Automatisation de la réparation de programmes C/C++ pour HLS

Dans le domaine de l'ingénierie informatique, la Synthèse de haut niveau (HLS) joue un rôle important dans la conversion de langages de programmation de haut niveau comme C/C++ en descriptions matérielles pouvant être utilisées pour créer des circuits. Ce processus permet aux ingénieurs logiciels de s'impliquer davantage dans la conception matérielle. Cependant, de nombreuses fonctionnalités des programmes C/C++ traditionnels ne sont pas directement applicables à HLS, ce qui signifie qu'il est nécessaire d'apporter de nombreux changements manuels. Cela crée une barrière pour les développeurs qui ne sont pas experts en conception matérielle.

Pour relever ces défis, des techniques de Réparation Automatisées pour les programmes C/C++ ont été proposées. Ces méthodes sont conçues pour convertir les programmes traditionnels en versions pouvant être traitées par des outils HLS. Malgré l'introduction de divers scripts et outils d'automatisation, beaucoup de ces solutions nécessitent encore que les développeurs corrigent manuellement les problèmes qui surviennent lors de la conversion.

Récemment, les modèles de langage de grande taille (LLMs) ont montré leur potentiel pour automatiser diverses tâches de programmation, y compris la génération de code et la correction d'erreurs. Cet article introduit un cadre qui utilise les LLMs pour automatiser la réparation des programmes C/C++ pour HLS, minimisant ainsi le besoin d'intervention manuelle.

#Défis dans la Synthèse de Haut Niveau

Les programmes C/C++ sont généralement écrits pour fonctionner sur des CPU, mais toutes leurs fonctionnalités ne peuvent pas être directement traduites en conceptions matérielles. Par exemple :

1. Pointeurs : Beaucoup d'outils HLS ne supportent pas l'utilisation de pointeurs, ce qui complique la gestion des accès mémoire. Les développeurs doivent convertir manuellement les accès par pointeur en accès par tableau.

2. Mémoire Dynamique : Des fonctions comme malloc() et free() ne sont pas compatibles avec HLS puisque le matériel ne peut pas gérer les structures de données dynamiques.

3. Récursion : Les fonctions récursives nécessitent une allocation dynamique de la pile, ce qui n'est pas supporté par HLS. Les développeurs doivent les convertir en solutions itératives.

4. Largeurs de Bits : Les types d'entiers standards en C/C++ sont souvent plus grands que nécessaire dans les conceptions matérielles, ce qui entraîne une utilisation inefficace des ressources. Les développeurs doivent déterminer manuellement les largeurs de bits optimales pour les variables.

5. Opérations Booléennes : Les outils HLS peuvent avoir du mal avec certaines opérations booléennes, nécessitant l'utilisation de types de données différents pour des opérations comme les incréments.

6. Instructions Incomplètes : Si une instruction case ou switch ne couvre pas toutes les valeurs possibles, cela peut entraîner des erreurs dans les outils HLS.

7. Structures Non Supportées : Certaines fonctionnalités de C++, comme les fonctions virtuelles, peuvent compliquer le processus de conception dans HLS.

8. Gestion des Exceptions : La gestion des erreurs en C/C++ ne se traduit pas directement en matériel, et les développeurs doivent créer des mécanismes personnalisés pour gérer les erreurs dans les conceptions matérielles.

Ces problèmes rendent la création de conceptions conformes à HLS longue et sujette à erreurs.

#Le Cadre Proposé

Pour adresser les défis mentionnés, un nouveau cadre est introduit pour automatiser la réparation des programmes C/C++ afin de les rendre compatibles avec HLS. Les principales caractéristiques de ce cadre incluent :

1. Réparation Automatisée : Le cadre utilise des LLMs pour prendre du code C/C++ et le convertir automatiquement en conceptions compatibles avec HLS. Cela réduit l'effort manuel nécessaire pour corriger des problèmes courants.

2. Génération Augmentée par Récupération (RAG) : Pour améliorer l'exactitude des réparations effectuées par le LLM, une bibliothèque de modèles de réparation corrects est créée. Ces modèles fournissent des conseils sur la façon de corriger les erreurs courantes, améliorant la qualité d'entrée pour le LLM.

3. Optimisation des Largeurs de Bits : Le cadre utilise des algorithmes pour déterminer les largeurs de bits les plus efficaces pour les variables, réduisant ainsi l'utilisation inutile des ressources dans la conception matérielle finale.

4. Mécanisme de Réparation Conjointe : Le cadre combine des réparations basées sur des scripts traditionnels avec des réparations pilotées par LLM pour minimiser les coûts associés à l'utilisation des LLM tout en garantissant des corrections de haute qualité.

5. Optimisation PPA : Une fois les réparations effectuées, le cadre optimise davantage les circuits résultants pour la consommation d'énergie, la performance et l'espace.

#Étapes du Cadre

Le processus implique plusieurs étapes clés :

#Étape 1 : Prétraitement

Au départ, le programme C/C++ est compilé avec l'outil HLS pour identifier les erreurs existantes. Comme toutes les erreurs peuvent ne pas être détectées en une seule fois, le programme est également analysé pour les incompatibilités HLS courantes. L'ensemble du programme est ensuite alimenté dans le LLM pour détecter d'éventuels problèmes supplémentaires.

