Offline and online variants of the Traveling Salesman Problem

In this thesis, we study several well-motivated variants of the Traveling Salesman Problem (TSP). First, we consider makespan minimization for vehicle scheduling problems on trees with release and handling times. 2-approximation algorithms were known for several variants of the single vehicle problem on a path. A 3/2-approximation algorithm was known for the single vehicle problem on a path where there is a fixed starting point and the vehicle must return to the starting point upon completion. Karuno, Nagamochi and Ibaraki give a 2-approximation algorithm for the single vehicle problem on trees. We develop a Polynomial Time Approximation Scheme (PTAS) for the single vehicle scheduling problem on trees which have a constant number of leaves. This PTAS can be easily adapted to accommodate various starting/ending constraints. We then extended this to a PTAS for the multiple vehicle problem where vehicles operate in disjoint subtrees. We also present competitive online algorithms for some single vehicle scheduling problems. Secondly, we study a class of problems called the Online Packet TSP Class (OP-TSP-CLASS). It is based on the online TSP with a packet of requests known and available for scheduling at any given time. We provide a 5/3 lower bound on any online algorithm for problems in OP-TSP-CLASS. We extend this result to the related k-reordering problem for which a 3/2 lower bound was known. We develop a κ+1-competitive algorithm for problems in OP-TSP-CLASS, where a κ-approximation algorithm is known for the offline version of that problem. We use this result to develop an offline m(κ+1)-approximation algorithm for the Precedence-Constrained TSP (PCTSP) by segmenting the n requests into m packets. Its running time is mf(n/m) given a κ-approximation algorithm for the offline version whose running time is f(n)

