A Multi-objective Perspective for Operator Scheduling using Fine-grained DVS Architecture

The stringent power budget of fine grained power managed digital integrated circuits have driven chip designers to optimize power at the cost of area and delay, which were the traditional cost criteria for circuit optimization. The emerging scenario motivates us to revisit the classical operator scheduling problem under the availability of DVFS enabled functional units that can trade-off cycles with power. We study the design space defined due to this trade-off and present a branch-and-bound(B/B) algorithm to explore this state space and report the pareto-optimal front with respect to area and power. The scheduling also aims at maximum resource sharing and is able to attain sufficient area and power gains for complex benchmarks when timing constraints are relaxed by sufficient amount. Experimental results show that the algorithm that operates without any user constraint(area/power) is able to solve the problem for most available benchmarks, and the use of power budget or area budget constraints leads to significant performance gain.Comment: 18 pages, 6 figures, International journal of VLSI design & Communication Systems (VLSICS

Content-Aware Multimedia Communications

The demands for fast, economic and reliable dissemination of multimedia information are steadily growing within our society. While people and economy increasingly rely on communication technologies, engineers still struggle with their growing complexity. Complexity in multimedia communication originates from several sources. The most prominent is the unreliability of packet networks like the Internet. Recent advances in scheduling and error control mechanisms for streaming protocols have shown that the quality and robustness of multimedia delivery can be improved significantly when protocols are aware of the content they deliver. However, the proposed mechanisms require close cooperation between transport systems and application layers which increases the overall system complexity. Current approaches also require expensive metrics and focus on special encoding formats only. A general and efficient model is missing so far. This thesis presents efficient and format-independent solutions to support cross-layer coordination in system architectures. In particular, the first contribution of this work is a generic dependency model that enables transport layers to access content-specific properties of media streams, such as dependencies between data units and their importance. The second contribution is the design of a programming model for streaming communication and its implementation as a middleware architecture. The programming model hides the complexity of protocol stacks behind simple programming abstractions, but exposes cross-layer control and monitoring options to application programmers. For example, our interfaces allow programmers to choose appropriate failure semantics at design time while they can refine error protection and visibility of low-level errors at run-time. Based on some examples we show how our middleware simplifies the integration of stream-based communication into large-scale application architectures. An important result of this work is that despite cross-layer cooperation, neither application nor transport protocol designers experience an increase in complexity. Application programmers can even reuse existing streaming protocols which effectively increases system robustness.Der Bedarf unsere Gesellschaft nach kostengünstiger und zuverlässiger Kommunikation wächst stetig. Während wir uns selbst immer mehr von modernen Kommunikationstechnologien abhängig machen, müssen die Ingenieure dieser Technologien sowohl den Bedarf nach schneller Einführung neuer Produkte befriedigen als auch die wachsende Komplexität der Systeme beherrschen. Gerade die Übertragung multimedialer Inhalte wie Video und Audiodaten ist nicht trivial. Einer der prominentesten Gründe dafür ist die Unzuverlässigkeit heutiger Netzwerke, wie z.B.~dem Internet. Paketverluste und schwankende Laufzeiten können die Darstellungsqualität massiv beeinträchtigen. Wie jüngste Entwicklungen im Bereich der Streaming-Protokolle zeigen, sind jedoch Qualität und Robustheit der Übertragung effizient kontrollierbar, wenn Streamingprotokolle Informationen über den Inhalt der transportierten Daten ausnutzen. Existierende Ansätze, die den Inhalt von Multimediadatenströmen beschreiben, sind allerdings meist auf einzelne Kompressionsverfahren spezialisiert und verwenden berechnungsintensive Metriken. Das reduziert ihren praktischen Nutzen deutlich. Außerdem erfordert der Informationsaustausch eine enge Kooperation zwischen Applikationen und Transportschichten. Da allerdings die Schnittstellen aktueller Systemarchitekturen nicht darauf vorbereitet sind, müssen entweder die Schnittstellen erweitert oder alternative Architekturkonzepte geschaffen werden. Die Gefahr beider Varianten ist jedoch, dass sich die Komplexität eines Systems dadurch weiter erhöhen kann. Das zentrale Ziel dieser Dissertation ist es deshalb, schichtenübergreifende Koordination bei gleichzeitiger Reduzierung der Komplexität zu erreichen. Hier leistet die Arbeit zwei Beträge zum aktuellen Stand der Forschung. Erstens definiert sie ein universelles Modell zur Beschreibung von Inhaltsattributen, wie Wichtigkeiten und Abhängigkeitsbeziehungen innerhalb eines Datenstroms. Transportschichten können dieses Wissen zur effizienten Fehlerkontrolle verwenden. Zweitens beschreibt die Arbeit das Noja Programmiermodell für multimediale Middleware. Noja definiert Abstraktionen zur Übertragung und Kontrolle multimedialer Ströme, die die Koordination von Streamingprotokollen mit Applikationen ermöglichen. Zum Beispiel können Programmierer geeignete Fehlersemantiken und Kommunikationstopologien auswählen und den konkreten Fehlerschutz dann zur Laufzeit verfeinern und kontrolliere

