Evaluation de la qualité des systèmes en virgule fixe avec la simulation sélective

Quality Evaluation in Fixed-point Systems with Selective Simulation

• Auteur / Autrice : Riham Nehmeh
• Direction : Daniel Ménard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Traitement du Signal et de l'Image
• Date : Soutenance le 13/06/2017
• Etablissement(s) : Rennes, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, télécommunications, informatique, signal, systèmes, électronique (Rennes)
• Partenaire(s) de recherche : COMUE : Université Bretagne Loire (2016-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Société STMicroelectronics Rousset SAS
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Électronique et de Télécommunications (Rennes)
• Jury : Président / Présidente : Éric Martin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Daniel Ménard, Éric Martin, Michel Paindavoine, Lionel Lacassagne, Andrei Banciu
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Michel Paindavoine

Mots clés

Mots clés contrôlés

Langages de description de matériel informatique

Logiciels

Traitement du signal -- Techniques numériques

Consommation d'énergie

Simulation par ordinateur

Systèmes embarqués (informatique)

Arithmétique en virgule flottante

Arithmétique en virgule fixe

Mots clés libres

Optimisation

Applications

Floating-point arithmetic

Embedded computer systems

Computer simulation

Computer hardware description languages

Résumé

Le temps de mise sur le marché et les coûts d’implantation sont les deux critères principaux à prendre en compte dans l'automatisation du processus de conception de systèmes numériques. Les applications de traitement du signal utilisent majoritairement l'arithmétique virgule fixe en raison de leur coût d'implantation plus faible. Ainsi, une conversion en virgule fixe est nécessaire. Cette conversion est composée de deux parties correspondant à la détermination du nombre de bits pour la partie entière et pour la partie fractionnaire. Le raffinement d'un système en virgule fixe nécessite d'optimiser la largeur des données en vue de minimiser le coût d'implantation tout en évitant les débordements et un bruit de quantification excessif. Les applications dans les domaines du traitement d'image et du signal sont tolérantes aux erreurs si leur probabilité ou leur amplitude est suffisamment faible. De nombreux travaux de recherche se concentrent sur l'optimisation de la largeur de la partie fractionnaire sous contrainte de précision. La réduction du nombre de bits pour la partie fractionnaire conduit à une erreur d'amplitude faible par rapport à celle du signal. La théorie de la perturbation peut être utilisée pour propager ces erreurs à l'intérieur des systèmes à l'exception du cas des opérations un- smooth, comme les opérations de décision, pour lesquelles une erreur faible en entrée peut conduire à une erreur importante en sortie. De même, l'optimisation de la largeur de la partie entière peut réduire significativement le coût lorsque l'application est tolérante à une faible probabilité de débordement. Les débordements conduisent à une erreur d'amplitude élevée et leur occurrence doit donc être limitée. Pour l'optimisation des largeurs des données, le défi est d'évaluer efficacement l'effet des erreurs de débordement et de décision sur la métrique de qualité associée à l'application. L'amplitude élevée de l'erreur nécessite l'utilisation d'approches basées sur la simulation pour évaluer leurs effets sur la qualité. Dans cette thèse, nous visons à accélérer le processus d'évaluation de la métrique de qualité. Nous proposons un nouveau environnement logiciel utilisant des simulations sélectives pour accélérer la simulation des effets des débordements et des erreurs de décision. Cette approche peut être appliquée à toutes les applications de traitement du signal développées en langage C. Par rapport aux approches classiques basées sur la simulation en virgule fixe, où tous les échantillons d'entrée sont traités, l'approche proposée simule l'application uniquement en cas d'erreur. En effet, les dépassements et les erreurs de décision doivent être des événements rares pour maintenir la fonctionnalité du système. Par conséquent, la simulation sélective permet de réduire considérablement le temps requis pour évaluer les métriques de qualité des applications. De plus, nous avons travaillé sur l'optimisation de la largeur de la partie entière, qui peut diminuer considérablement le coût d'implantation lorsqu'une légère dégradation de la qualité de l'application est acceptable. Nous exploitons l'environnement logiciel proposé auparavant à travers un nouvel algorithme d'optimisation de la largeur des données. La combinaison de cet algorithme et de la technique de simulation sélective permet de réduire considérablement le temps d'optimisation.

Time-to-market and implementation cost are high-priority considerations in the automation of digital hardware design. Nowadays, digital signal processing applications use fixed-point architectures due to their advantages in terms of implementation cost. Thus, floating-point to fixed-point conversion is mandatory. The conversion process consists of two parts corresponding to the determination of the integer part word-length and the fractional part world-length. The refinement of fixed-point systems requires optimizing data word -length to prevent overflows and excessive quantization noises while minimizing implementation cost. Applications in image and signal processing domains are tolerant to errors if their probability or their amplitude is small enough. Numerous research works focus on optimizing the fractional part word-length under accuracy constraint. Reducing the number of bits for the fractional part word- length leads to a small error compared to the signal amplitude. Perturbation theory can be used to propagate these errors inside the systems except for unsmooth operations, like decision operations, for which a small error at the input can leads to a high error at the output. Likewise, optimizing the integer part word-length can significantly reduce the cost when the application is tolerant to a low probability of overflow. Overflows lead to errors with high amplitude and thus their occurrence must be limited. For the word-length optimization, the challenge is to evaluate efficiently the effect of overflow and unsmooth errors on the application quality metric. The high amplitude of the error requires using simulation based-approach to evaluate their effects on the quality. In this thesis, we aim at accelerating the process of quality metric evaluation. We propose a new framework using selective simulations to accelerate the simulation of overflow and un- smooth error effects. This approach can be applied on any C based digital signal processing applications. Compared to complete fixed -point simulation based approaches, where all the input samples are processed, the proposed approach simulates the application only when an error occurs. Indeed, overflows and unsmooth errors must be rare events to maintain the system functionality. Consequently, selective simulation allows reducing significantly the time required to evaluate the application quality metric. 1 Moreover, we focus on optimizing the integer part, which can significantly decrease the implementation cost when a slight degradation of the application quality is acceptable. Indeed, many applications are tolerant to overflows if the probability of overflow occurrence is low enough. Thus, we exploit the proposed framework in a new integer word-length optimization algorithm. The combination of the optimization algorithm and the selective simulation technique allows decreasing significantly the optimization time.