Erreichen von Performance in Netzwerken-On-Chip für Echtzeitsysteme

In many new applications, such as in automatic driving, high performance requirements have reached safety critical real-time systems. Consequently, Networks-on-Chip (NoCs) must efficiently host new sets of highly dynamic workloads e.g., high resolution sensor fusion and data processing, autonomous decision’s making combined with machine learning. The static platform management, as used in current safety critical systems, is no more sufficient to provide the needed level of service. A dynamic platform management could meet the challenge, but it usually suffers from a lack of predictability and the simplicity necessary for certification of safety and real-time properties. In this work, we propose a novel, global and dynamic arbitration for NoCs with real-time QoS requirements. The mechanism decouples the admission control from arbitration in routers thereby simplifying a dynamic adaptation and real-time analysis. Consequently, the proposed solution allows the deployment of a sophisticated contract-based QoS provisioning without introducing complicated and hard to maintain schemes, known from the frequently applied static arbiters. The presented work introduces an overlay network to synchronize transmissions using arbitration units called Resource Managers (RMs), which allows global and work-conserving scheduling. The description of resource allocation strategies is supplemented by protocol design and verification methodology bringing adaptive control to NoC communication in setups with different QoS requirements and traffic classes. For doing that, a formal worst-case timing analysis for the mechanism has been proposed which demonstrates that this solution not only exposes higher performance in simulation but, even more importantly, consistently reaches smaller formally guaranteed worst-case latencies than other strategies for realistic levels of system's utilization. The approach is not limited to a specific network architecture or topology as the mechanism does not require modifications of routers and therefore can be used together with the majority of existing manycore systems. Indeed, the evaluation followed using the generic performance optimized router designs, as well as two systems-on-chip focused on real-time deployments. The results confirmed that the proposed approach proves to exhibit significantly higher average performance in simulation and execution.In vielen neuen sicherheitskritische Anwendungen, wie z.B. dem automatisierten Fahren, werden große Anforderungen an die Leistung von Echtzeitsysteme gestellt. Daher müssen Networks-on-Chip (NoCs) neue, hochdynamische Workloads wie z.B. hochauflösende Sensorfusion und Datenverarbeitung oder autonome Entscheidungsfindung kombiniert mit maschineller Lernen, effizient auf einem System unterbringen. Die Steuerung der zugrunde liegenden NoC-Architektur, muss die Systemsicherheit vor Fehlern, resultierend aus dem dynamischen Verhalten des Systems schützen und gleichzeitig die geforderte Performance bereitstellen. In dieser Arbeit schlagen wir eine neuartige, globale und dynamische Steuerung für NoCs mit Echtzeit QoS Anforderungen vor. Das Schema entkoppelt die Zutrittskontrolle von der Arbitrierung in Routern. Hierdurch wird eine dynamische Anpassung ermöglicht und die Echtzeitanalyse vereinfacht. Der Einsatz einer ausgefeilten vertragsbasierten Ressourcen-Zuweisung wird so ermöglicht, ohne komplexe und schwer wartbare Mechanismen, welche bereits aus dem statischen Plattformmanagement bekannt sind einzuführen. Diese Arbeit stellt ein übergelagertes Netzwerk vor, welches Übertragungen mit Hilfe von Arbitrierungseinheiten, den so genannten Resource Managern (RMs), synchronisiert. Dieses überlagerte Netzwerk ermöglicht eine globale und lasterhaltende Steuerung. Die Beschreibung verschiedener Ressourcenzuweisungstrategien wird ergänzt durch ein Protokolldesign und Methoden zur Verifikation der adaptiven NoC Steuerung mit unterschiedlichen QoS Anforderungen und Verkehrsklassen. Hierfür wird eine formale Worst Case Timing Analyse präsentiert, welche das vorgestellte Verfahren abbildet. Die Resultate bestätitgen, dass die präsentierte Lösung nicht nur eine höhere Performance in der Simulation bietet, sondern auch formal kleinere Worst-Case Latenzen für realistische Systemauslastungen als andere Strategien garantiert. Der vorgestellte Ansatz ist nicht auf eine bestimmte Netzwerkarchitektur oder Topologie beschränkt, da der Mechanismus keine Änderungen an den unterliegenden Routern erfordert und kann daher zusammen mit bestehenden Manycore-Systemen eingesetzt werden. Die Evaluierung erfolgte auf Basis eines leistungsoptimierten Router-Designs sowie zwei auf Echtzeit-Anwendungen fokusierten Platformen. Die Ergebnisse bestätigten, dass der vorgeschlagene Ansatz im Durchschnitt eine deutlich höhere Leistung in der Simulation und Ausführung liefert