Resource management algorithms for real-time wireless sensor networks with applications in cyber-physical systems

Wireless Sensor Networks (WSN) are playing a key role in the efficient operation of Cyber Physical Systems (CPS). They provide cost efficient solutions to current and future CPS re- quirements such as real-time structural awareness, faster event localization, cost reduction due to condition based maintenance rather than periodic maintenance, increased opportunities for real-time preventive or corrective control action and fine grained diagnostic analysis. However, there are several critical challenges in the real world applicability of WSN. The low power, low data rate characteristics of WSNs coupled with constraints such as application specified latency and wireless interference present challenges to their efficient integration in CPSs. The existing state of the art solutions lack methods to address these challenges that impediment the easy integration of WSN in CPS. This dissertation develops efficient resource management algorithms enabling WSNs to perform reliable, real-time, cost efficient monitoring. This research addresses three important problems in resource management in the presence of different constraints such as latency, precedence and wireless interference constraints. Additionally, the dissertation proposes a solution to deploy WSNs based real-time monitoring of critical infrastructure such as electrical overhead transmission lines. Firstly, design and analysis of an energy-aware scheduling algorithm encompassing both computation and communication subsystems in the presence of deadline, precedence and in- terference constraints is presented. The energy-delay tradeoff presented by the energy saving technologies such as Dynamic Voltage Scaling (DVS) and Dynamic modulation Scaling (DMS) is studied and methods to leverage it by way of efficient schedule construction is proposed. Performance results show that the proposed polynomial-time heuristic scheduling algorithm offers comparable energy savings to that of the analytically derived optimal solution. Secondly, design, analysis and evaluation of adaptive online algorithms leveraging run- time variations is presented. Specifically, two widely used medium access control schemes are considered and online algorithms are proposed for each. For one, temporal correlation in sensor measurements is exploited and three heuristics with varying complexities are proposed to perform energy minimization using DMS. For another, an adaptive algorithm is proposed addressing channel and load conditions at a node by influencing the selection of either low energy or low delay transmission option. In both cases, the simulation results show that the proposed schemes provide much better energy savings as compared to the existing algorithms. The third component presents design and evaluation of a WSN based framework to mon- itor a CPS namely, electrical overhead transmission line infrastructure. The cost optimized hybrid hierarchical network architecture is composed of a combination of wired, wireless and cellular technologies. The proposed formulation is generic and addresses constraints such as bandwidth and latency; and real world scenarios such as asymmetric sensor data generation, unreliable wireless link behavior, non-uniform cellular coverage and is suitable for cost minimized incremental future deployment. In conclusion, this dissertation addresses several challenging research questions in the area of resource management in WSNs and their applicability in future CPSs through associated algorithms and analyses. The proposed research opens up new avenues for future research such as energy management through network coding and fault diagnosis for reliable monitoring

