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Synthesijerのあれこれ
高位合成友の会 2019.5.11
みよしたけふみ

コンテンツ
? まえふり
? Synthesijerの紹介
? JDK11対応(Javac Pluginが便利ですよ)
? Java StreamAPIとハードウェア設計について
? Java Stream API “を” ハードウェアに変換
? Java Stream API “で” ハードウェアにアクセス

Synthesijer - HLS frineds 20190511

高位合成処理系
? C，C++，Java，C#，Python…などからハードウェアを生成
? (多くは)ハードウェア≒Verilog HDLやVHDL
? RTLより抽象度の高い設計が可能に
? 生成されるハードウェアの質は処理系依存

Synthesijer
? Javaで書かれたプログラムをVHDL/Verilog HDLに
? 同じプログラムがSWとしてもHWとしても
? オブジェクト指向設計で複雑なシステムを見通しよく
? Threadを使った並列化が個別のモジュールに
? VHDL/Verilog HDLで記述したモジュールもJavaでインスタンス化

Java
プログラム
Synthesijerの構成
Java構文向けフロントエンド
スケジュール表の作成
最適化
中間表現
(S式)
HDL抽象構文木
VHDL/
Verilog HDL
抽象構文木

Synthesijer/Go
Go向けフロントエンド
最適化
中間表現
(S式)
HDL抽象構文木
VHDL/
Verilog HDL
抽象構文木
Go
プログラム

Synthesijer/C
C向けフロントエンド
最適化
中間表現
(S式)
HDL抽象構文木
VHDL/
Verilog HDL
抽象構文木
C
プログラム

Java
プログラム
Synthesijer for IROHA
Java構文向けフロントエンド
IROHA変換
中間表現
(S式)
IROHA
抽象構文木
IROHAへ

Scala
Synthesijer.Scala
HDL抽象構文木
VHDL/
Verilog HDL

Javacプラグインの利用
? 今まで: OpenJDKのコンパイラフロントエンドに手を入れてた
? ソース解析関連のクラスの名前空間が被らないようにパッケー
ジ名を変更するなど
? 変更後: Javacのプラグインを使うように変更
? → アップデートのたびにOpenJDKソースコードに手をいれる必
要がなくなった

? Javaコンパイラのコンパイルパスに任意の処理を挟む仕組み
? Java8からサポート
$ javac -cp p.jar:. –Xplugin:Sample Test.java
JavaCompiler compiler = ToolProvider.getSystemJavaCompiler();
StandardJavaFileManager fileManager = compiler.getStandardFileManager(null, null, null);
ArrayList<File> files = new ArrayList<File>();
for(String s: javaSrc){ files.add(new File(s)); }
var compilationUnits1 = fileManager.getJavaFileObjectsFromFiles(files);
compiler.getTask(new PrintWriter(System.err),
fileManager,
null, // a diagnostic listener
Arrays.asList(new String[]{"-Xplugin:Synthesijer", "-cp", classPathStr}),
null, // names of classes to be processed by annotation processing
compilationUnits1).call();
Java プラグイン

Java プラグインの作り方
public class SampleJavacPlugin implements Plugin {
@Override
public String getName() { return “Sample”; }
@Override
public void init(JavacTask task, String... args) {
for(String s: args){ System.out.println(s); }
task.addTaskListener(new SampleTaskListener());
}
}
public class SampleTaskListener implements TaskListener {
@Override
public void started(TaskEvent e) {
if (e.getKind() == TaskEvent.Kind.GENERATE){
System.out.println("Task event " + e + " has started");
e.getCompilationUnit().accept(new MyScanner(), null);
}
}
@Override
public void finished(TaskEvent e) {
…
http://github.com/miyo/misc/java-plugin-test/

Java プラグインの作り方
class MyScanner extends TreeScanner<Void, Void>{
@Override
public Void visitClass(ClassTree node, Void aVoid) {
System.out.println(node);
return super.visitClass(node, aVoid);
}
@Override
public Void visitMethod(MethodTree node, Void aVoid) {
return super.visitMethod(node, aVoid);
}
}
http://github.com/miyo/misc/java-plugin-test/

Java
プログラム
Synthesijerの構成
javac plugin
最適化
中間表現
(S式)
HDL抽象構文木
VHDL/
Verilog HDL
抽象構文木

コンテンツ
? まえふり
? JDK11対応(Javac Pluginが便利ですよ)
? Java StreamAPIとハードウェア設計について
? Java Stream API “を” ハードウェアに変換
? Java Stream API “で” ハードウェアにアクセス
(SDAccel + RTLを添えて)

