Cost Effective Routing Implementations for On-chip Networks

Arquitecturas de múltiples núcleos como multiprocesadores (CMP) y soluciones multiprocesador para sistemas dentro del chip (MPSoCs) actuales se basan en la eficacia de las redes dentro del chip (NoC) para la comunicación entre los diversos núcleos. Un diseño eficiente de red dentro del chip debe ser escalable y al mismo tiempo obtener valores ajustados de área, latencia y consumo de energía. Para diseños de red dentro del chip de propósito general se suele usar topologías de malla 2D ya que se ajustan a la distribución del chip. Sin embargo, la aparición de nuevos retos debe ser abordada por los diseñadores. Una mayor probabilidad de defectos de fabricación, la necesidad de un uso optimizado de los recursos para aumentar el paralelismo a nivel de aplicación o la necesidad de técnicas eficaces de ahorro de energía, puede ocasionar patrones de irregularidad en las topologías. Además, el soporte para comunicación colectiva es una característica buscada para abordar con eficacia las necesidades de comunicación de los protocolos de coherencia de caché. En estas condiciones, un encaminamiento eficiente de los mensajes se convierte en un reto a superar. El objetivo de esta tesis es establecer las bases de una nueva arquitectura para encaminamiento distribuido basado en lógica que es capaz de adaptarse a cualquier topología irregular derivada de una estructura de malla 2D, proporcionando así una cobertura total para cualquier caso resultado de soportar los retos mencionados anteriormente. Para conseguirlo, en primer lugar, se parte desde una base, para luego analizar una evolución de varios mecanismos, y finalmente llegar a una implementación, que abarca varios módulos para alcanzar el objetivo mencionado anteriormente. De hecho, esta última implementación tiene por nombre eLBDR (effective Logic-Based Distributed Routing). Este trabajo cubre desde el primer mecanismo, LBDR, hasta el resto de mecanismos que han surgido progresivamente.Rodrigo Mocholí, S. (2010). Cost Effective Routing Implementations for On-chip Networks [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/8962Palanci

High Performance and Power Efficient On-Chip Network Designs through Multiple Injection Ports

Las redes dentro de un chip se están convirtiendo en el elemento principal de los sistemas multiprocesador. A medida que aumenta la escala de integración, más elementos de cómputo (procesadores) se incluyen en el mismo chip. Estos componentes se interconectan con una red dentro del chip que debe ofrecer latencias de transmisión ultra bajas (orden de nanosegundos) y anchos de banda elevados. El diseño, pues, de una red eficiente dentro del chip juega un papel fundamental. En la presente tesis se analizan diferentes alternativas de diseño de las redes en el chip. En particular, se hace uso de la posibilidad de utilizar diferentes puertos de inyección desde los procesadores con el fin de obtener diferentes mejoras. En primer lugar, las prestaciones aumentan al tener procesadores con distintas alternativas de inyección de tráfico. En segundo lugar, además aumenta la tolerancia a fallos frente a defectos de fabricación (mas importantes conforme avanza la tecnología). Y en tercer lugar, permite una política de apagado de componentes más agresiva que nos permita un ahorro significativo de energía. Hemos evaluado diferentes topologías derivadas del mecanismo de inyección en términos de prestaciones, coste de implementación, y ahorro de consumo. Además, hemos desarrollado simuladores específicos para las distintas técnicas utilizadas. Cada topología diseñada supone una mejora respecto a la anterior, y por supuesto, teniendo en cuenta las topologías existentes. En resumen, nuestro esfuerzo se centra en conseguir un excelente compromiso entre prestaciones, consumo y tolerancia a fallos dentro de una red en chip. Para la primera propuesta (topología NR-Mesh), se alcanzan mejoras en prestaciones de un 7\% y hasta de un 75\% en reducción de consumo de media, comparado con la malla 2D o malla de 2 dimensiones. Para la siguiente propuesta, la malla concentrada paralela (PC-Mesh), el beneficio en prestaciones que se obtiene es de hasta un 20\%, así cómo de un 60\% en reducción deCamacho Villanueva, J. (2012). High Performance and Power Efficient On-Chip Network Designs through Multiple Injection Ports [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/18235Palanci