Network-on-Chip

Addresses the Challenges Associated with System-on-Chip Integration Network-on-Chip: The Next Generation of System-on-Chip Integration examines the current issues restricting chip-on-chip communication efficiency, and explores Network-on-chip (NoC), a promising alternative that equips designers with the capability to produce a scalable, reusable, and high-performance communication backbone by allowing for the integration of a large number of cores on a single system-on-chip (SoC). This book provides a basic overview of topics associated with NoC-based design: communication infrastructure design, communication methodology, evaluation framework, and mapping of applications onto NoC. It details the design and evaluation of different proposed NoC structures, low-power techniques, signal integrity and reliability issues, application mapping, testing, and future trends. Utilizing examples of chips that have been implemented in industry and academia, this text presents the full architectural design of components verified through implementation in industrial CAD tools. It describes NoC research and developments, incorporates theoretical proofs strengthening the analysis procedures, and includes algorithms used in NoC design and synthesis. In addition, it considers other upcoming NoC issues, such as low-power NoC design, signal integrity issues, NoC testing, reconfiguration, synthesis, and 3-D NoC design. This text comprises 12 chapters and covers: The evolution of NoC from SoC—its research and developmental challenges NoC protocols, elaborating flow control, available network topologies, routing mechanisms, fault tolerance, quality-of-service support, and the design of network interfaces The router design strategies followed in NoCs The evaluation mechanism of NoC architectures The application mapping strategies followed in NoCs Low-power design techniques specifically followed in NoCs The signal integrity and reliability issues of NoC The details of NoC testing strategies reported so far The problem of synthesizing application-specific NoCs Reconfigurable NoC design issues Direction of future research and development in the field of NoC Network-on-Chip: The Next Generation of System-on-Chip Integration covers the basic topics, technology, and future trends relevant to NoC-based design, and can be used by engineers, students, and researchers and other industry professionals interested in computer architecture, embedded systems, and parallel/distributed systems

Coordinating Resource Use in Open Distributed Systems

In an open distributed system, computational resources are peer-owned, and distributed over time and space. The system is open to interactions with its environment, and the resources can dynamically join or leave the system, or can be discovered at runtime. This dynamicity leads to opportunities to carry out computations without statically owned resources, harnessing the collective compute power of the resources connected by the Internet. However, realizing this potential requires efficient and scalable resource discovery, coordination, and control, which present challenges in a dynamic, open environment. In this thesis, I present an approach to address these challenges by separating the functionality concerns of concurrent computations from those of coordinating their resource use, with the purpose of reducing programming complexity, and aiding development of correct, efficient, and resource-aware concurrent programs. As a first step towards effectively coordinating distributed resources, I developed DREAM, a Distributed Resource Estimation and Allocation Model, which enables computations to reason about future availability of resources. I then developed a fine-grained resource coordination scheme for distributed computations. The coordination scheme integrates DREAM-based resource reasoning into a distributed scheduler, for deciding and enforcing fine-grained resource-use schedules for distributed computations. To control the overhead caused by the coordination, a tuner is implemented which explicitly balances the overhead of the control mechanisms against the extent of control exercised. The effectiveness and performance of the resource coordination approach have been evaluated using a number of case studies. Experimental results show that the approach can effectively schedule computations for supporting various types of coordination objectives, such as ensuring Quality-of-Service, power-efficient execution, and dynamic load balancing. The overhead caused by the coordination mechanism is relatively modest, and adjustable through the tuner. In addition, the coordination mechanism does not add extra programming complexity to computations

Energy Concerns with HPC Systems and Applications

For various reasons including those related to climate changes, {\em energy} has become a critical concern in all relevant activities and technical designs. For the specific case of computer activities, the problem is exacerbated with the emergence and pervasiveness of the so called {\em intelligent devices}. From the application side, we point out the special topic of {\em Artificial Intelligence}, who clearly needs an efficient computing support in order to succeed in its purpose of being a {\em ubiquitous assistant}. There are mainly two contexts where {\em energy} is one of the top priority concerns: {\em embedded computing} and {\em supercomputing}. For the former, power consumption is critical because the amount of energy that is available for the devices is limited. For the latter, the heat dissipated is a serious source of failure and the financial cost related to energy is likely to be a significant part of the maintenance budget. On a single computer, the problem is commonly considered through the electrical power consumption. This paper, written in the form of a survey, we depict the landscape of energy concerns in computer activities, both from the hardware and the software standpoints.Comment: 20 page