Adaptive memory hierarchies for next generation tiled microarchitectures

Les últimes dècades el rendiment dels processadors i de les memòries ha millorat a diferent ritme, limitant el rendiment dels processadors i creant el conegut memory gap. Sol·lucionar aquesta diferència de rendiment és un camp d'investigació d'actualitat i que requereix de noves sol·lucions. Una sol·lució a aquest problema són les memòries “cache”, que permeten reduïr l'impacte d'unes latències de memòria creixents i que conformen la jerarquia de memòria. La majoria de d'organitzacions de les “caches” estan dissenyades per a uniprocessadors o multiprcessadors tradicionals. Avui en dia, però, el creixent nombre de transistors disponible per xip ha permès l'aparició de xips multiprocessador (CMPs). Aquests xips tenen diferents propietats i limitacions i per tant requereixen de jerarquies de memòria específiques per tal de gestionar eficientment els recursos disponibles. En aquesta tesi ens hem centrat en millorar el rendiment i la eficiència energètica de la jerarquia de memòria per CMPs, des de les “caches” fins als controladors de memòria. A la primera part d'aquesta tesi, s'han estudiat organitzacions tradicionals per les “caches” com les privades o compartides i s'ha pogut constatar que, tot i que funcionen bé per a algunes aplicacions, un sistema que s'ajustés dinàmicament seria més eficient. Tècniques com el Cooperative Caching (CC) combinen els avantatges de les dues tècniques però requereixen un mecanisme centralitzat de coherència que té un consum energètic molt elevat. És per això que en aquesta tesi es proposa el Distributed Cooperative Caching (DCC), un mecanisme que proporciona coherència en CMPs i aplica el concepte del cooperative caching de forma distribuïda. Mitjançant l'ús de directoris distribuïts s'obté una sol·lució més escalable i que, a més, disposa d'un mecanisme de marcatge més flexible i eficient energèticament. A la segona part, es demostra que les aplicacions fan diferents usos de la “cache” i que si es realitza una distribució de recursos eficient es poden aprofitar els que estan infrautilitzats. Es proposa l'Elastic Cooperative Caching (ElasticCC), una organització capaç de redistribuïr la memòria “cache” dinàmicament segons els requeriments de cada aplicació. Una de les contribucions més importants d'aquesta tècnica és que la reconfiguració es decideix completament a través del maquinari i que tots els mecanismes utilitzats es basen en estructures distribuïdes, permetent una millor escalabilitat. ElasticCC no només és capaç de reparticionar les “caches” segons els requeriments de cada aplicació, sinó que, a més a més, és capaç d'adaptar-se a les diferents fases d'execució de cada una d'elles. La nostra avaluació també demostra que la reconfiguració dinàmica de l'ElasticCC és tant eficient que gairebé proporciona la mateixa taxa de fallades que una configuració amb el doble de memòria.Finalment, la tesi es centra en l'estudi del comportament de les memòries DRAM i els seus controladors en els CMPs. Es demostra que, tot i que els controladors tradicionals funcionen eficientment per uniprocessadors, en CMPs els diferents patrons d'accés obliguen a repensar com estan dissenyats aquests sistemes. S'han presentat múltiples sol·lucions per CMPs però totes elles es veuen limitades per un compromís entre el rendiment global i l'equitat en l'assignació de recursos. En aquesta tesi es proposen els Thread Row Buffers (TRBs), una zona d'emmagatenament extra a les memòries DRAM que permetria guardar files de dades específiques per a cada aplicació. Aquest mecanisme permet proporcionar un accés equitatiu a la memòria sense perjudicar el seu rendiment global. En resum, en aquesta tesi es presenten noves organitzacions per la jerarquia de memòria dels CMPs centrades en la escalabilitat i adaptativitat als requeriments de les aplicacions. Els resultats presentats demostren que les tècniques proposades proporcionen un millor rendiment i eficiència energètica que les millors tècniques existents fins a l'actualitat.Processor performance and memory performance have improved at different rates during the last decades, limiting processor performance and creating the well known "memory gap". Solving this performance difference is an important research field and new solutions must be proposed in order to have better processors in the future. Several solutions exist, such as caches, that reduce the impact of longer memory accesses and conform the system memory hierarchy. However, most of the existing memory hierarchy organizations were designed for single processors or traditional multiprocessors. Nowadays, the increasing number of available transistors has allowed the apparition of chip multiprocessors, which have different constraints and require new ad-hoc memory systems able to efficiently manage memory resources. Therefore, in this thesis we have focused on improving the performance and energy efficiency of the memory hierarchy of chip multiprocessors, ranging from caches to DRAM memories. In the first part of this thesis we have studied traditional cache organizations such as shared or private caches and we have seen that they behave well only for some applications and that an adaptive system would be desirable. State-of-the-art techniques such as Cooperative Caching (CC) take advantage of the benefits of both worlds. This technique, however, requires the usage of a centralized coherence structure and has a high energy consumption. Therefore we propose the Distributed Cooperative Caching (DCC), a mechanism to provide coherence to chip multiprocessors and apply the concept of cooperative caching in a distributed way. Through the usage of distributed directories we obtain a more scalable solution and, in addition, has a more flexible and energy-efficient tag allocation method. We also show that applications make different uses of cache and that an efficient allocation can take advantage of unused resources. We propose Elastic Cooperative Caching (ElasticCC), an adaptive cache organization able to redistribute cache resources dynamically depending on application requirements. One of the most important contributions of this technique is that adaptivity is fully managed by hardware and that all repartitioning mechanisms are based on distributed structures, allowing a better scalability. ElasticCC not only is able to repartition cache sizes to application requirements, but also is able to dynamically adapt to the different execution phases of each thread. Our experimental evaluation also has shown that the cache partitioning provided by ElasticCC is efficient and is almost able to match the off-chip miss rate of a configuration that doubles the cache space. Finally, we focus in the behavior of DRAM memories and memory controllers in chip multiprocessors. Although traditional memory schedulers work well for uniprocessors, we show that new access patterns advocate for a redesign of some parts of DRAM memories. Several organizations exist for multiprocessor DRAM schedulers, however, all of them must trade-off between memory throughput and fairness. We propose Thread Row Buffers, an extended storage area in DRAM memories able to store a data row for each thread. This mechanism enables a fair memory access scheduling without hurting memory throughput. Overall, in this thesis we present new organizations for the memory hierarchy of chip multiprocessors which focus on the scalability and of the proposed structures and adaptivity to application behavior. Results show that the presented techniques provide a better performance and energy-efficiency than existing state-of-the-art solutions

