Exploração do espaço de projeto

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A exploração do espaço de projeto (DSE -Design Space Exploration) é um aspecto central no projeto de sistemas embarcados. A DSE é responsável por escolher, dentre uma quantidade possivelmente enorme de soluções alternativas, qual é a mais indicada para um projeto em particular. A grande quantidade de possíveis soluções (o espaço de projeto), juntamente com o tempo normalmente requerido pelas longas simulações para avaliação de cada alternativa, tornam a DSE um grande desafio e gargalo ao projeto de sistemas embarcados. A avaliação de alternativas nos estágios iniciais de projeto é importante pois as escolhas feitas nesses estágios podem ter impacto crítico no desempenho do projeto final.

As pesquisas mais recentes sobre DSE tratam essa questão como um problema de otimização multi-objetivo onde, em geral, os objetivos são competitivos, ou seja, a melhora de um objetivo normalmente piora outos. Assim, esses objetivos não podem ser otimizados independentemente. Na maioria das pesquisas atuais, esses objetivos incluem maximizar desempenho, minimiar área em chip, e reduzir o consumo de energia, e alguns trabalhos chegam a citar DSE como uma técnica para estimar desempenho e/ou consumo de energia, embora existam outros espaços de projeto que podem ser explorados. O objetivo de qualquer DSE multi-objetivo é determinar um conjunto Pareto-ótimo de configurações de projeto a partir do espaço de projeto. Uma configuração é dita Pareto-ótimo se não é possível melhorar um objetivo sem sacrificar outro.

Encontrar esse conjunto reduz drasticamente o tamanho do espaço de projeto, permitindo ao projetista selecionar uma única configuração de projeto desse conjunto que seja adequada à aplicação. Entre as soluções alternativas que podem ser avaliadas com a DSE, incluem-se a escolha por componentes que gastam menos energia, ou ocupam menos memória. Entretanto, destaca-se a escolha de implementação de certo componente ser em software ou em hardware. Esse tipo de exploração é conhecido no particionamento hardware/software, caracterizado pela existência de restrições mutuamente exclusivas, o que dificulta a DSE.

Como sugerem alguns pesquisadores, há dois modos principais pelos quais pode ser minimizado o tempo necessário para a DSE: (i) minimizando a quantidade de possíveis configurações a serem avaliadas; ou (ii) minimizando o tempo necessário para avaliar tais configurações. Na primeira estratégia de solução encontram-se pesquisas com exploração hierárquica, no qual a quantidade de configurações possíveis é progressivamente reduzida; Na segunda estratégia, encontram-se soluções onde mecanismos de avaliação de mais alto-nível são utilizados, sendo que algumas pesquisas adotam ambas estratégias.

Problemas de DSE são formulados como problemas de programação não linear com restrições (CNLP - Constrained Nonlinear Programming Problem). Cada CNLP tem basicamente três componentes: (i) um conjunto de variáveis a serem determinadas; (ii) uma ou mais funções-objetivo a serem minimizadas; e (iii) um conjunto de restrições que devem ser satisfeitas. Em algumas aplicações, como no caso da DSE e particionamento hardware/software, as variáveis estão restritas a alguns valores específicos. Assim, pode-se classificar os CNLPs em três categorias, conforme os valores que as variáveis a serem determinadas podem assumir:

-- Problemas discretos: As variáveis formam um vetor de variáveis discretas, onde cada componente pode assir apenas valores discretos e finitos, como inteiros. Apesar do espaço de soluções ser finito, ele geralmente é muito grande, de forma que, na prática, é impossível enumerar todas as combinações;

-- Problemas contínuos: As variáveis formam um vetor de variáveis contínuas no espaço R^n, de tal forma que o espaço de soluções é infinito;

-- Problemas mistos: Algumas variáveis podem assumir apenas valores discretos, enquanto outras são contínuas, e o espaço de soluções é infinito;