Unified Role Assignment Framework For Wireless Sensor Networks

Wireless sensor networks are made possible by the continuing improvements in embedded sensor, VLSI, and wireless radio technologies. Currently, one of the important challenges in sensor networks is the design of a systematic network management framework that allows localized and collaborative resource control uniformly across all application services such as sensing, monitoring, tracking, data aggregation, and routing. The research in wireless sensor networks is currently oriented toward a cross-layer network abstraction that supports appropriate fine or course grained resource controls for energy efficiency. In that regard, we have designed a unified role-based service paradigm for wireless sensor networks. We pursue this by first developing a Role-based Hierarchical Self-Organization (RBSHO) protocol that organizes a connected dominating set (CDS) of nodes called dominators. This is done by hierarchically selecting nodes that possess cumulatively high energy, connectivity, and sensing capabilities in their local neighborhood. The RBHSO protocol then assigns specific tasks such as sensing, coordination, and routing to appropriate dominators that end up playing a certain role in the network. Roles, though abstract and implicit, expose role-specific resource controls by way of role assignment and scheduling. Based on this concept, we have designed a Unified Role-Assignment Framework (URAF) to model application services as roles played by local in-network sensor nodes with sensor capabilities used as rules for role identification. The URAF abstracts domain specific role attributes by three models: the role energy model, the role execution time model, and the role service utility model. The framework then generalizes resource management for services by providing abstractions for controlling the composition of a service in terms of roles, its assignment, reassignment, and scheduling. To the best of our knowledge, a generic role-based framework that provides a simple and unified network management solution for wireless sensor networks has not been proposed previously

Proactive Adaptation in Self-Organizing Task-based Runtime Systems for Different Computing Classes

