Création du thème "systèmes reconfigurables"

Travaux récents

Jean Vuillemin - nouveau professeur d'informatique au DMI - est le pionnier des Mémoires Actives Programmables PAM - voir [VB+96].

Mark Shand (Consulting Engineer, Digital Equipment Corporation) rejoint aussi le DMI pour y développer Pamette - la première PAM pour bus PCI.

Les systèmes reconfigurables PAM couplent un microprocesseur à de la logique programmable (Field Programmable Gate Array FPGA). Le système DECPeRLe1 réalisé en 1992 à DEC-Paris Research Laboratory double le prix et le volume d'une station de travail de l'époque et détient encore sept records absolus de vitesse - toutes technologies confondues, du super ordinateur au circuit VLSI, encore en 1997 !

1. Analyse numérique : résolution à 40 GIPS de l'équation de la chaleur en 3D et des équations de Laplace [Vui93b].
2. Vision stéréographique [FVTV+93].
3. Physique des hautes énergies : PeRLe1 est l'unique machine existante sur laquelle le calorimètre, le Transition Radiation Detector et le Silicon Tracker du futur LHC au CERN tournent à la fréquence de 100KHz par image : [MVBL95], [BBBB95], [MVB95], [Vui94] et [LMBV94].
4. Télécommunication : constraint length 15 Viterbi decoder [KLS+93].
5. Cryptographie RSA : record officiel à 600 Kbauds pour clés de 512 bits. Une nouvelle structure pour les multiplicateurs modulaires [SV93] est à l'origine de cette performance.

Projets à l'École Normale

Étudier l'architecture, les applications et la programmation des systèmes reconfigurables.

1. La densité de calcul (nombre d'opérations binaires par unité de temps et de surface) des FPGA est de 100 à 1000 fois celle des microprocesseurs. Le circuit CHESS [MSV97] en cours de réalisation par Hewlett Packard devrait montrer que les Field Programmable Arithmetic Array FPAA permettent de gagner encore un ordre de grandeur en densité de calcul sur les FPGA. Les questions théoriques qui suivent sont simples à poser. Quelle architecture maximise la densité de calcul ? La théorie résultante voudrait être au calcul ce que la théorie de Shannon est à la transmission de l'information. Difficiles et abstraites, ces questions sont pourtant primordiales pour l'industrie qui doit minimiser le coût en $ du calcul d'une incroyable variété de fonctions digitales.
2. Les applications de Pamette couvrent de multiples disciplines, de la biologie à la physique des hautes énergies, en passant par l'astronomie solaire, l'instrumentation numérique et l'imagerie médicale. Au travers de telles applications, nous comptons établir des ponts scientifiques solides entre l'informatique et les autres disciplines étudiées à l'École et ailleurs.
3. La logique programmable - qui peut être f)réalisée sur PAM en quelques millisecondes - remet en question les techniques de description du hardware classique - qui est fabriqué en plusieurs mois. En collaboration avec l'École des Mines, nous définissons et réalisons le langage 3Z qui vise à appliquer les techniques les plus avancées en matière de typage comme en matière de synthèse de circuits synchrones.

Ces trois thèmes présentent des sujets de recherche théorique motivants en liaison avec les théories de l'information et de la complexité [Vui94a], les algorithmes massivement parallèles [Vui93c], [LMBV94] et l'arithmétique [Vui94], [Vui94b], [DMV94].

Les trois thèmes présentent aussi des sujets de recherche visant à des réalisations pratiques pour des applications de pointe en physique des hautes énergies [MVB95], [B+95], [MVBL96], astronomie [KSV+93], [A+97], instrumentation [SWS95], biologie, images [S95], [FVTV+93], télécommunications [KLS+93], cryptographie [SV93] et autres. Dans un tel travail, on doit d'abord comprendre en profondeur les contraintes propres au domaine d'application, et trouver ensuite comment les concilier avec celles du calcul digital très haute performance. Il s'agit bien de fouiller la science dans ses endroits les plus riches : ceux qui sont communs à deux disciplines.

Le potentiel des systèmes reconfigurables - diminuer beaucoup le coût de certains calculs clés - est reconnu par tous les industriels des hautes technologies ; aujourd'hui, ce sujet est l'une des coqueluches de la Silicon Valley. Ceci apporte aux chercheurs du domaine une source précieuse de problèmes issus du monde réel, et un intérêt réel et soutien industriel quand on tente de les résoudre.

Références

Vui93b

J. Vuillemin.

Contribution à la résolution numérique des équations de Laplace et de la chaleur, Mathematical Modelling and Numerical Analysis, AFCET, Gauthier-Villars, RAIRO, 27:5:591-611, 1993.