Floorplan-Aware High Performance NoC Design

Las actuales arquitecturas de m�ltiples n�cleos como los chip multiprocesadores (CMP) y soluciones multiprocesador para sistemas dentro del chip (MPSoCs) han adoptado a las redes dentro del chip (NoC) como elemento -ptimo para la inter-conexi-n de los diversos elementos de dichos sistemas. En este sentido, fabricantes de CMPs y MPSoCs han adoptado NoCs sencillas, generalmente con una topolog'a en malla o anillo, ya que son suficientes para satisfacer las necesidades de los sistemas actuales. Sin embargo a medida que los requerimientos del sistema -- baja latencia y alto rendimiento -- se hacen m�s exigentes, estas redes tan simples dejan de ser una soluci-n real. As', la comunidad investigadora ha propuesto y analizado NoCs m�s complejas. No obstante, estas soluciones son m�s dif'ciles de implementar -- especialmente los enlaces largos -- haciendo que este tipo de topolog'as complejas sean demasiado costosas o incluso inviables. En esta tesis, presentamos una metodolog'a de dise-o que minimiza la p�rdida de prestaciones de la red debido a su implementaci-n real. Los principales problemas que se encuentran al implementar una NoC son los conmutadores y los enlaces largos. En esta tesis, el conmutador se ha hecho modular, es decir, formado como uni-n de m-dulos m�s peque-os. En nuestro caso, los m-dulos son id�nticos, donde cada m-dulo es capaz de arbitrar, conmutar, y almacenar los mensajes que le llegan. Posteriormente, flexibilizamos la colocaci-n de estos m-dulos en el chip, permitiendo que m-dulos de un mismo conmutador est�n distribuidos por el chip. Esta metodolog'a de dise-o la hemos aplicado a diferentes escenarios. Primeramente, hemos introducido nuestro conmutador modular en NoCs con topolog'as conocidas como la malla 2D. Los resultados muestran como la modularidad y la distribuci-n del conmutador reducen la latencia y el consumo de potencia de la red. En segundo lugar, hemos utilizado nuestra metodolog'a de dise-o para implementar un crossbar distribuidRoca Pérez, A. (2012). Floorplan-Aware High Performance NoC Design [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/17844Palanci