Moderne Computersysteme bieten Anwendern und Anwendungsentwicklern ein hohes Maß an Parallelität und Heterogenität. Die effiziente Nutzung dieser Systeme erfordert jedoch tiefgreifende Kenntnisse, z.B. der darunterliegenden Hardware-Plattform und den notwendigen Programmiermodellen, und umfangreiche Arbeit des Entwicklers. In dieser Thesis bezieht sich die effiziente Nutzung auf die Gesamtausführungszeit der Anwendungen, den Energieverbrauch des Systems, die maximale Temperatur der Verarbeitungseinheiten und die Zuverlässigkeit des Systems. Neben den verschiedenen Optimierungszielen muss ein Anwendungsentwickler auch die spezifischen Einschränkungen und Randbedingungen des Systems berücksichtigen, wie z. B. Deadlines oder Sicherheitsgarantien, die mit bestimmten Anwendungsbereichen einhergehen. Diese Komplexität heterogener Systeme macht es unmöglich, alle potenziellen Systemzustände und Umwelteinflüsse, die zur Laufzeit auftreten können, vorherzusagen. Die System- und Anwendungsentwickler sind somit nicht in der Lage, zur Entwurfszeit festzulegen, wie das System und die Anwendungen in allen möglichen Situationen reagieren sollen. Daher ist es notwendig, die Systeme zur Laufzeit der aktuellen Situation anzupassen, um ihr Verhalten entsprechend zu optimieren. In eingebetteten Systemen mit begrenzten Kühlkapazitäten muss z.B. bei Erreichen einer bestimmten Temperaturschwelle eine Lastverteilung vorgenommen, die Frequenz verringert oder Verarbeitungseinheiten abgeschaltet werden, um die Wärmeentwicklung zu reduzieren. Normalerweise reicht es aber nicht aus, einfach nur auf einen ungünstigen Systemzustand zu reagieren. Das Ziel sollte darin bestehen, ungünstige oder fehlerhafte Systemzustände vor dem Auftreten zu vermeiden, um die Notwendigkeit des Aufrufs von Notfallfunktionen zu verringern und die Benutzerfreundlichkeit zu verbessern. Anstatt beispielsweise die Wärmeentwicklung durch eine Neuverteilung der Anwendungen zu reduzieren, könnten proaktive Mechanismen kritische Temperaturen bereits im Vorfeld vermeiden, indem sie bestimmte unkritische Aufgaben verzögern oder deren Genauigkeit oder QoS verringern. Auf diese Weise wird die Systemlast reduziert, bevor ein kritischer Punkt erreicht wird. Lösungen des aktuellen Stands der Technik wie einheitliche Programmiersprachen oder Laufzeitsysteme adressieren einige der oben genannten Herausforderungen, jedoch existiert kein Ansatz, der in der Lage ist, eine Optimierung mehrerer sich widersprechender Zielfunktionen dynamisch und vor allem proaktiv durchzuführen. Ein Konzept, das diese komplexe Aufgabe für den Entwickler übernimmt und eine Möglichkeit zur dynamischen und proaktiven Anpassung an Veränderungen bietet, ist die Selbstorganisation. Selbstorganisation ist jedoch definiert als ein Prozess ohne externe Kontrolle oder Steuerung. Im Kontext der Systemoptimierung kann dies leicht zu unerwünschten Ergebnissen führen. Ein Ansatz, der Selbstorganisation mit einem Kontrollmechanismus kombiniert, welcher auf Robustheit und Widerstandsfähigkeit gegenüber äußeren Störungen abzielt, ist Organic Computing. Das bestimmende Merkmal von Organic Computing ist eine Observer/Controller-Architektur. Das Konzept dieser Architektur besteht darin, den aktuellen Zustand des Systems und der Umgebung zu überwachen, diese Daten zu analysieren und auf der Grundlage dieser Analyse Entscheidungen über das zukünftige Systemverhalten zu treffen. Organic Computing ermöglicht es also auf der Grundlage der vergangenen und des aktuellen Zustands proaktiv Mechanismen auszuwählen und auszulösen, die das System optimieren und unerwünschte Zustände vermeiden. Um die Vorteile des Organic Computings auf moderne heterogene Systeme zu übertragen, kombiniere ich den Organic Computing-Ansatz mit einem Laufzeitsystem. Laufzeitsysteme sind ein vielversprechender Kandidat für die Umsetzung des Organic Computing-Ansatzes, da sie bereits die Ausführung von Anwendungen überwachen und steuern. Insbesondere betrachte und bearbeite ich in dieser Dissertation die folgenden Forschungsthemen, indem ich die Konzepte des Organic Computings und der Laufzeitsysteme kombiniere: • Erfassen des aktuellen Systemzustands durch Überwachung von Sensoren und Performance Countern • Vorhersage zukünftiger Systemzustände durch Analyse des vergangenen Verhaltens • Nutzung von Zustandsinformationen zur proaktiven Anpassung des Systems Ich erweitere das Thema der Erfassung von Systemzuständen auf zwei Arten. Zunächst führe ich eine neuartige heuristische Metrik zur Berechnung der Zuverlässigkeit einer Verarbeitungseinheit ein, die auf symptombasierter Fehlererkennung basiert. Symptombasierte