Runtime-assisted optimizations in the on-chip memory hierarchy

Following Moore's Law, the number of transistors on chip has been increasing exponentially, which has led to the increasing complexity of modern processors. As a result, the efficient programming of such systems has become more difficult. Many programming models have been developed to answer this issue. Of particular interest are task-based programming models that employ simple annotations to define parallel work in an application. The information available at the level of the runtime systems associated with these programming models offers great potential for improving hardware design. Moreover, due to technological limitations, Moore's Law is predicted to eventually come to an end, so novel paradigms are necessary to maintain the current performance improvement trends. The main goal of this thesis is to exploit the knowledge about a parallel application available at the runtime system level to improve the design of the on-chip memory hierarchy. The coupling of the runtime system and the microprocessor enables a better hardware design without hurting the programmability. The first contribution is a set of insertion policies for shared last-level caches that exploit information about tasks and task data dependencies. The intuition behind this proposal revolves around the observation that parallel threads exhibit different memory access patterns. Even within the same thread, accesses to different variables often follow distinct patterns. The proposed policies insert cache lines into different logical positions depending on the dependency type and task type to which the corresponding memory request belongs. The second proposal optimizes the execution of reductions, defined as a programming pattern that combines input data to form the resulting reduction variable. This is achieved with a runtime-assisted technique for performing reductions in the processor's cache hierarchy. The proposal's goal is to be a universally applicable solution regardless of the reduction variable type, size and access pattern. On the software level, the programming model is extended to let a programmer specify the reduction variables for tasks, as well as the desired cache level where a certain reduction will be performed. The source-to-source compiler and the runtime system are extended to translate and forward this information to the underlying hardware. On the hardware level, private and shared caches are equipped with functional units and the accompanying logic to perform reductions at the cache level. This design avoids unnecessary data movements to the core and back as the data is operated at the place where it resides. The third contribution is a runtime-assisted prioritization scheme for memory requests inside the on-chip memory hierarchy. The proposal is based on the notion of a critical path in the context of parallel codes and a known fact that accelerating critical tasks reduces the execution time of the whole application. In the context of this work, task criticality is observed at a level of a task type as it enables simple annotation by the programmer. The acceleration of critical tasks is achieved by the prioritization of corresponding memory requests in the microprocessor.Siguiendo la ley de Moore, el número de transistores en los chips ha crecido exponencialmente, lo que ha comportado una mayor complejidad en los procesadores modernos y, como resultado, de la dificultad de la programación eficiente de estos sistemas. Se han desarrollado muchos modelos de programación para resolver este problema; un ejemplo particular son los modelos de programación basados en tareas, que emplean anotaciones sencillas para definir los Trabajos paralelos de una aplicación. La información de que disponen los sistemas en tiempo de ejecución (runtime systems) asociada con estos modelos de programación ofrece un enorme potencial para la mejora del diseño del hardware. Por otro lado, las limitaciones tecnológicas hacen que la ley de Moore pueda dejar de cumplirse próximamente, por lo que se necesitan paradigmas nuevos para mantener las tendencias actuales de mejora de rendimiento. El objetivo principal de esta tesis es aprovechar el conocimiento de las aplicaciones paral·leles de que dispone el runtime system para mejorar el diseño de la jerarquía de memoria del chip. El acoplamiento del runtime system junto con el microprocesador permite realizar mejores diseños hardware sin afectar Negativamente en la programabilidad de dichos sistemas. La primera contribución de esta tesis consiste en un conjunto de políticas de inserción para las memorias caché compartidas de último nivel que aprovecha la información de las tareas y las dependencias de datos entre estas. La intuición tras esta propuesta se basa en la observación de que los hilos de ejecución paralelos muestran distintos patrones de acceso a memoria e, incluso dentro del mismo hilo, los accesos a diferentes variables a menudo siguen patrones distintos. Las políticas que se proponen insertan líneas de caché en posiciones lógicas diferentes en función de los tipos de dependencia y tarea a los que corresponde la petición de memoria. La segunda propuesta optimiza la ejecución de las reducciones, que se definen como un patrón de programación que combina datos de entrada para conseguir