Conflict-Free Networks on Chip for Real Time Systems

[ES] La constante necesidad de un mayor rendimiento para cumplir con la gran demanda de potencia de cómputo de las nuevas aplicaciones, (ej. sistemas de conducción autónoma), obliga a la industria a apostar por la tecnología basada en Sistemas en Chip con Procesadores Multinúcleo (MPSoCs) en sus sistemas embebidos de seguridad-crítica. Los sistemas MPSoCs generalmente incluyen una red en el chip (NoC) para interconectar los núcleos de procesamiento entre ellos, con la memoria y con el resto de recursos compartidos. Desafortunadamente, el uso de las NoCs dificulta alcanzar la predecibilidad en el tiempo, ya que pueden aparecer conflictos en muchos puntos y de forma distribuida a nivel de red. Para afrontar este problema, en esta tesis se propone un nuevo paradigma de diseño para NoCs de tiempo real donde los conflictos en la red son eliminados por diseño. Este nuevo paradigma parte del Grafo de Dependencia de Canales (CDG) para evitar los conflictos de red de forma determinista. Nuestra solución es capaz de inyectar mensajes de forma natural usando un periodo TDM igual al límite teórico óptimo sin la necesidad de usar un proceso offline exigente computacionalmente. La red se ha integrado en un sistema multinúcleo basado en tiles y adaptado a su jerarquía de memoria. Como segunda contribución principal, proponemos un nuevo planificador dinámico y distribuido capaz de alcanzar un rendimiento pico muy cercanos a las NoC basadas en un diseño wormhole sin comprometer sus garantías de tiempo real. El planificador se basa en nuestro diseño de red para explotar sus propiedades clave. Los resultados de nuestra NoC muestran que nuestro diseño garantiza la predecibilidad en el tiempo evitando interferencias en la red entre múltiples aplicaciones ejecutándose concurrentemente. La red siempre garantiza el rendimiento y también mejora el rendimiento respecto al de las redes wormhole en una red 4 x 4 en un factor de 3,7x cuando se inyecta trafico para generar interferencias. En una red 8 x 8 las diferencias son incluso mayores. Además, la red obtiene un ahorro de área total del 10,79% frente a una implementación básica de una red wormhole. El planificador propuesto alcanza una mejora de rendimiento de 6,9x y 14,4x frente la versión básica de la red DCFNoC para redes en forma de malla de 16 y 64 nodos, respectivamente. Cuando lo comparamos frente a un conmutador estándar wormhole se preserva un rendimiento de red del 95% al mismo tiempo que preserva la estricta predecibilidad en el tiempo. Este logro abre la puerta a nuevos diseños de NoCs de alto rendimiento con predecibilidad en el tiempo. Como contribución final, construimos una taxonomía de NoCs basadas en TDM con propiedades de tiempo real. Con esta taxonomía realizamos un análisis exhaustivo para estudiar y comparar desde tiempos de respuesta, a implementaciones con bajo coste, pasando por soluciones de compromiso para diseños de NoCs de tiempo real. Como resultado, obtenemos nuevos diseños de NoCs basadas en TDM.[CA] La constant necessitat d'un major rendiment per a complir amb la gran demanda de potència de còmput de les noves aplicacions, (ex. sistemes de conducció autònoma), obliga la indústria a apostar per la tecnologia basada en Sistemes en Xip amb Processadors Multinucli (MPSoCs) en els seus sistemes embeguts de seguretat-crítica. Els sistemes MPSoCs generalment inclouen una xarxa en el xip (NoC) per a interconnectar els nuclis de processament entre ells, amb la memòria i amb la resta de recursos compartits. Desafortunadament, l'ús de les NoCs dificulta aconseguir la predictibilitat en el temps, ja que poden aparéixer conflictes en molts punts i de forma distribuïda a nivell de xarxa. Per a afrontar aquest problema, en aquesta tesi es proposa un nou paradigma de disseny per a NoCs de temps real on els conflictes en la xarxa són eliminats per disseny. Aquest nou paradigma parteix del Graf de Dependència de Canals (CDG) per a evitar els conflictes de xarxa de manera determinista. La nostra solució és capaç d'injectar missatges de mra natural fent ús d'un període TDM igual al límit teòric òptim sense la necessitat de fer ús d'un procés offline exigent computacionalment. La xarxa s'ha integrat en un sistema multinucli basat en tiles i adaptat a la seua jerarquia de memòria. Com a segona contribució principal, proposem un nou planificador dinàmic i distribuït capaç d'aconseguir un rendiment pic molt pròxims a les NoC basades en un disseny wormhole sense comprometre les seues garanties de temps real. El planificador es basa en el nostre disseny de xarxa per a explotar les seues propietats clau. Els resultats de la nostra NoC mostren que el nostre disseny garanteix la predictibilitat en el temps evitant interferències en la xarxa entre múltiples aplicacions executant-se concurrentment. La xarxa