Fehlererkennung ist eine leichtgewichtige Methode zur dynamischen Erkennung von soften Hardware-Fehlern durch Überwachung des Ausführungsverhaltens mit Performance Countern. Die dynamische Erkennung von Fehlern ermöglicht dann die Berechnung einer heuristischen Fehlerrate einer Verarbeitungseinheit in einem bestimmten Zeitfenster. Die Fehlerrate wird verwendet, um die Anzahl der erforderlichen Ausführungen einer Anwendung zu berechnen, um eine bestimmte Ergebniszuverlässigkeit, also eine Mindestwahrscheinlichkeit für ein korrektes Ergebnis, zu gewährleisten. Ein wichtiger Aspekt der Zustandserfassung ist die Minimierung des entstehenden Overheads. Ich verringere die Anzahl der für OpenMP-Tasks notwendigen Profiling-Durchläufe durch Thread-Interpolation und Überprüfungen des Skalierungsverhaltens. Zusätzlich untersuche ich die Vorhersage von OpenCL Task-Ausführungszeiten. Die Prädiktoren der Ausführungszeiten werden mit verschiedenen maschinellen Lernalgorithmen trainiert. Als Input werden Profile der Kernel verwendet, die durch statische Codeanalyse erstellt wurden. Um in dieser Dissertation zukünftige Systemzustände vorherzusagen, sollen Anwendungen vorausgesagt werden, die in naher Zukunft im System vorkommen werden. In Kombination mit der Ausführungsdatenbank ermöglicht dies die Schätzung der anstehenden Kosten, die das System zu bewältigen hat. In dieser Arbeit werden zwei Mechanismen zur Vorhersage von Anwendungen/Tasks entwickelt. Der erste Prädiktor zielt darauf ab, neue Instanzen unabhängiger Tasks vorherzusagen. Der zweite Mechanismus betrachtet Ausführungsmuster abhängiger Anwendungen und sagt auf dieser Grundlage zukünftig auftretende Anwendungen vorher. Beide Mechanismen verwenden eine Vorhersagetabelle, die auf Markov-Prädiktoren und dem Abgleich von Mustern basiert. In dieser Arbeit wird das Wissen, das durch die Systemüberwachung und die Vorhersage zukünftiger Anwendungen gewonnen wird, verwendet, um die Optimierungsziele des Systems proaktiv in Einklang zu bringen und zu gewichten. Dies geschieht durch eine Reihe von Regeln, die eine Systemzustandsbeschreibung, bestehend aus dem aktuellen Zustand, Vorhersagen und Randbedingungen bzw. Beschränkungen, auf einen Vektor aus Gewichten abbilden. Zum Erlernen der Regelmenge wird ein Extended Classifer System (XCS) eingesetzt. Das XCS ist in eine hierarchische Architektur eingebettet, die nach den Prinzipien des Organic Computing entworfen wurde. Eine wichtige Designentscheidung ist dabei die Auslagerung der Erstellung neuer Regeln an einen Offline-Algorithmus, der einen Simulator nutzt und parallel zum normalen Systemablauf ausgeführt wird. Dadurch wird sichergestellt, dass keine ungetesteten Regeln, deren Auswirkungen noch nicht bekannt sind, dem laufenden System hinzugefügt werden. Die sich daraus ergebenden Gewichte werden schließlich verwendet, um eine Bewertungsfunktion für List Scheduling-Algorithmen zu erstellen. Diese Dissertation erweitert das Forschungsgebiet der Scheduling-Algorithmen durch zwei Mechanismen für dynamisches Scheduling. Die erste Erweiterung konzentriert sich auf nicht sicherheitskritische Systeme, die Prioritäten verwenden, um die unterschiedliche Wichtigkeit von Tasks auszudrücken. Da statische Prioritäten in stark ausgelasteten Systemen zu Starvation führen können, habe ich einen dynamischen Ageing-Mechanismus entwickelt, der dazu in der Lage ist, die Prioritäten der Tasks entsprechend der aktuellen Auslastung und ihrer Wartezeiten anzupassen. Dadurch reduziert der Mechanismus die Gesamtlaufzeit über alle Tasks und die Wartezeit für Tasks mit niedrigerer Priorität. Noch ist eine große Anzahl von Anwendungen nicht dazu bereit, den hohen Grad an Parallelität zu nutzen, den moderne Computersysteme bieten. Ein Konzept, das versucht dieses Problem zu lösen, indem es mehrere verschiedene Prozesse auf demselben Rechenknoten zur Ausführung bringt, ist das Co-Scheduling. In dieser Dissertation stelle ich einen neuartigen Co-Scheduling-Mechanismus vor, welcher die Task-Schedules mehrerer Laufzeitsysteminstanzen optimiert, die auf demselben Rechenknoten ausgeführt werden. Um die notwendigen Informationen zwischen den Laufzeitsysteminstanzen zu teilen, speichert der Mechanismus die Daten in Shared Memory. Sobald ein Laufzeitsystem neue Tasks in das System einfügt, prüft der Mechanismus, ob die Berechnung eines neuen Schedules sinnvoll ist. Wird die Entscheidung getroffen, einen neuen Schedule zu berechnen, setzt der Mechanismus Simulated Annealing ein, um alle Tasks, die bisher noch nicht mit ihrer Ausführung begonnen haben, neu auf Ausführungseinheiten abzubilden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass