Detail práce
Využití formálních metod v přibližném počítání
V minulosti se výkon počítačových systémů zvyšoval hlavně díky tzv. Mooreovu zákonu - každé dva roky se počet transistorů na čipu přibližně zdvojnásobí. V současné době tento zákon přestává platit a tak se objevují a vyvíjí nové alternativní výpočetní přístupy, které mají za úkol zrychlit a zefektivnit výpočetní systémy. Jedním z těchto přístupů je tzv. aproximované počítání, které se snaží urychlit a zefektivnit výpočty za cenu přijatelných nepřesností ve výsledcích. Tento přístup je aplikovatelný hlavně v oblastech, které jsou přirozeně odolné vůči chybám - např. neuronové sítě nebo zpracování multimédií. Techniky pro aproximované počítání se postupně vyvinuly na všech úrovních výpočetních systémů.V rámci této práce se zaměřujeme na prohledávací algoritmy pro přibližný návrh hardwarových aritmetických obvodů. Aproximace aritmetických obvodů má velký potenciál, protože tyto obvody slouží jako základní stavební kameny větších systémů. Automatizované prohledávací aproximační algoritmy často pracují iterativně. V každé iteraci se nejprve vytvoří kandidátní aproximovaná řešení (pomocí komponenty zvané syntetizér), a poté se vyhodnotí jejich chyba vzhledem ke správnému řešení (komponenta analyzátor). Pro získání kvalitních aproximovaných obvodů musí prohledávací algoritmy vykonat velké množství těchto iterací. Proto je nutná vysoká efektivita syntetizéru i analyzátoru.Abychom zvýšili výkonnost těchto komponent, zapojujeme do prohledávacího algoritmu založeném na Kartézském genetickém programování (CGP) metody formální verifikace. Analyzátor je akcelerován za použití speciálního obvodu zvaného aproximační miter, který nám umožňuje převést vyhodnocení chyby obvodu na rozhodovací problém a tento problém vyřešit pomocí nástrojů zvaných SAT solvery. Další zrychlení aproximačního algoritmu přináší nově navržená strategie, která uvaluje limit na prostředky, které může SAT solver využít při vyhodnocování chyby kandidátních řešení. Díky tomuto limitu je evoluční algoritmus motivován hledat rychle verifikovatelná řešení. Výsledkem je větší množství iterací prohledávacího algoritmu a tím pádem také vyšší kvalita výsledných aproximovaných obvodů. Použitý evoluční algoritmus se může během aproximace "zaseknout" v tzv. lokálních optimech. Navržené vylepšení syntetizéru integruje CGP a optimalizaci pod-obvodů využívající SAT solver umožňuje evolučnímu algoritmu uniknout z lokálních optim. Díky tomu může algoritmus dále zlepšovat řešení i v případech, v nichž by se původní varianta CGP již dále nezlepšila. Dalším navrženým vylepšením syntetizéru je nový mutační operátor pro CGP, vytvořený speciálně pro co nejefektivnější aproximaci obvodů.Výsledky prezentované v rámci této dizertační práce výrazně vylepšují výkonnost prohledávacích algoritmů pro aproximaci aritmetických obvodů. Díky tomu můžeme získat aproximace obvodů velkých bitových šířek se složitou vnitřní strukturou (např. 32bitové násobičky nebo 128bitové sčítačky), které poskytují doposud nejlepší známý poměr mezi aproximační chybou a spotřebou elektrické energie.
Formální verifikace, přibližné počítání, aproximované aritmetické obvody, Kartézské genetické programování, přibližná ekvivalence.
@phdthesis{FITPT1418,
author = "Ji\v{r}\'{i} Maty\'{a}\v{s}",
type = "Diserta\v{c}n\'{i} pr\'{a}ce",
title = "Vyu\v{z}it\'{i} form\'{a}ln\'{i}ch metod v p\v{r}ibli\v{z}n\'{e}m po\v{c}\'{i}t\'{a}n\'{i}",
school = "Vysok\'{e} u\v{c}en\'{i} technick\'{e} v Brn\v{e}, Fakulta informa\v{c}n\'{i}ch technologi\'{i}",
year = 2024,
location = "Brno, CZ",
language = "czech",
url = "https://www.fit.vut.cz/study/phd-thesis/1418/"
}