la variable de reducción como resultado. Esto se consigue mediante una técnica asistida por el runtime system para la realización de reducciones en la jerarquía de la caché del procesador, con el objetivo de ser una solución aplicable de forma universal sin depender del tipo de la variable de la reducción, su tamaño o el patrón de acceso. A nivel de software, el modelo de programación se extiende para que el programador especifique las variables de reducción de las tareas, así como el nivel de caché escogido para que se realice una determinada reducción. El compilador fuente a Fuente (compilador source-to-source) y el runtime ssytem se modifican para que traduzcan y pasen esta información al hardware subyacente, evitando así movimientos de datos innecesarios hacia y desde el núcleo del procesador, al realizarse la operación donde se encuentran los datos de la misma. La tercera contribución proporciona un esquema de priorización asistido por el runtime system para peticiones de memoria dentro de la jerarquía de memoria del chip. La propuesta se basa en la noción de camino crítico en el contexto de los códigos paralelos y en el hecho conocido de que acelerar tareas críticas reduce el tiempo de ejecución de la aplicación completa. En el contexto de este trabajo, la criticidad de las tareas se considera a nivel del tipo de tarea ya que permite que el programador las indique mediante anotaciones sencillas. La aceleración de las tareas críticas se consigue priorizando las correspondientes peticiones de memoria en el microprocesador.Seguint la llei de Moore, el nombre de transistors que contenen els xips ha patit un creixement exponencial, fet que ha provocat un augment de la complexitat dels processadors moderns i, per tant, de la dificultat de la programació eficient d’aquests sistemes. Per intentar solucionar-ho, s’han desenvolupat diversos models de programació; un exemple particular en són els models basats en tasques, que fan servir anotacions senzilles per definir treballs paral·lels dins d’una aplicació. La informació que hi ha al nivell dels sistemes en temps d’execució (runtime systems) associada amb aquests models de programació ofereix un gran potencial a l’hora de millorar el disseny del maquinari. D’altra banda, les limitacions tecnològiques fan que la llei de Moore pugui deixar de complir-se properament, per la qual cosa calen nous paradigmes per mantenir les tendències actuals en la millora de rendiment. L’objectiu principal d’aquesta tesi és aprofitar els coneixements que el runtime System té d’una aplicació paral·lela per millorar el disseny de la jerarquia de memòria dins el xip. L’acoblament del runtime system i el microprocessador permet millorar el disseny del maquinari sense malmetre la programabilitat d’aquests sistemes. La primera contribució d’aquesta tesi consisteix en un conjunt de polítiques d’inserció a les memòries cau (cache memories) compartides d’últim nivell que aprofita informació sobre tasques i les dependències de dades entre aquestes. La intuïció que hi ha al darrere d’aquesta proposta es basa en el fet que els fils d’execució paral·lels mostren diferents patrons d’accés a la memòria; fins i tot dins el mateix fil, els accessos a variables diferents sovint segueixen patrons diferents. Les polítiques que s’hi proposen insereixen línies de la memòria cau a diferents ubicacions lògiques en funció dels tipus de dependència i de tasca als quals correspon la petició de memòria. La segona proposta optimitza l’execució de les reduccions, que es defineixen com un patró de programació que combina dades d’entrada per aconseguir la variable de reducció com a resultat. Això s’aconsegueix mitjançant una tècnica assistida pel runtime system per dur a terme reduccions en la jerarquia de la memòria cau del processador, amb l’objectiu que la proposta sigui aplicable de manera universal, sense dependre del tipus de la variable a la qual es realitza la reducció, la seva mida o el patró d’accés. A nivell de programari, es realitza una extensió del model de programació per facilitar que el programador especifiqui les variables de les reduccions que usaran les tasques, així com el nivell de memòria cau desitjat on s’hauria de realitzar una certa reducció. El compilador font a font (compilador source-to-source) i el runtime system s’amplien per traduir i passar aquesta informació al maquinari subjacent. A nivell de maquinari, les memòries cau privades i compartides s’equipen amb unitats funcionals i la lògica corresponent per poder dur a terme les reduccions a la pròpia memòria cau, evitant així moviments de dades innecessaris entre el nucli del processador i la jerarquia de memòria. La tercera contribució proporciona un esquema de priorització assistit pel runtime System per peticions de memòria dins de la jerarquia de memòria del xip. La proposta es basa en la noció de camí crític en el context dels codis paral·lels i en el fet conegut que l’acceleració de les tasques que formen part del camí crític redueix el temps d’execució de l’aplicació sencera. En el context d’aquest treball, la criticitat de les tasques s’observa al nivell del seu tipus ja que permet que el programador les indiqui mitjançant anotacions senzilles. L’acceleració de les tasques crítiques s’aconsegueix prioritzant les corresponents peticions de memòria dins el microprocessador