構文木を触ってみる(1)
public class Test024 {
public int test024_1(List<Integer> lst) {
return lst.stream().filter(x -> x % 2 == 1).mapToInt(i -> i).sum();
}
}
public Test024() { super(); }
public int test024_1(List lst) {
return lst.stream()
.filter(java.lang.invoke.LambdaMetafactory.metafactory())
.mapToInt(java.lang.invoke.LambdaMetafactory.metafactory())
.sum();
}
/*synthetic*/ private static int lambda$test024_1$1(Integer i) {
return i.intValue();
}
/*synthetic*/ private static boolean lambda$test024_1$0(Integer x) {
return x.intValue() % 2 == 1;
}
}

public int test025_1(List<Integer> lst){
return lst.stream().mapToInt(i -> i).sum();
}
public int test025_2(List<Integer> lst) {
}
}

public Test025() { super(); }
return lst.stream()
.sum();
}
return lst.stream()
.filter(java.lang.invoke.LambdaMetafactory.metafactory())
.sum();
}
/*synthetic*/ private static boolean lambda$test025_2$1(Integer x) {
return x.intValue() % 2 == 1;
}
/*synthetic*/ private static int lambda$test025_1$0(Integer i) {
return i.intValue();
}
}

Stream APIでハードウェアをたたく
public class StreamTest {
public int doWithSoftware(List<Integer> lst) {
}
public int doWithHardware(List<Integer> lst) {
return new lst.stream().reduce(new EvenFilteredSum());
}
}
public class EvenFilteredSum extends RTLModule implements IntBinaryOperator {
static { System.loadLibrary(“EvenFilteredSumWrapper”); }
private native void runOnHardware(int[] buf);
int[] buffer = int[BUFSIZE];
public int applyAsInt(int left, int right){
…
runOnHardware(buffer);
}
}

SDAccel
Xilinxの提供するFPGA向けOpenCL環境
Xilinx UG1023より引用
? FPGAとCPUのブリッジをOpenCL的に利用できる
→ CPU上のソフトウェアはOpenCL APIでFPGAを再構成，データ授受
? FPGA上のカーネルはC/C++，OpenCLカーネル，RTLで設計

FPGA上のロジック
FPGA側周辺モジュール
OpenCLドライバ
OpenCLホストコード
アプリケーション
SDAccel使ってシステムを作るとき
この辺を作る(ハードウェアを活用する)のは(も)
結構面倒では？
アプリケーションの移植性
ホストコードの開発工数（使いまわしたい）
性能出すために（通信とか）細かくチューンしたい
既存のプログラミングモデルをあまり変えたくない
移植の手間がそこそこで，そこそこ性能が出る，
というのが（まずは）嬉しい
PCIe

FPGA上に載せたCAM利用の性能比較
実行時間(s)
5.1秒
1.5秒
3.4倍高速化
21Mクエリ/秒

FPGA上に載せたCAM利用の性能比較の例
実行時間(s)
5.1秒
1.5秒
3.4倍高速化
21Mクエリ/秒
アプリ側でうまくサイズ調整することで
HWをうまく活用することができる

SDAccel + Java Stream API
? サーバサイドFPGAの場合Javaでアプリケーション書きたい
/Javaで書かれたアプリから利用したい
FPGA上のロジック
FPGA側周辺モジュール
OpenCLドライバ
OpenCLホストコード
アプリケーション
(ひとつのアプローチとして)
ここの間をJava Stream API的な枠組みでつなぐと
アプリケーション開発者に対して
受け入れてもらいやすいのでは？

public class StreamTest {
public int doWithSoftware(List<Integer> lst) {
}
public int doWithHardware(List<Integer> lst) {
return lst.stream().reduce(new EvenFilteredSum());
}
}
public class EvenFilteredSum extends RTLModule implements IntBinaryOperator {
static { System.loadLibrary(“EvenFilteredSumWrapper”); }
private native void runOnHardware(int[] buf);
int[] buffer = int[BUFSIZE];
public int applyAsInt(int left, int right){
…
runOnHardware(buffer);
}
}

Java
(with
Stream
API)
JNIな
ラッパー
C++な
OpenCL
カーネル
OpenCL
ドライバ
DRAM
MM<->FIFO
カーネルなRTL
sum(i->i%2)
lst.stream()
.reduce(new EvenFilteredSum());

まとめ
? Java 11向けの対応とjavac プラグインの話
? とりあえずJava 11で使えるようにはしました
? いろんな便利構文はまだ対応できてません（少しずつやります）
? Java Stream APIに関する話題
? Java Stream APIを使って書かれた処理をハードウェア化する話
? Java Stream APIを使ってRTLカーネルを操作する話
(Synthesijerは関係ない)
? 平成後半は停滞してたけど令和になったので心機一転がんばります…
? Intel OPAE + RTLもやりたいなあ

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Synthesijer - HLS frineds 20190511

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