obvody byly použity v různých typech detektorů hran.
|
|
|
Analýza genetické příbuznosti aproximativních obvodů
Krejčík, Vojtěch ; Mrázek, Vojtěch (oponent) ; Sekanina, Lukáš (vedoucí práce)
Cílem práce je analýza velké knihovny aproximativních obvodů (EvoApproxLib), která byla vytvořena evolučním algoritmem a kterou v této práci chápeme jako zdroj genetických dat. Konkrétně se jedná o hledání příbuznosti v souboru obsahujícím 24912 osmibitových aproximativních násobiček, které byly evolučně vytvořeny ze šesti různých rodičovských plně funkčních implementací operace násobení. Jako ukazatele příbuznosti byly zvoleny počty hradel a existence 16 specifických podobvodů. Na základě těchto ukazatelů (příznaků) byly natrénovány různé klasifikátory pro zařazení násobičky do jedné ze šesti tříd odpovídající rodičovským implementacím. S těmito ukazateli se podařilo dosáhnout úspěšnosti klasifikace až 77%. Výsledky této práce ukazují, že kombinace specifických podobvodů jsou silným indikátorem, ze kterého rodičovského obvodu daný aproximativní obvod pochází.
|
|
|
Approximate Implementation of Arithmetic Operations in Image Filters
Válek, Matěj ; Vašíček, Zdeněk (oponent) ; Sekanina, Lukáš (vedoucí práce)
This Master's thesis deals with approximate implementations of arithmetic operations in image filters. In particular, it uses approximation techniques to adjust the multiplication operations in a non-trivial image filter. Several methods are employed, such as converting the floating-point multiplication to fixed-point multiplication, applying evolutionary algorithms, especially Cartesian genetic programming, to create new approximate multipliers that have an acceptable level of error, and at the same time, reduced filtering complexity. The result is a collection of approximate multipliers evolved with respect to the data distribution retrieved from the image filter. Approximate image filters that use evolved approximate multipliers are compared with the standard image filter on a set of images.
|
|
|
Dynamická aproximace číslicových obvodů
Jásenský, Michal ; Hrbáček, Radek (oponent) ; Sekanina, Lukáš (vedoucí práce)
Tato bakalářská práce se zabývá návrhem metody postavené na kartézském genetickém programování, která umožňuje evoluční návrh obvodů schopných dynamické rekonfigurace. Cílem rekonfigurace obvodu je dynamicky měnit počet použitých komponent v obvodu a tím měnit přesnost výpočtu. Je zde popsána implementace navržené metody. Metoda je experimentálně ověřena a demonstrována na několika zvolených obvodech.
|
|
|
Využití přibližného počítání v oblasti zpracování obrazu
Hruda, Petr ; Vašíček, Zdeněk (oponent) ; Bidlo, Michal (vedoucí práce)
Tato semestrální práce se zabývá aplikací techniky přibližného počítání na oblast zpracování obrazu. Konkrétně je aproximace uplatněna na adaptivní prahování obrazu. Byly využity dva přístupy, návrh nového systému za poskytnutí aproximovaných součástek a aproximace existujícího algoritmu. Byl zkoumán výsledný vliv na kvalitu prahování. Experimentální vyhodnocení prvního přístupu vykazuje zlepšení kvality prahování s rozumným stupněm aproximace poskytnutých součástek. Snížena je i plocha, kterou navržené řešení zabírá. Vyhodnocení druhého přístupu vykazuje zhoršení kvality s využíváním aproximací a tento přístup je tedy označen za nevhodný.
|
|
|
Evoluční aproximace obrazových filtrů
Foukal, Tomáš ; Bidlo, Michal (oponent) ; Sekanina, Lukáš (vedoucí práce)
Tato diplomová práce popisuje problematiku aproximativního počítání, filtrování obrazu v hardwaru a evolučních algoritmů. Představuje řešení problému evoluční aproximace mediánových filtrů, kdy je cílem snížit výpočetní a implementační náročnost filtrace a současně minimalizovat chybu výpočtu. Na základě získaných poznatků a návrhů byly vytvořeny implementace nutných programů. Experimentální vyhodnocení ukazuje, že navržená metoda může pro mediánový filtr poskytovat dobrý kompromis mezi kvalitou filtrování a implementační cenou.
|
|
|
Aplikace přibližných výpočtů v genetickém programování
Ševčík, David ; Vašíček, Zdeněk (oponent) ; Bidlo, Michal (vedoucí práce)
Tato práce se zabývá možnostmi zapojení aproximačních obvodů do evolučního návrhu klasifikátorů pomocí kartézského genetického programování. Jako případová studie je zvolen problém klasifikace ručně psaných číslic. Cílem je ověřit schopnosti klasifikátorů využívajících aproximačních obvodů a poskytnout výsledky, které budou mít oproti konvenčním klasifikátorům určité výhody. Bude ukázáno, že využitím přibližných výpočtů je možné získat klasifikátory s jednodušší implementací, které zachovávají přesnost klasifikace oproti konvenčním klasifikátorům nebo ji v některých případech dokonce překonávají.
|
|
|
Analýza genetické příbuznosti aproximativních obvodů
Krejčík, Vojtěch ; Mrázek, Vojtěch (oponent) ; Sekanina, Lukáš (vedoucí práce)
Cílem práce je analýza velké knihovny aproximativních obvodů (EvoApproxLib), která byla vytvořena evolučním algoritmem a kterou v této práci chápeme jako zdroj genetických dat. Konkrétně se jedná o hledání příbuznosti v souboru obsahujícím 24912 osmibitových aproximativních násobiček, které byly evolučně vytvořeny ze šesti různých rodičovských plně funkčních implementací operace násobení. Jako ukazatele příbuznosti byly zvoleny počty hradel a existence 16 specifických podobvodů. Na základě těchto ukazatelů (příznaků) byly natrénovány různé klasifikátory pro zařazení násobičky do jedné ze šesti tříd odpovídající rodičovským implementacím. S těmito ukazateli se podařilo dosáhnout úspěšnosti klasifikace až 77%. Výsledky této práce ukazují, že kombinace specifických podobvodů jsou silným indikátorem, ze kterého rodičovského obvodu daný aproximativní obvod pochází.
|
host ::
RSS.