Methoden und Beschreibungssprachen zur Modellierung und Verifikation vonSchaltungen und Systemen: MBMV 2015 - Tagungsband, Chemnitz, 03. - 04. März 2015

Der Workshop Methoden und Beschreibungssprachen zur Modellierung und Verifikation von Schaltungen und Systemen (MBMV 2015) findet nun schon zum 18. mal statt. Ausrichter sind in diesem Jahr die Professur Schaltkreis- und Systementwurf der Technischen Universität Chemnitz und das Steinbeis-Forschungszentrum Systementwurf und Test. Der Workshop hat es sich zum Ziel gesetzt, neueste Trends, Ergebnisse und aktuelle Probleme auf dem Gebiet der Methoden zur Modellierung und Verifikation sowie der Beschreibungssprachen digitaler, analoger und Mixed-Signal-Schaltungen zu diskutieren. Er soll somit ein Forum zum Ideenaustausch sein. Weiterhin bietet der Workshop eine Plattform für den Austausch zwischen Forschung und Industrie sowie zur Pflege bestehender und zur Knüpfung neuer Kontakte. Jungen Wissenschaftlern erlaubt er, ihre Ideen und Ansätze einem breiten Publikum aus Wissenschaft und Wirtschaft zu präsentieren und im Rahmen der Veranstaltung auch fundiert zu diskutieren. Sein langjähriges Bestehen hat ihn zu einer festen Größe in vielen Veranstaltungskalendern gemacht. Traditionell sind auch die Treffen der ITGFachgruppen an den Workshop angegliedert. In diesem Jahr nutzen zwei im Rahmen der InnoProfile-Transfer-Initiative durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderte Projekte den Workshop, um in zwei eigenen Tracks ihre Forschungsergebnisse einem breiten Publikum zu präsentieren. Vertreter der Projekte Generische Plattform für Systemzuverlässigkeit und Verifikation (GPZV) und GINKO - Generische Infrastruktur zur nahtlosen energetischen Kopplung von Elektrofahrzeugen stellen Teile ihrer gegenwärtigen Arbeiten vor. Dies bereichert denWorkshop durch zusätzliche Themenschwerpunkte und bietet eine wertvolle Ergänzung zu den Beiträgen der Autoren. [... aus dem Vorwort

Design and Programming Methods for Reconfigurable Multi-Core Architectures using a Network-on-Chip-Centric Approach

A current trend in the semiconductor industry is the use of Multi-Processor Systems-on-Chip (MPSoCs) for a wide variety of applications such as image processing, automotive, multimedia, and robotic systems. Most applications gain performance advantages by executing parallel tasks on multiple processors due to the inherent parallelism. Moreover, heterogeneous structures provide high performance/energy efficiency, since application-specific processing elements (PEs) can be exploited. The increasing number of heterogeneous PEs leads to challenging communication requirements. To overcome this challenge, Networks-on-Chip (NoCs) have emerged as scalable on-chip interconnect. Nevertheless, NoCs have to deal with many design parameters such as virtual channels, routing algorithms and buffering techniques to fulfill the system requirements. This thesis highly contributes to the state-of-the-art of FPGA-based MPSoCs and NoCs. In the following, the three major contributions are introduced. As a first major contribution, a novel router concept is presented that efficiently utilizes communication times by performing sequences of arithmetic operations on the data that is transferred. The internal input buffers of the routers are exchanged with processing units that are capable of executing operations. Two different architectures of such processing units are presented. The first architecture provides multiply and accumulate operations which are often used in signal processing applications. The second architecture introduced as Application-Specific Instruction Set Routers (ASIRs) contains a processing unit capable of executing any operation and hence, it is not limited to multiply and accumulate operations. An internal processing core located in ASIRs can be developed in C/C++ using high-level synthesis. The second major contribution comprises application and performance explorations of the novel router concept. Models that approximate the achievable speedup and the end-to-end latency of ASIRs are derived and discussed to show the benefits in terms of performance. Furthermore, two applications using an ASIR-based MPSoC are implemented and evaluated on a Xilinx Zynq SoC. The first application is an image processing algorithm consisting of a Sobel filter, an RGB-to-Grayscale conversion, and a threshold operation. The second application is a system that helps visually impaired people by navigating them through unknown indoor environments. A Light Detection and Ranging (LIDAR) sensor scans the environment, while Inertial Measurement Units (IMUs) measure the orientation of the user to generate an audio signal that makes the distance as well as the orientation of obstacles audible. This application consists of multiple parallel tasks that are mapped to an ASIR-based MPSoC. Both applications show the performance advantages of ASIRs compared to a conventional NoC-based MPSoC. Furthermore, dynamic partial reconfiguration in terms of relocation and security aspects are investigated. The third major contribution refers to development and programming methodologies of NoC-based MPSoCs. A software-defined approach is presented that combines the design and programming of heterogeneous MPSoCs. In addition, a Kahn-Process-Network (KPN) –based model is designed to describe parallel applications for MPSoCs using ASIRs. The KPN-based model is extended to support not only the mapping of tasks to NoC-based MPSoCs but also the mapping to ASIR-based MPSoCs. A static mapping methodology is presented that assigns tasks to ASIRs and processors for a given KPN-model. The impact of external hardware components such as sensors, actuators and accelerators connected to the processors is also discussed which makes the approach of high interest for embedded systems