KLS+93

R.A. Keaney, C.H. Lee, D.J. Skellern, M. Shand and J. Vuillemin. Implementation of long constraint length viterbi decoders using Programmable Active Memories, Proceedings of the 11th Australian Microelectronics Conference, Sydney, Australia, 52-57, Oct. 1993.

SV93

M. Shand and J. Vuillemin.

Fast implementation of RSA cryptography, 11-th IEEE Symposium on Computer Arithmetic, Windsor, Ontario, Canada, 1993.

KSV+93

S. Katsanevas, M. Shand, J. Vuillemin, DecPeRLe-1 Implementation Of NESTOR's First Level Trigger, Proc. 3rd NESTOR International Workshop, Pylos-Greece, Edited by L.K. Resvanis, Universtity of Athens, Dept of Physics, 19-21, Oct. 1993.

Vui94

J. Vuillemin.

On circuits and numbers, IEEE Trans. on Computers, 43:8:868-79, 1994.

Vui94a

J.Vuillemin. On computing power, Lecture Notes in Computer Science, Springer-Verlag, International Conference on Programming Languages and System Architectures, Zurich, Switzerland, 782:69-86, March 1994.

Vui94b

J. Vuillemin. Specification for the Transition Radiation Tracker on DECPeRLe , CERN/EAST note 94-12, April 1, 1994, Centre pour l'Etude des Réactions Nucléaires, Geneva, Switzerland.

LMBV94

L. Lundheim, L. Moll, P. Boucard, J. Vuillemin. TRT on DecPeRLe-1 (june '94 version)  : Algorithm, Implementation, Test and Future. CERN/EAST note 94-20, August 12, 1994, European Laboratory for High Energy Physics, 1211 Geneva 23, Switzerland.

Vui94c

J.Vuillemin. Fast linear Hough transform, The International Conference on Application-Specific Array Processors, IEEE press, 1-9, 1994.

DMV94

M. Daumas, J.-M. Muller and J. Vuillemin. Implementing on line arithmetic on PAM, Fourth International Workshop on Field Programmable Logic Applications, Prague, Czech Republic, Sept. 1994.

MVB95

L. Moll, J. Vuillemin and P. Boucard. High-Energy Physics on DECPeRLe-1 Programmable Active Memory, Proceedings of the 1995 ACM/SIGDA Symposium on FPGAs, Monterey (CA), Feb. 1995.

S95

Mark Shand,

Flexible image acquisition using reconfigurable hardware, FPGAs for Custom Computing Machines (FCCM'95), IEEE, April 1995.

B+95

D. Belosloudtsev, P. Bertin, R.K. Bock, P. Boucard, V. Doersing, P. Kammel, S. Khabarov, F. Klefenz, W. Krischer, A. Kugel, L. Lundheim, R. Maenner, L. Moll, K.H. Noffz, A. Reinsch, D. Roncin, M. Shand, J. Vuillemin, R. Zoz, A commercial image processing system considered for triggering in future LHC experiments, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, Vol. A356, pp. 304-308, 1995.

SWS95

Mark Shand, Wang Wei, and Goran Scharmer,

A 3.8ms latency correlation tracker for active mirror control based on a reconfigurable interface to a standard workstation, Photonic East Symposium '95, 2607-16. SPIE, October 1995.

MVBL96

L. Moll, J. Vuillemin, P. Boucard and L. Lundheim, Real-time High-Energy Physics Applications on DECPeRLe-1 Programmable Active Memory, Journal of VLSI Signal Processing, Vol 12, pp. 21-33, 1996.

VB+96

J. Vuillemin, P. Bertin , D. Roncin, M. Shand, H. Touati, P. Boucard

Programmable Active Memories: the Coming of Age, IEEE Trans. on VLSI,Vol. 4, NO. 1, 56-69, March 1996.

A+97

J. Sanchez Almeida, M. Collados, V. Martinez Pillet, V. Gonzalez Escalera, G.B. Scharmer, M.Shand, L. Moll, E. Joven, A. Cruz, J.J. Diaz, L.F. Rodriguez, J. Fuentes, L. Jochum, E. Paez, B. Ronquillo, J.M. Carranza and T. Escudero Sanz,

The IAC Solar Polarimeters: Goals and Review of Two Ongoing Projects, 1st Advances in Solar Physics Euroconference, eds. Schmieder B., del Toro Iniesta J.C., Vazquez M., ASP Conf. Ser., 1997.

MSV97

A.M. Marshall, R. D. Stanfield, J. Vuillemin

CHESS: a Field Programmable Arithmetic Array for Reconfigurable Computing, Hewlett Packard Journal, July 1997.