In recent years, hardware accelerators based on field-programmable gate arrays (FPGAs) have been widely adopted, thanks to FPGAs' extraordinary flexibility. However, with the high flexibility comes the difficulty in design and optimization. Conventionally, these accelerators are designed with low-level hardware descriptive languages, which means creating large designs with complex behavior is extremely difficult. Therefore, high-level synthesis (HLS) tools were created to simplify hardware designs for FPGAs. They enable the user to create hardware designs using high-level languages and provide various optimization directives to help to improve the performance of the synthesized hardware. However, applying these optimizations to achieve high performance is time-consuming and usually requires expert knowledge. To address this difficulty, we present an automated design space exploration tool for applying HLS optimization directives, called Chimera, which significantly reduces the human effort and expertise needed for creating high-performance HLS designs. It utilizes a novel multi-objective exploration method that seamlessly integrates active learning, evolutionary algorithm, and Thompson sampling, making it capable of finding a set of optimized designs on a Pareto curve with only a small number of design points evaluated during the exploration. In the experiments, in less than 24 hours, this hybrid method explored design points that have the same or superior performance compared to highly optimized hand-tuned designs created by expert HLS users from the Rosetta benchmark suite. In addition to discovering the extreme points, it also explores a Pareto frontier, where the elbow point can potentially save up to 26\% of Flip-Flop resource with negligibly higher latency.


翻译:近年来,由于FPGAs的超常灵活性,基于外地可编程门阵列的硬件加速器被广泛采用。然而,随着灵活性的提高,设计和优化方面的困难也随之而来。从公约角度讲,这些加速器是用低层次硬件描述语言设计的,这意味着创造大型设计并复杂行为的庞大设计极为困难。因此,创建了高层次合成工具以简化FPGA的硬件设计。这些工具使用户能够使用高层次语言创建硬件设计,并提供各种优化指令以帮助改进合成硬件的性能。然而,运用这些优化来实现高性能需要时间,通常需要专家知识。为了解决这一困难,我们提出了一个应用HLS优化指令的自动设计空间探索工具,称为Chimera,这大大降低了创建高性能的HLS设计所需的人力和专门知识。它使用一种新型的多目标探索方法,将积极学习、进化算法和汤普采样结合,使用户能够找到在高层次上最优化的OLS值设计,在探索时比高水平设计高水平的轨道上与高水平设计中,只有少量的专家设计。

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