Towards multiprogrammed GPUs

Programmable Graphics Processing Units (GPUs) have recently become the most pervasitheve massively parallel processors. They have come a long way, from fixed function ASICs designed to accelerate graphics tasks to a programmable architecture that can also execute general-purpose computations. Because of their performance and efficiency, an increasing amount of software is relying on them to accelerate data parallel and computationally intensive sections of code. They have earned a place in many systems, from low power mobile devices to the biggest data centers in the world. However, GPUs are still plagued by the fact that they essentially have no multiprogramming support, resulting in low system performance if the GPU is shared among multiple programs. In this dissertation we set to provide the rich GPU multiprogramming support by improving the multitasking capabilities and increasing the virtual memory functionality and performance. The main issue hindering the multitasking support in GPUs is the nonpreemptive execution of GPU kernels. Here we propose two preemption mechanisms with dierent design philosophies, that can be used by a scheduler to preempt execution on GPU cores and make room for some other process. We also argue for the spatial sharing of the GPU and propose a concrete hardware scheduler implementation that dynamically partitions the GPU cores among running kernels, according to their set priorities. Opposing the assumptions made in the related work, we demonstrate that preemptive execution is feasible and the desired approach to GPU multitasking. We further show improved system fairness and responsiveness with our scheduling policy. We also pinpoint that at the core of the insufficient virtual memory support lies the exceptions handling mechanism used by modern GPUs. Currently, GPUs offload the actual exception handling work to the CPU, while the faulting instruction is stalled in the GPU core. This stall-on-fault model prevents some of the virtual memory features and optimizations and is especially harmful in multiprogrammed environments because it prevents context switching the GPU unless all the in-flight faults are resolved. In this disseritation, we propose three GPU core organizations with varying performance-complexity trade-off that get rid of the stall-on-fault execution and enable preemptible exceptions on the GPU (i.e., the faulting instruction can be squashed and restarted later). Building on this support, we implement two use cases and demonstrate their utility. One is a scheme that performs context switch of the faulted threads and tries to find some other useful work to do in the meantime, hiding the latency of the fault and improving the system performance. The other enables the fault handling code to run locally, on the GPU, instead of relying on the CPU offloading and show that the local fault handling can also improve performance.Las Unidades de Procesamiento de Gráficos Programables (GPU, por sus siglas en inglés) se han convertido recientemente en los procesadores masivamente paralelos más difundidos. Han recorrido un largo camino desde ASICs de función fija diseñados para acelerar tareas gráficas, hasta una arquitectura programable que también puede ejecutar cálculos de propósito general. Debido a su rendimiento y eficiencia, una cantidad creciente de software se basa en ellas para acelerar las secciones de código computacionalmente intensivas que disponen de paralelismo de datos. Se han ganado un lugar en muchos sistemas, desde dispositivos móviles de baja potencia hasta los centros de datos más grandes del mundo. Sin embargo, las GPUs siguen plagadas por el hecho de que esencialmente no tienen soporte de multiprogramación, lo que resulta en un bajo rendimiento del sistema si la GPU se comparte entre múltiples programas. En esta disertación nos centramos en proporcionar soporte de multiprogramación para GPUs mediante la mejora de las capacidades de multitarea y del soporte de memoria virtual. El principal problema que dificulta el soporte multitarea en las GPUs es la ejecución no apropiativa de los núcleos de la GPU. Proponemos dos mecanismos de apropiación con diferentes filosofías de diseño, que pueden ser utilizados por un planificador para apropiarse de los núcleos de la GPU y asignarlos a otros procesos. También abogamos por la división espacial de la GPU y proponemos una implementación concreta de un planificador hardware que divide dinámicamente los núcleos de la GPU entre los kernels en ejecución, de acuerdo con sus prioridades establecidas. Oponiéndose a las suposiciones hechas por otros en trabajos relacionados, demostramos que la ejecución apropiativa es factible y el enfoque deseado para la multitarea en GPUs. Además, mostramos una mayor equidad y capacidad de respuesta del sistema con nuestra política de asignación de núcleos de la GPU. También señalamos que la causa principal del insuficiente soporte de la memoria virtual en las GPUs es el mecanismo de manejo de excepciones utilizado por las GPUs modernas. En la actualidad, las GPUs descargan el manejo de las excepciones a la CPU, mientras que la instrucción que causo la fallada se encuentra esperando en el núcleo de la GPU. Este modelo de bloqueo en fallada impide algunas de las funciones y optimizaciones de la memoria virtual y es especialmente perjudicial en entornos multiprogramados porque evita el cambio de contexto de la GPU a menos que se resuelvan todas las fallas pendientes. En esta disertación, proponemos tres implementaciones del pipeline de los núcleos de la GPU que ofrecen distintos balances de rendimiento-complejidad y permiten la apropiación del núcleo aunque haya excepciones pendientes (es decir, la instrucción que produjo la fallada puede ser reiniciada más tarde). Basándonos en esta nueva funcionalidad, implementamos dos casos de uso para demostrar su utilidad. El primero es un planificador que asigna el núcleo a otros subprocesos cuando hay una fallada para tratar de hacer trabajo útil mientras esta se resuelve, ocultando así la latencia de la fallada y mejorando el rendimiento del sistema. El segundo permite que el código de manejo de las falladas se ejecute localmente en la GPU, en lugar de descargar el manejo a la CPU, mostrando que el manejo local de falladas también puede mejorar el rendimiento.Postprint (published version

Fallos intermitentes: análisis de causas y efectos, nuevos modelos de fallos y técnicas de mitigación