Zuverlässige und Energieeffiziente gemischt-kritische Echtzeit On-Chip Systeme

Multi- and many-core embedded systems are increasingly becoming the target for many applications that require high performance under varying conditions. A resulting challenge is the control, and reliable operation of such complex multiprocessing architectures under changes, e.g., high temperature and degradation. In mixed-criticality systems where many applications with varying criticalities are consolidated on the same execution platform, fundamental isolation requirements to guarantee non-interference of critical functions are crucially important. While Networks-on-Chip (NoCs) are the prevalent solution to provide scalable and efficient interconnects for the multiprocessing architectures, their associated energy consumption has immensely increased. Specifically, hard real-time NoCs must manifest limited energy consumption as thermal runaway in such a core shared resource jeopardizes the whole system guarantees. Thus, dynamic energy management of NoCs, as opposed to the related work static solutions, is highly necessary to save energy and decrease temperature, while preserving essential temporal requirements. In this thesis, we introduce a centralized management to provide energy-aware NoCs for hard real-time systems. The design relies on an energy control network, developed on top of an existing switch arbitration network to allow isolation between energy optimization and data transmission. The energy control layer includes local units called Power-Aware NoC controllers that dynamically optimize NoC energy depending on the global state and applications’ temporal requirements. Furthermore, to adapt to abnormal situations that might occur in the system due to degradation, we extend the concept of NoC energy control to include the entire system scope. That is, online resource management employing hierarchical control layers to treat system degradation (imminent core failures) is supported. The mechanism applies system reconfiguration that involves workload migration. For mixed-criticality systems, it allows flexible boundaries between safety-critical and non-critical subsystems to safely apply the reconfiguration, preserving fundamental safety requirements and temporal predictability. Simulation and formal analysis-based experiments on various realistic usecases and benchmarks are conducted showing significant improvements in NoC energy-savings and in treatment of system degradation for mixed-criticality systems improving dependability over the status quo.Eingebettete Many- und Multi-core-Systeme werden zunehmend das Ziel für Anwendungen, die hohe Anfordungen unter unterschiedlichen Bedinungen haben. Für solche hochkomplexed Multi-Prozessor-Systeme ist es eine grosse Herausforderung zuverlässigen Betrieb sicherzustellen, insbesondere wenn sich die Umgebungseinflüsse verändern. In Systeme mit gemischter Kritikalität, in denen viele Anwendungen mit unterschiedlicher Kritikalität auf derselben Ausführungsplattform bedient werden müssen, sind grundlegende Isolationsanforderungen zur Gewährleistung der Nichteinmischung kritischer Funktionen von entscheidender Bedeutung. Während On-Chip Netzwerke (NoCs) häufig als skalierbare Verbindung für die Multiprozessor-Architekturen eingesetzt werden, ist der damit verbundene Energieverbrauch immens gestiegen. Daher sind dynamische Plattformverwaltungen, im Gegensatz zu den statischen, zwingend notwendig, um ein System an die oben genannten Veränderungen anzupassen und gleichzeitig Timing zu gewährleisten. In dieser Arbeit entwickeln wir energieeffiziente NoCs für harte Echtzeitsysteme. Das Design basiert auf einem Energiekontrollnetzwerk, das auf einem bestehenden Switch-Arbitration-Netzwerk entwickelt wurde, um eine Isolierung zwischen Energieoptimierung und Datenübertragung zu ermöglichen. Die Energiesteuerungsschicht umfasst lokale Einheiten, die als Power-Aware NoC-Controllers bezeichnet werden und die die NoC-Energie in Abhängigkeit vom globalen Zustand und den zeitlichen Anforderungen der Anwendungen optimieren. Darüber hinaus wird das Konzept der NoC-Energiekontrolle zur Anpassung an Anomalien, die aufgrund von Abnutzung auftreten können, auf den gesamten Systemumfang ausgedehnt. Online- Ressourcenverwaltungen, die hierarchische Kontrollschichten zur Behandlung Abnutzung (drohender Kernausfälle) einsetzen, werden bereitgestellt. Bei Systemen mit gemischter Kritikalität erlaubt es flexible Grenzen zwischen sicherheitskritischen und unkritischen Subsystemen, um die Rekonfiguration sicher anzuwenden, wobei grundlegende Sicherheitsanforderungen erhalten bleiben und Timing Vorhersehbarkeit. Experimente werden auf der Basis von Simulationen und formalen Analysen zu verschiedenen realistischen Anwendungsfallen und Benchmarks durchgeführt, die signifikanten Verbesserungen bei On-Chip Netzwerke-Energieeinsparungen und bei der Behandlung von Abnutzung für Systeme mit gemischter Kritikalität zur Verbesserung die Systemstabilität gegenüber dem bisherigen Status quo zeigen

