Florian Mayer

Florian Mayer, M. Sc.

Computer Science Department
Programming Systems Group (Informatik 2)

Room: Raum 05.156
Martensstr. 3
91058 Erlangen
Germany

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  • OpenMP for reconfigurable heterogenous architectures

    (Third Party Funds Group – Sub project)

    Overall project: OpenMP für rekonfigurierbare heterogene Architekturen
    Term: 01.11.2017 - 31.12.2023
    Funding source: Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)
    URL: https://www2.cs.fau.de/research/ORKA/
    High-Performance Computing (HPC) is an important component of Europe's capacity for innovation and it is also seen as a building block of the digitization of the European industry. Reconfigurable technologies such as Field Programmable Gate Array (FPGA) modules are gaining in importance due to their energy efficiency, performance, and flexibility.
    There is also a trend towards heterogeneous systems with accelerators utilizing FPGAs. The great flexibility of FPGAs allows for a large class of HPC applications to be realized with FPGAs. However, FPGA programming has mainly been reserved for specialists as it is very time consuming. For that reason, the use of FPGAs in areas of scientific HPC is still rare today.
    In the HPC environment, there are various programming models for heterogeneous systems offering certain types of accelerators. Common models include OpenCL (http://www.opencl.org), OpenACC (https://www.openacc.org) and OpenMP (https://www.OpenMP.org). These standards, however, are not yet available for the use with FPGAs.

    Goals of the ORKA project are:

    1. Development of an OpenMP 4.0 compiler targeting heterogeneous computing platforms with FPGA accelerators in order to simplify the usage of such systems.
    2. Design and implementation of a source-to-source framework transforming C/C++ code with OpenMP 4.0 directives into executable programs utilizing both the host CPU and an FPGA.
    3. Utilization (and improvement) of existing algorithms mapping program code to FPGA hardware.
    4. Development of new (possibly heuristic) methods to optimize programs for inherently parallel architectures.

    In 2018, the following important contributions were made:

    • Development of a source-to-source compiler prototype for the rewriting of OpenMP C source code (cf. goal 2).
    • Development of an HLS compiler prototype capable of translating C code into hardware. This prototype later served as starting point for the work towards the goals 3 and 4.
    • Development of several experimental FPGA infrastructures for the execution of accelerator cores (necessary for the goals 1 and 2).

    In 2019, the following significant contributions were achieved:

    • Publication of two peer-reviewed papers: "OpenMP on FPGAs - A Survey" and "OpenMP to FPGA Offloading Prototype using OpenCL SDK".
    • Improvement of the source-to-source compiler in order to properly support OpenMP-target-outlining for FPGA targets (incl. smoke tests).
    • Completion of the first working ORKA-HPC prototype supporting a complete OpenMP-to-FPGA flow.
    • Formulation of a genome for the pragma-based genetic optimization of the high-level synthesis step during the ORKA-HPC flow.
    • Extension of the TaPaSCo composer to allow for hardware synchronization primitives inside of TaPaSCo systems.

    In 2020, the following significant contributions were achieved:

    • Improvement of the Genetic Optimization.
    • Engineering of a Docker container for reliable reproduction of results.
    • Integration of software components from project partners.
    • Development of a plugin architecture for Low-Level-Platforms.
    • Implementation and integration of two LLP plugin components.
    • Broadening of the accepted subset of OpenMP.
    • Enhancement of the test suite.

    In 2021, the following significant contributions were achieved:

    • Enhancement of the benchmark suite.
    • Enhancement of the test suite.
    • Successful project completion with live demo for the project sponsor.
    • Publication of the paper "ORKA-HPC - Practical OpenMP for FPGAs".
    • Release of the source code and the reproduction package.
    • Enhancement of the accepted OpenMP subset with new clauses to control the FPGA related transformations.
    • Improvement of the Genetic Optimization.
    • Comparison of the estimated performance data given by the HLS and the real performance.
    • Synthesis of a linear regression model for performance prediction based on that comparison.
    • Implementation of an infrastructure for the translation of OpenMP reduction clauses.
    • Automated translation of the OpenMP pragma `parallel for` into a parallel FPGA system.