diese Arbeit neuartige Mechanismen und Algorithmen sowie Erweiterungen zu verschiedenen Forschungsgebieten anbietet, um ein proaktives selbst-organisierendes System zu implementieren, das sich an neue und unbekannte Situationen anpassen kann. Dabei wird die Komplexität für Benutzer und Anwendungsentwickler reduziert, indem die Entscheidungsfindung in das System selbst ausgelagert wird. Gleichzeitig sorgt dieser Ansatz für eine effiziente Nutzung der Ressourcen des Systems. Insgesamt leistet diese Arbeit die folgenden Beiträge zur Erweiterung des Stands der Forschung: • Einführung einer neuartigen heuristischen Metrik zur Messung der Zuverlässigkeit von Verarbeitungseinheiten. Die Metrik basiert auf einer leichtgewichtigen Methode zur Fehlererkennung, genannt symptombasierte Fehlererkennung. Mit der symptombasierten Fehlererkennung ist es möglich, mehrere injizierte Fehlerklassen und Interferenzen, die Soft-Hardware-Fehler simulieren, sowohl auf einer CPU als auch auf einer GPU zuverlässig zu erkennen. Darüber hinaus werden diese Ergebnisse durch Welch\u27s t-Test statistisch bestätigt. • Vorschlag eines Vorhersagemodells für die Ausführungszeit von OpenCL Kerneln, das auf statischer Code-Analyse basiert. Das Modell ist in der Lage, die schnellste Verarbeitungseinheit aus einer Menge von Verarbeitungseinheiten mit einer Genauigkeit von im schlechtesten Fall $69\,\%$ auszuwählen. Zum Vergleich: eine Referenzvariante, welche immer den Prozessor vorhersagt, der die meisten Kernel am schnellsten ausführt, erzielt eine Genauigkeit von $25\,\%$. Im besten Fall erreicht das Modell eine Genauigkeit von bis zu $83\,\%$. • Bereitstellung von zwei Prädiktoren für kommende Tasks/Anwendungen. Der erste Mechanismus betrachtet unabhängige Tasks, die ständig neue Task-Instanzen erstellen, der zweite abhängige Anwendungen, die Ausführungsmuster bilden. Dabei erzielt der erste Mechanismus bei der Vorhersage der Zeitspanne zwischen zwei aufeinanderfolgenden Task-Instanzen einen maximalen\\ $sMAPE$-Wert von $4,33\,\%$ für sporadische und $0,002 \,\%$ für periodische Tasks. Darüber hinaus werden Tasks mit einem aperiodischen Ausführungsschema zuverlässig erkannt. Der zweite Mechanismus erreicht eine Genauigkeit von $77,6 \,\%$ für die Vorhersage der nächsten anstehenden Anwendung und deren Startzeit. • Einführung einer Umsetzung eines hierarchischen Organic Computing Frameworks mit dem Anwendungsgebiet Task-Scheduling. Dieses Framework enthält u.a. ein modifiziertes XCS, für dessen Design und Implementierung ein neuartiger Reward-Mechanismus entwickelt wird. Der Mechanismus bedient sich dabei eines speziell für diesen Zweck entwickelten Simulators zur Berechnung von Task-Ausführungskosten. Das XCS bildet Beschreibungen des Systemzustands auf Gewichte zur Balancierung der Optimierungsziele des Systems ab. Diese Gewichte werden in einer Bewertungsfunktion für List Scheduling-Algorithmen verwendet. Damit wird in einem Evaluationsszenario, welches aus einem fünfmal wiederholten Muster aus Anwendungen besteht, eine Reduzierung der Gesamtlaufzeit um $10,4\,\%$ bzw. $26,7\,s$, des Energieverbrauchs um $4,7\,\%$ bzw. $2061,1\,J$ und der maximalen Temperatur der GPU um $3,6\,\%$ bzw. $2,7 K$ erzielt. Lediglich die maximale Temperatur über alle CPU-Kerne erhöht sich um $6\,\%$ bzw. $2,3\,K$. • Entwicklung von zwei Erweiterungen zur Verbesserung des dynamischen Task-Schedulings für einzelne und mehrere Prozesse, z.B. mehrere Laufzeitsysteminstanzen. Der erste Mechanismus, ein Ageing-Algorithmus, betrachtet nicht sicherheitskritische Systeme, welche Task-Prioritäten verwenden, um die unterschiedliche Bedeutung von Anwendungen darzustellen. Da es in solchen Anwendungsszenarien in Kombination mit hoher Systemauslastung zu Starvation kommen kann, passt der Mechanismus die Task-Prioritäten dynamisch an die aktuelle Auslastung und die Task-Wartezeiten an. Insgesamt erreicht dieser Mechanismus in zwei Bewertungsszenarien eine durchschnittliche Laufzeitverbesserung von $3,75\,\%$ und $3,16\,\%$ bei gleichzeitiger Reduzierung der Durchlaufzeit von Tasks mit niedrigerer Priorität um bis zu $25,67\,\%$. Der zweite Mechanismus ermöglicht die Optimierung von Schedules mehrerer Laufzeitsysteminstanzen, die parallel auf demselben Rechenknoten ausgeführt werden. Dieser Co-Scheduling-Ansatz verwendet Shared Memory zum Austausch von Informationen zwischen den Prozessen und Simulated Annealing zur Berechnung neuer Task-Schedules. In zwei Evaluierungsszenarien erzielt der Mechanismus durchschnittliche Laufzeitverbesserungen von $19,74\,\%$ und $20,91\,\%$ bzw. etwa $2,7\,s$ und $3\,s$