[EN] From the first integrated circuit was developed to very large scale integration (VLSI) technology, the hardware of computer systems has had an immense evolution. Moore's Law, which predicts that the number of transistors that can be integrated on a chip doubles every year, has been accomplished for decades thanks to the aggressive reduction of transistors size. This has allowed increasing its frequency, achieving higher performance with lower consumption, but at the expense of a reliability penalty. The number of defects are raising due to variations in the increasingly complex manufacturing process. Intermittent faults, one of the fundamental issues affecting the reliability of current and future digital VLSI circuits technologies, are studied in this thesis. In the past, intermittent faults have been considered the prelude to permanent faults. Nowadays, the occurrence of intermittent faults caused by variations in the manufacturing process not affecting permanently has increased. Errors induced by intermittent and transient faults manifest similarly, although intermittent faults are usually grouped in bursts and they are activated repeatedly and non-deterministically in the same place. In addition, intermittent faults can be activated and deactivated by changes in temperature, voltage and frequency. In this thesis, the effects of intermittent faults in digital systems have been analyzed by using simulation-based fault injection. This methodology allows introducing faults in a controlled manner. After an extensive literature review to understand the physical mechanisms of intermittent faults, new intermittent fault models at gate and register transfer levels have been proposed. These new fault models have been used to analyze the effects of intermittent faults in different microprocessors models, as well as the influence of several parameters. To mitigate these effects, various fault tolerance techniques have been studied in this thesis, in order to determine whether they are suitable to tolerate intermittent faults. Results show that the error detection mechanisms work properly, but the error recovery mechanisms need to be improved. Error correction codes (ECC) is a well-known fault tolerance technique. This thesis proposes a new family of ECCs specially designed to tolerate faults when the fault rate is not equal in all bits in a word, such as in the presence of intermittent faults. As these faults may also present a fault rate variable along time, a fault tolerance mechanism whose behavior adapts to the temporal evolution of error conditions can use the new ECCs proposed.[ES] Desde la invención del primer circuito integrado hasta la tecnología de muy alta escala de integración (VLSI), el hardware de los sistemas informáticos ha evolucionado enormemente. La Ley de Moore, que vaticina que el número de transistores que se pueden integrar en un chip se duplica cada año, se ha venido cumpliendo durante décadas gracias a la agresiva reducción del tamaño de los transistores. Esto ha permitido aumentar su frecuencia de trabajo, logrando mayores prestaciones con menor consumo, pero a costa de penalizar la confiabilidad, ya que aumentan los defectos producidos por variaciones en el cada vez más complejo proceso de fabricación. En la presente tesis se aborda el estudio de uno de los problemas fundamentales que afectan a la confiabilidad en las actuales y futuras tecnologías de circuitos integrados digitales VLSI: los fallos intermitentes. En el pasado, los fallos intermitentes se consideraban el preludio de fallos permanentes. En la actualidad, ha aumentado la aparición de fallos intermitentes provocados por variaciones en el proceso de fabricación que no afectan permanentemente. Los errores inducidos por fallos intermitentes se manifiestan de forma similar a los provocados por fallos transitorios, salvo que los fallos intermitentes suelen agruparse en ráfagas y se activan repetitivamente y de forma no determinista en el mismo lugar. Además, los fallos intermitentes se pueden activar y desactivar por cambios de temperatura, tensión y frecuencia. En esta tesis se han analizado los efectos de los fallos intermitentes en sistemas digitales utilizando inyección de fallos basada en simulación, que permite introducir fallos en el sistema de forma controlada. Tras un amplio estudio bibliográfico para entender los mecanismos físicos de los fallos intermitentes, se han propuesto nuevos modelos de fallo en los niveles de puerta lógica y de transferencia de registros, que se han utilizado para analizar los efectos de los fallos intermitentes y la influencia de diversos factores. Para mitigar esos efectos, en esta tesis se han estudiado distintas técnicas de tolerancia a fallos, con el objetivo de determinar si son adecuadas para tolerar fallos intermitentes, ya que las técnicas existentes están generalmente diseñadas para tolerar fallos transitorios o permanentes. Los resultados muestran que los mecanismos de detección funcionan adecuadamente, pero hay que mejorar los de recuperación. Una técnica de tolerancia a fallos existente son los códigos correctores de errores (ECC). Esta tesis propone nuevos ECC diseñados para tolerar fallos cuando su tasa no es la misma en todos los bits de una palabra, como en el caso de los fallos intermitentes. Éstos, además, pueden presentar una tasa de fallo variable en el tiempo, por lo que sería necesario un mecanismo de tolerancia a fallos cuyo comportamiento se adapte a la evolución temporal de las condiciones de error, y que utilice los nuevos ECC propuestos.[CA] Des de la invenció del primer circuit integrat fins a la tecnologia de molt alta escala d'integració (VLSI), el maquinari dels sistemes informàtics ha evolucionat enormement. La Llei de Moore, que vaticina que el nombre de transistors que es poden integrar en un xip es duplica cada any, s'ha vingut complint durant dècades gràcies a l'agressiva reducció de la mida dels transistors. Això ha permès augmentar la seua freqüència de treball, aconseguint majors prestacions amb menor consum, però a costa de penalitzar la fiabilitat, ja que augmenten els defectes produïts per variacions en el cada vegada més complex procés de fabricació. En la present tesi s'aborda l'estudi d'un dels problemes fonamentals que afecten la fiabilitat en les actuals i futures tecnologies de circuits integrats digitals VLSI: les fallades intermitents. En el passat, les fallades intermitents es consideraven el preludi de fallades permanents. En l'actualitat, ha augmentat l'aparició de fallades intermitents provocades per variacions en el procés de fabricació que no afecten permanentment. Els errors induïts per fallades intermitents es manifesten de forma similar als provocats per fallades transitòries, llevat que les fallades intermitents solen agrupar-se en ràfegues i s'activen repetidament i de forma no determinista en el mateix lloc. A més, les fallades intermitents es poden activar i desactivar per canvis de temperatura, tensió i freqüència. En aquesta tesi s'han analitzat els efectes de les fallades intermitents en sistemes digitals utilitzant injecció de fallades basada en simulació, que permet introduir errors en el sistema de forma controlada. Després d'un ampli estudi bibliogràfic per entendre els mecanismes físics de les fallades intermitents, s'han proposat nous models de fallada en els nivells de porta lògica i de transferència de registres, que s'han utilitzat per analitzar els efectes de les fallades intermitents i la influència de diversos factors. Per mitigar aquests efectes, en aquesta tesi s'han estudiat diferents tècniques de tolerància a fallades, amb l'objectiu de determinar si són adequades per tolerar fallades intermitents, ja que les tècniques existents estan generalment dissenyades per tolerar fallades transitòries o permanents. Els resultats mostren que els mecanismes de detecció funcionen adequadament, però cal millorar els de recuperació. Una tècnica de tolerància a fallades existent són els codis correctors d'errors (ECC). Aquesta tesi proposa nous ECC dissenyats per tolerar fallades quan la seua taxa no és la mateixa en tots els bits d'una paraula, com en el cas de les fallades intermitents. Aquests, a més, poden presentar una taxa de fallada variable en el temps, pel que seria necessari un mecanisme de tolerància a fallades on el comportament s'adapte a l'evolució temporal de les condicions d'error, i que utilitze els nous ECC proposats.Saiz Adalid, LJ. (2015). Fallos intermitentes: análisis de causas y efectos, nuevos modelos de fallos y técnicas de mitigación [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/59452TESI