    In 2022, the following significant contributions were achieved:

    • Generation and publication of an extensive dataset on HLS area estimates and actual performance.
    • Creation and comparative evaluation of different regression models to predict actual system performance from early (area) estimates.
    • Evaluation of the area estimates generated by the HLS.
    • Publication of the paper “Reducing OpenMP to FPGA Round-trip Times with Predictive Modelling”.
    • Development of a method to detect and remove redundant read operations in FPGA stencil codes based on the polyhedral model.
    • Implementation of the method for ORKA-HPC.
    • Quantitative evaluation of that method to show the strength of the method and to show when to use it.
    • Publication of the paper “Employing Polyhedral Methods to Reduce Data Movement in FPGA Stencil Codes”.

    In 2023, the following significant contributions were achieved:

    • Development and implementation of an optimization method for canonical loop shells (e.g. from OpenMP target regions) for FPGA hardware generation using HLS. The core of the method is a loop restructuring based on the polyhedral model that uses loop tiling, pipeline processing, and port widening to avoid unnecessary data transfers from/to the onboard RAM of the FPGA, increase the number of parallel active circuits, maximize data throughput to FPGA board RAM, and hide read/write latencies.
    • Quantitative evaluation of the strengths and application areas of this optimization method using ORKA-HPC.
    • Publication of the method in the conference paper "Employing polyhedral methods to optimize stencils on FPGAs with stencil-specific caches, data reuse, and wide data bursts".
    • Publication of a reproduction package for the optimization method.
    • Presentation of the method at the conference "14th International Workshop on Polyhedral Compilation Techniques" in a half-hour talk.
    • Development of a method for the fully automatic integration of multi-purpose caches into FPGA solutions generated from OpenMP.
    • Evaluation of multi-purpose caches in combination with HLS generated hardware blocks.
    • Publication of the paper "Multipurpose Cacheing to Accelerate OpenMP Target Regions on FPGAs" (Best Paper Award).

Ausgewählte Kapitel aus dem Übersetzerbau

Title Ausgewählte Kapitel aus dem Übersetzerbau
Short text inf2-ueb3
Module frequency nur im Wintersemester
Semester hours per week 2

Es ist keine Anmeldung erforderlich.

In der Vorlesung werden Aspekte des Übersetzerbaus beleuchtet, die über die Vorlesungen "Grundlagen des Übersetzerbaus" und "Optimierungen in Übersetzern" hinausgehen.
Voraussichtliche Themen sind:

  • Übersetzer u. Optimierungen für funktionale Programmiersprachen
  • Übersetzung aspektorientierter Programmiersprachen
  • Erkennung von Wettlaufsituationen
  • Software Watermarking
  • Statische Analyse und symbolische Ausführung
  • Binden von Objektcode und Unterstützung für dynamische Bibliotheken
  • Strategien zur Ausnahmebehandlung
  • Just-in-Time-Übersetzer
  • Speicherverwaltung und Speicherbereinigung
  • LLVM

Die Materialien zur Lehrveranstaltung werden über StudOn bereitgestellt.

1. Parallelgruppe

Date and Time Start date - End date Cancellation date Lecturer(s) Comment Room
wöchentlich Wed, 08:15 - 09:45 16.10.2024 - 05.02.2025 25.12.2024
01.01.2025
  • Julian Brandner
  • Daniela Novac
  • Tobias Heineken
  • Prof. Dr. Michael Philippsen
  • Florian Mayer

Grundlagen des Übersetzerbaus

Title Grundlagen des Übersetzerbaus
Short text inf2-ueb
Module frequency nur im Wintersemester
Semester hours per week 2

Voraussetzung zur Teilnahme an der Modulprüfung ist die erfolgreiche Bearbeitung der Übungsaufgaben.

1. Parallelgruppe

Date and Time Start date - End date Cancellation date Lecturer(s) Comment Room
wöchentlich Thu, 08:15 - 09:45 17.10.2024 - 06.02.2025 02.01.2025
26.12.2024
  • Prof. Dr. Michael Philippsen

Übungen zu Ausgewählte Kapitel aus dem Übersetzerbau

Title Übungen zu Ausgewählte Kapitel aus dem Übersetzerbau
Short text inf2-ueb3-ex
Module frequency nur im Wintersemester
Semester hours per week 2

Blockveranstaltung n.V. nach der Vorlesungszeit.

