Application specific programmable processors for reconfigurable self-powered devices

Abstract

<div lang="en" class="abs"><p class="abs_header">Abstract</p><p>The current Internet of Things solutions for simple measurement and monitoring tasks are evolving into ubiquitous sensor networks that are constantly observing both our well being and the conditions of our living environment. The oncoming omnipresent wireless infrastructure is expected to feature artificial intelligence capabilities that can interpret human actions, gestures and even needs. All of this will require processing power on a par with and energy efficiency far beyond that of the current mobile devices.</p><p>The current Internet of Things devices rely mostly on commercial low power off-the-shelf micro-controllers. Optimized solely for low power, while paying little attention to computing performance, the present solutions are far from achieving the energy efficiency, let alone, the compute capability requirements of the future Internet of Things solutions. Since this domain is application specific by nature, the use of general purpose processors for signal processing tasks is counterintuitive. Instead, dedicated accelerator based solutions are more likely to be able to meet these strict demands.</p><p>This thesis proposes one potential solution for achieving the necessary low energy, as well as the flexibility and performance requirements of the Internet of Things domain in a cost effective manner using reconfigurable heterogeneous processing solutions. A novel graphics processing unit-style accelerator for the Internet of Things application domain is presented. Since the accelerator can be reconfigured, it can be used for most applications of the Internet of Things domain, as well as other application domains.</p><p>The solution is assessed using two computer vision applications, and is demonstrated to achieve an excellent combination of performance and energy efficiency. The accelerator is designed using an efficient and rapid co-design flow of software and hardware, featuring ease of development characteristics close to commercial off-the-shelf solutions, which also enables cost-efficient design flow.</p></div>

<div lang="fi" class="abs"><p class="abs_header">Tiivistelmä</p><p>Esineiden internet tulee muuttamaan tulevaisuudessa elinympäristömme täysin. Se tulee mahdollistamaan interaktiiviset ympäristöt nykyisten passiivisten ympäristöjen sijaan. Lisäksi elinympäristömme tulee reagoimaan tekoihimme ja puheeseemme sekä myös tunteisiimme. Tämä kaikkialla läsnä olevan langaton infrastruktuuri tulee vaatimaan ennennäkemätöntä laskentatehokkuutta yhdistettynä äärimmäiseen energiatehokkuuteen.</p><p>Nykyiset esineiden internet ratkaisut nojaavat lähes täysin kaupallisiin "suoraan hyllyltä" saataviin yleiskäyttöisiin mikrokontrollereihin. Ne ovat kuitenkin optimoituja pelkästään matalan tehonkulutuksen näkökulmasta, eivätkä niinkään energiatehokkuuden, saati tulevaisuuden esineiden internetin vaatiman laskentatehon suhteen. Kuitenkin esineiden internet on lähtökohtaisesti sovelluskohtaista laskentaa vaativa, joten yleiskäyttöisten prosessoreiden käyttö signaalinkäsittelytehtäviin on epäloogista. Sen sijaan sovelluskohtaisten kiihdyttimien käyttö laskentaan, todennäköisesti mahdollistaisi tavoitellun vaatimustason saavuttamisen.</p><p>Tämä väitöskirja esittelee yhden mahdollisen ratkaisun matalan energian kulutuksen, korkean suorituskyvyn ja joustavuuden yhdenaikaiseen saavuttamiseen kustannustehokkaalla tavalla, käyttäen uudelleenkonfiguroitavia heterogeenisiä prosessoriratkaisuja. Työssä esitellään uusi grafiikkaprosessori-tyylinen uudelleen konfiguroitava kiihdytin esineiden internet sovellusalueelle, jota pystytään hyödyntämään useimpien laskentatehoa vaativien sovellusten kanssa.</p><p>Ehdotetun kiihdyttimen ominaisuuksia arvioidaan kahta konenäkösovellusta esimerkkinä käyttäen ja osoitetaan sen saavuttavan loistavan yhdistelmän energia tehokkuutta ja suorituskykyä. Kiihdytin suunnitellaan käyttäen tehokasta ja nopeaa ohjelmiston ja laitteiston yhteissuunnitteluketjua, jolla voidaan saavuttaa lähestulkoon kaupallisten "suoraan hyllyltä" saatavien prosessoreiden kehitystyön helppous, joka puolestaan mahdollistaa kustannustehokkaan kehitys- ja suunnittelutyön.</p></div>