Semantic discovery and reuse of business process patterns

Patterns currently play an important role in modern information systems (IS) development and their use has mainly been restricted to the design and implementation phases of the development lifecycle. Given the increasing significance of business modelling in IS development, patterns have the potential of providing a viable solution for promoting reusability of recurrent generalized models in the very early stages of development. As a statement of research-in-progress this paper focuses on business process patterns and proposes an initial methodological framework for the discovery and reuse of business process patterns within the IS development lifecycle. The framework borrows ideas from the domain engineering literature and proposes the use of semantics to drive both the discovery of patterns as well as their reuse

Efficient techniques to provide scalability for token-based cache coherence protocols

Cache coherence protocols based on tokens can provide low latency without relying on non-scalable interconnects thanks to the use of efficient requests that are unordered. However, when these unordered requests contend for the same memory block, they may cause protocols races. To resolve the races and ensure the completion of all the cache misses, token protocols use a starvation prevention mechanism that is inefficient and non-scalable in terms of required storage structures and generated traffic. Besides, token protocols use non-silent invalidations which increase the latency of write misses proportionally to the system size. All these problems make token protocols non-scalable. To overcome the main problems of token protocols and increase their scalability, we propose a new starvation prevention mechanism named Priority Requests. This mechanism resolves contention by an efficient, elegant, and flexible method based on ordered requests. Furthermore, thanks to Priority Requests, efficient techniques can be applied to limit the storage requirements of the starvation prevention mechanism, to reduce the total traffic generated for managing protocol races, and to reduce the latency of write misses. Thus, the main problems of token protocols can be solved, which, in turn, contributes to wide their efficiency and scalability.Cuesta Sáez, BA. (2009). Efficient techniques to provide scalability for token-based cache coherence protocols [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/6024Palanci

Improving Programming Support for Hardware Accelerators Through Automata Processing Abstractions