Side-Channel Protected MPSoC through Secure Real-Time Networks-on-Chip

The integration of Multi-Processors System-on-Chip (MPSoCs) into the Internet -of -Things (IoT) context brings new opportunities, but also represent risks. Tight real-time constraints and security requirements should be considered simultaneously when designing MPSoCs. Network-on-Chip (NoCs) are specially critical when meeting these two conflicting characteristics. For instance the NoC design has a huge influence in the security of the system. A vital threat to system security are so-called side-channel attacks based on the NoC communication observations. To this end, we propose a NoC security mechanism suitable for hard real-time systems, in which schedulability is a vital design requirement. We present three contributions. First, we show the impact of the NoC routing in the security of the system. Second, we propose a packet route randomisation mechanism to increase NoC resilience against side-channel attacks. Third, using an evolutionary optimisation approach, we effectively apply route randomisation while controlling its impact on hard real-time performance guarantees. Extensive experimental evidence based on analytical and simulation models supports our findings

Dynamic Resource Allocation in Embedded, High-Performance and Cloud Computing

The availability of many-core computing platforms enables a wide variety of technical solutions for systems across the embedded, high-performance and cloud computing domains. However, large scale manycore systems are notoriously hard to optimise. Choices regarding resource allocation alone can account for wide variability in timeliness and energy dissipation (up to several orders of magnitude). Dynamic Resource Allocation in Embedded, High-Performance and Cloud Computing covers dynamic resource allocation heuristics for manycore systems, aiming to provide appropriate guarantees on performance and energy efficiency. It addresses different types of systems, aiming to harmonise the approaches to dynamic allocation across the complete spectrum between systems with little flexibility and strict real-time guarantees all the way to highly dynamic systems with soft performance requirements. Technical topics presented in the book include: Load and Resource Models Admission Control Feedback-based Allocation and Optimisation Search-based Allocation Heuristics Distributed Allocation based on Swarm Intelligence Value-Based Allocation Each of the topics is illustrated with examples based on realistic computational platforms such as Network-on-Chip manycore processors, grids and private cloud environments.Note.-- EUR 6,000 BPC fee funded by the EC FP7 Post-Grant Open Access Pilo

Dynamic Resource Allocation in Embedded, High-Performance and Cloud Computing

The availability of many-core computing platforms enables a wide variety of technical solutions for systems across the embedded, high-performance and cloud computing domains. However, large scale manycore systems are notoriously hard to optimise. Choices regarding resource allocation alone can account for wide variability in timeliness and energy dissipation (up to several orders of magnitude). Dynamic Resource Allocation in Embedded, High-Performance and Cloud Computing covers dynamic resource allocation heuristics for manycore systems, aiming to provide appropriate guarantees on performance and energy efficiency. It addresses different types of systems, aiming to harmonise the approaches to dynamic allocation across the complete spectrum between systems with little flexibility and strict real-time guarantees all the way to highly dynamic systems with soft performance requirements. Technical topics presented in the book include: • Load and Resource Models• Admission Control• Feedback-based Allocation and Optimisation• Search-based Allocation Heuristics• Distributed Allocation based on Swarm Intelligence• Value-Based AllocationEach of the topics is illustrated with examples based on realistic computational platforms such as Network-on-Chip manycore processors, grids and private cloud environments