HPCCP/CAS Workshop Proceedings 1998

This publication is a collection of extended abstracts of presentations given at the HPCCP/CAS (High Performance Computing and Communications Program/Computational Aerosciences Project) Workshop held on August 24-26, 1998, at NASA Ames Research Center, Moffett Field, California. The objective of the Workshop was to bring together the aerospace high performance computing community, consisting of airframe and propulsion companies, independent software vendors, university researchers, and government scientists and engineers. The Workshop was sponsored by the HPCCP Office at NASA Ames Research Center. The Workshop consisted of over 40 presentations, including an overview of NASA's High Performance Computing and Communications Program and the Computational Aerosciences Project; ten sessions of papers representative of the high performance computing research conducted within the Program by the aerospace industry, academia, NASA, and other government laboratories; two panel sessions; and a special presentation by Mr. James Bailey

Discovering New Vulnerabilities in Computer Systems

Vulnerability research plays a key role in preventing and defending against malicious computer system exploitations. Driven by a multi-billion dollar underground economy, cyber criminals today tirelessly launch malicious exploitations, threatening every aspect of daily computing. to effectively protect computer systems from devastation, it is imperative to discover and mitigate vulnerabilities before they fall into the offensive parties\u27 hands. This dissertation is dedicated to the research and discovery of new design and deployment vulnerabilities in three very different types of computer systems.;The first vulnerability is found in the automatic malicious binary (malware) detection system. Binary analysis, a central piece of technology for malware detection, are divided into two classes, static analysis and dynamic analysis. State-of-the-art detection systems employ both classes of analyses to complement each other\u27s strengths and weaknesses for improved detection results. However, we found that the commonly seen design patterns may suffer from evasion attacks. We demonstrate attacks on the vulnerabilities by designing and implementing a novel binary obfuscation technique.;The second vulnerability is located in the design of server system power management. Technological advancements have improved server system power efficiency and facilitated energy proportional computing. However, the change of power profile makes the power consumption subjected to unaudited influences of remote parties, leaving the server systems vulnerable to energy-targeted malicious exploit. We demonstrate an energy abusing attack on a standalone open Web server, measure the extent of the damage, and present a preliminary defense strategy.;The third vulnerability is discovered in the application of server virtualization technologies. Server virtualization greatly benefits today\u27s data centers and brings pervasive cloud computing a step closer to the general public. However, the practice of physical co-hosting virtual machines with different security privileges risks introducing covert channels that seriously threaten the information security in the cloud. We study the construction of high-bandwidth covert channels via the memory sub-system, and show a practical exploit of cross-virtual-machine covert channels on virtualized x86 platforms