The adoption of hardware accelerators, such as Field-Programmable Gate Arrays, into general-purpose computation pipelines continues to rise, driven by recent trends in data collection and analysis as well as pressure from challenging physical design constraints in hardware. The architectural designs of many of these accelerators stand in stark contrast to the traditional von Neumann model of CPUs. Consequently, existing programming languages, maintenance tools, and techniques are not directly applicable to these devices, meaning that additional architectural knowledge is required for effective programming and configuration. Current programming models and techniques are akin to assembly-level programming on a CPU, thus placing significant burden on developers tasked with using these architectures. Because programming is currently performed at such low levels of abstraction, the software development process is tedious and challenging and hinders the adoption of hardware accelerators. This dissertation explores the thesis that theoretical finite automata provide a suitable abstraction for bridging the gap between high-level programming models and maintenance tools familiar to developers and the low-level hardware representations that enable high-performance execution on hardware accelerators. We adopt a principled hardware/software co-design methodology to develop a programming model providing the key properties that we observe are necessary for success, namely performance and scalability, ease of use, expressive power, and legacy support. First, we develop a framework that allows developers to port existing, legacy code to run on hardware accelerators by leveraging automata learning algorithms in a novel composition with software verification, string solvers, and high-performance automata architectures. Next, we design a domain-specific programming language to aid programmers writing pattern-searching algorithms and develop compilation algorithms to produce finite automata, which supports efficient execution on a wide variety of processing architectures. Then, we develop an interactive debugger for our new language, which allows developers to accurately identify the locations of bugs in software while maintaining support for high-throughput data processing. Finally, we develop two new automata-derived accelerator architectures to support additional applications, including the detection of security attacks and the parsing of recursive and tree-structured data. Using empirical studies, logical reasoning, and statistical analyses, we demonstrate that our prototype artifacts scale to real-world applications, maintain manageable overheads, and support developers' use of hardware accelerators. Collectively, the research efforts detailed in this dissertation help ease the adoption and use of hardware accelerators for data analysis applications, while supporting high-performance computation.PHDComputer Science & EngineeringUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttps://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/155224/1/angstadt_1.pd

Six Decades of Flight Research: An Annotated Bibliography of Technical Publications of NASA Dryden Flight Research Center, 1946-2006

Titles, authors, report numbers, and abstracts are given for nearly 2900 unclassified and unrestricted technical reports and papers published from September 1946 to December 2006 by the NASA Dryden Flight Research Center and its predecessor organizations. These technical reports and papers describe and give the results of 60 years of flight research performed by the NACA and NASA, from the X-1 and other early X-airplanes, to the X-15, Space Shuttle, X-29 Forward Swept Wing, X-31, and X-43 aircraft. Some of the other research airplanes tested were the D-558, phase 1 and 2; M-2, HL-10 and X-24 lifting bodies; Digital Fly-By-Wire and Supercritical Wing F-8; XB-70; YF-12; AFTI F-111 TACT and MAW; F-15 HiDEC; F-18 High Alpha Research Vehicle, F-18 Systems Research Aircraft and the NASA Landing Systems Research aircraft. The citations of reports and papers are listed in chronological order, with author and aircraft indices. In addition, in the appendices, citations of 270 contractor reports, more than 200 UCLA Flight System Research Center reports, nearly 200 Tech Briefs, 30 Dryden Historical Publications, and over 30 videotapes are included

Using Tracing To Enhance Data Cache Performance in CPUs: The creation of a Trace-Assisted Cache to increase cache hits and decrease runtime

The processor-memory gap is widening every year with no prospect of reprieve. More and more latency is being added to program runtimes as memory cannot satisfy the demands of CPUs quickly enough. In the past, this has been alleviated through caches of increasing complexity or techniques like prefetching, to give the illusion of faster memory. However, these techniques have drawbacks because they are reactive or rely on incomplete information. In general, this leads to large amounts of latency in programs due to processor stalls. It is our contention that through tracing a program's data accesses and feeding this information back to the cache, overall program runtime can be reduced. This is achieved through a new piece of hardware called a Trace-Assisted Cache (TAC). This uses traces to gain foreknowledge of the memory requests the processor is likely to make, allowing them to be actioned before the processor requests the data, overlapping memory and computation instructions. Comparing the TAC against a standard CPU without a cache, we see improvements in runtimes of up to 65%. However, we see degraded performance of around 8% on average when compared to Set-Associative and Direct-Mapped caches. This is because improvements are swamped by high overheads and synchronisation times between components. We also see that benchmarks that exhibit several qualities: a balance of computation and memory instructions and keeping data well spread out in memory fare better using TAC than other benchmarks on the same hardware. Overall this demonstrates that whilst there is potential to reduce runtime via increasing the agency of the cache through Trace Assistance, it requires a highly efficient implementation to be competitive otherwise any potential gains are negated by the increase in overheads