#Étape 2 : Réparation avec RAG

Durant cette phase, une bibliothèque de réparation manuelle est utilisée. Cette bibliothèque contient des modèles pour les erreurs courantes et leurs corrections, tirés de la documentation des outils HLS. Lorsqu'une erreur est trouvée, le LLM récupère le modèle de correction le plus pertinent. Cela améliore la qualité des prompts donnés au LLM, rendant ses réparations plus précises.

#Étape 3 : Optimisation des Largeurs de Bits

La prochaine étape consiste à déterminer les largeurs de bits optimales pour les variables dans le code. Le LLM se voit fournir le code C/C++, y compris des scénarios de tâches et des descriptions des données d'entrée. Le LLM génère un script qui mesure les valeurs maximales et minimales des variables, permettant une détermination précise des largeurs de bits requises.

#Étape 4 : Vérification d'Équivalence

Après avoir synthétisé le code C++ corrigé en logique matérielle, une co-simulation est effectuée pour vérifier que la conception synthétisée se comporte de la même manière que le programme C++ original. Cette étape assure la correction de la nouvelle conception.

#Étape 5 : Optimisation PPA

La dernière étape se concentre sur l'optimisation des conceptions HLS complètes pour l'énergie, la performance et l'espace. Les segments critiques de code qui consomment des ressources significatives sont identifiés, et des améliorations supplémentaires sont appliquées en utilisant des stratégies basées sur les directives de l'outil HLS.

#Avantages du Cadre

Le cadre proposé est conçu pour rationaliser significativement le processus de réparation des programmes, offrant plusieurs avantages :

• Réduction de l'Effort Manuel : En automatisant une grande partie du processus de réparation, les développeurs peuvent se concentrer sur des considérations de conception de haut niveau au lieu de se perdre dans des corrections de bas niveau.

• Taux de Réparation Plus Élevés : L'utilisation des LLMs combinée à une bibliothèque robuste de modèles de correction augmente les chances de compiler et d'exécuter le code sans erreurs.

• Efficacité Coût : En minimisant l'utilisation des LLMs grâce à des réparations par scripts préliminaires, le coût global associé à la réparation des programmes est réduit.

• Conceptions Optimisées : Le cadre non seulement corrige les incompatibilités mais améliore également l'efficacité du matériel résultant, garantissant de meilleures performances et une consommation de ressources plus faible.

#Résultats Expérimentaux

Pour valider l'efficacité du cadre, de nombreux tests ont été effectués sur un ensemble d'applications du monde réel. Le cadre a été comparé à des scripts traditionnels et à des applications directes de LLM, montrant une amélioration claire des taux de réparation et de l'efficacité.

Dans plusieurs applications, le cadre a systématiquement atteint un nombre plus élevé de réparations réussies. Les résultats expérimentaux ont indiqué que la combinaison de scripts traditionnels et d'approches pilotées par LLM a conduit à une amélioration moyenne de 23.33% des taux de passage de réparation.

Le cadre a également réussi à réduire les largeurs de bits de diverses variables, réalisant des réductions significatives dans la superficie matérielle, la consommation d'énergie et les périodes d'horloge. Les stratégies d'optimisation mises en œuvre à la fin du processus ont encore affiné les performances des conceptions synthétiques.

#Conclusion

Le cadre de réparation automatisée des programmes C/C++ pour la Synthèse de Haut Niveau représente un pas en avant significatif pour combler le fossé entre la programmation logicielle et la conception matérielle. En employant des techniques avancées telles que la Génération Augmentée par Récupération et en intégrant les LLMs dans le processus de réparation, cette approche réduit le besoin d'intervention manuelle tout en améliorant l'efficacité de la synthèse matérielle.

En surmontant les obstacles liés aux méthodes de réparation de programmes traditionnelles, ce cadre ouvre de nouvelles possibilités pour que les ingénieurs logiciels participent plus facilement aux processus de conception matérielle. Les résultats expérimentaux mettent en évidence son potentiel pour améliorer significativement le taux de réparation et optimiser les conceptions matérielles, favorisant finalement plus d'innovation dans le domaine de la conception électronique.

#Travaux Futurs

Pour l'avenir, d'autres améliorations du cadre peuvent être envisagées. De futures recherches pourraient explorer l'intégration de LLMs plus sophistiqués ou d'autres techniques d'apprentissage machine pour améliorer encore le processus de réparation. De plus, élargir la bibliothèque de modèles de correction pourrait mener à une précision encore plus élevée dans les réparations.

En outre, enquêter sur la façon dont ce cadre peut être adapté à différents langages de programmation ou outils HLS pourrait élargir son applicabilité et son impact. À mesure que les conceptions matérielles et logicielles continuent d'évoluer, ce cadre peut évoluer avec elles, répondant à de nouveaux défis qui apparaissent dans la synthèse des systèmes électroniques.

En résumé, ce travail pose les bases d'une approche plus automatisée et efficace pour préparer les logiciels à la synthèse matérielle, ouvrant la voie à de futures innovations dans les deux domaines.