Die Übungen zu Übersetzerbau 3 stellen eine Ergänzung zur Vorlesung dar. In der Vorlesung wird unter anderem die Architektur und Funktionsweise einer virtuellen Maschine beleuchtet. In den Übungen soll dies praktisch umgesetzt werden. Hierzu sollen die Studenten in einer Blockveranstaltung eine kleine virtuelle Maschine selbst implementieren. Den Anfang bildet das Einlesen des Byte-Codes und am Ende soll ein funktionsfähiger optimierender Just-in-Time-Übersetzer entstehen.
Die Materialien zur Lehrveranstaltung werden über StudOn bereitgestellt.

1. Parallelgruppe

Date and Time Start date - End date Cancellation date Lecturer(s) Comment Room
nach Vereinbarung - -
  • Tobias Heineken
  • Florian Mayer
  • Julian Brandner

Übungen zu Grundlagen des Übersetzerbaus

Title Übungen zu Grundlagen des Übersetzerbaus
Short text inf2-ueb-ex
Module frequency nur im Wintersemester
Semester hours per week 2

Im Rahmen der Übungen werden die in der Vorlesung vorgestellten Konzepte und Techniken zur Implementierung eines Übersetzers in die Praxis umgesetzt. Ziel der Übungen ist es, bis zum Ende des Semesters einen funktionsfähigen Übersetzer für die Beispiel-Programmiersprache e2 zu implementieren. Die hierfür nötigen zusätzlichen Kenntnisse (z.B. Grundlagen des Assemblers für x86-64) werden in den Tafelübungen vermittelt. Die im Laufe des Semesters zu erreichenden Meilensteine sind im StudOn-Eintrag der Vorlesung aufgelistet. Die Materialien zur Lehrveranstaltung werden über StudOn bereitgestellt.

1. Parallelgruppe

Date and Time Start date - End date Cancellation date Lecturer(s) Comment Room
wöchentlich Mon, 14:15 - 15:45 14.10.2024 - 03.02.2025 06.01.2025
23.12.2024
30.12.2024

Im Rahmen der Übungen werden die in der Vorlesung vorgestellten Konzepte und Techniken zur Implementierung eines Übersetzers in die Praxis umgesetzt. Ziel der Übungen ist es, bis zum Ende des Semesters einen funktionsfähigen Übersetzer für die Beispiel-Programmiersprache e2 zu implementieren. Die hierfür nötigen zusätzlichen Kenntnisse (z.B. Grundlagen des Assemblers für x86-64) werden in den Tafelübungen vermittelt. Die im Laufe des Semesters zu erreichenden Meilensteine sind im StudOn-Eintrag der Vorlesung aufgelistet. Die Materialien zur Lehrveranstaltung werden über StudOn bereitgestellt.

2. Parallelgruppe

Date and Time Start date - End date Cancellation date Lecturer(s) Comment Room
wöchentlich Fri, 08:15 - 09:45 18.10.2024 - 07.02.2025 01.11.2024
27.12.2024
03.01.2025

Im Rahmen der Übungen werden die in der Vorlesung vorgestellten Konzepte und Techniken zur Implementierung eines Übersetzers in die Praxis umgesetzt. Ziel der Übungen ist es, bis zum Ende des Semesters einen funktionsfähigen Übersetzer für die Beispiel-Programmiersprache e2 zu implementieren. Die hierfür nötigen zusätzlichen Kenntnisse (z.B. Grundlagen des Assemblers für x86-64) werden in den Tafelübungen vermittelt. Die im Laufe des Semesters zu erreichenden Meilensteine sind im StudOn-Eintrag der Vorlesung aufgelistet. Die Materialien zur Lehrveranstaltung werden über StudOn bereitgestellt.

3. Parallelgruppe

Date and Time Start date - End date Cancellation date Lecturer(s) Comment Room
wöchentlich Fri, 10:15 - 11:45 18.10.2024 - 07.02.2025 27.12.2024
03.01.2025
01.11.2024
  • Tobias Heineken

2024

2023

2022

2019

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