sempre garanteix el rendiment i també millora el rendiment respecte al de les xarxes wormhole en una xarxa 4 x 4 en un factor de 3,7x quan s'injecta trafic per a generar interferències. En una xarxa 8 x 8 les diferències són fins i tot majors. A més, la xarxa obté un estalvi d'àrea total del 10,79% front una implementació bàsica d'una xarxa wormhole. El planificador proposat aconsegueix una millora de rendiment de 6,9x i 14,4x front la versió bàsica de la xarxa DCFNoC per a xarxes en forma de malla de 16 i 64 nodes, respectivament. Quan ho comparem amb un commutador estàndard wormhole es preserva un rendiment de xarxa del 95% al mateix temps que preserva la estricta predictibilitat en el temps. Aquest assoliment obri la porta a nous dissenys de NoCs d'alt rendiment amb predictibilitat en el temps. Com a contribució final, construïm una taxonomia de NoCs basades en TDM amb propietats de temps real. Amb aquesta taxonomia realitzem una anàlisi exhaustiu per a estudiar i comparar des de temps de resposta, a implementacions amb baix cost, passant per solucions de compromís per a dissenys de NoCs de temps real. Com a resultat, obtenim nous dissenys de NoCs basades en TDM.[EN] The ever need for higher performance to cope with the high computational power demands of new applications (e.g autonomous driving systems), forces industry to support technology based on multi-processors system on chip (MPSoCs) in their safety-critical embedded systems. MPSoCs usually include a network-on-chip (NoC) to interconnect the cores between them and, with memory and the rest of shared resources. Unfortunately, the inclusion of NoCs difficults achieving time predictability as network-level conflicts may occur in many points in a distributed manner. To overcome this problem, this thesis proposes a new time-predictable NoC design paradigm where conflicts within the network are eliminated by design. This new paradigm builds on top of the Channel Dependency Graph (CDG) in order to deterministically avoid network conflicts. Our solution is able to naturally inject messages using a TDM period equal to the optimal theoretical bound without the need of using a computationally demanding offline process. The network is integrated in a tile-based manycore system and adapted to its memory hierarchy. As a second main contribution, we propose a novel distributed dynamic scheduler that is able to achieve peak performance close to a wormhole-based NoC design without compromising its real-time guarantees. The scheduler builds on top of our NoC design to exploit its key properties. The results of our NoC show that our design guarantees time predictability avoiding network interference among multiple running applications. The network always guarantees performance and also improves wormhole performance in a 4 x 4 setting by a factor of 3.7x when interference traffic is injected. For a 8 x 8 network differences are even larger. In addition, the network obtains a total area saving of 10.79% over a standard wormhole implementation. The proposed scheduler achieves an overall throughput improvement of 6.9x and 14.4x over a baseline conflict-free NoC for 16 and 64-node meshes, respectively. When compared against a standard wormhole router 95% of its network throughput is preserved while strict timing predictability is kept. This achievement opens the door to new high performance time predictable NoC designs. As a final contribution, we build a taxonomy of TDM-based NoCs with real-time properties. With this taxonomy we perform a comprehensive analysis to study and compare from response time specific, to low resource implementation cost, through trade-off solutions for real-time NoCs designs. As a result, we derive new TDM-based NoC designs.Picornell Sanjuan, T. (2021). Conflict-Free Networks on Chip for Real Time Systems [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/177347TESI

Efficient bypass mechanisms for low latency networks on-chip

RESUMEN: La importancia de las redes en-chip en los procesadores multi-núcleo es cada vez mayor. Los routers con baipás son una solución eficiente para reducir la latencia de estas redes. Existen dos tipos de redes con baipás: single-hop y multi-hop. Las redes con baipás single-hop minimizan la latencia individual de cada router al asignar los recursos del router con antelación a la recepción de los paquetes. Las redes con baipás multi-hop, conocidas como SMART, permiten que los paquetes atraviesen múltiples routers en un único ciclo. La primera propuesta de esta tesis es Non-Empty Buffer Bypass (NEBB), un mecanismo que incrementa la utilización del baipás de tipo single-hop, eliminando la necesidad de usar canales virtuales. Para redes con baipás multi-hop propone SMART++ y S-SMART++. SMART++ elimina la necesidad de SMART de usar una gran cantidad de canales virtuales para aprovechar el ancho de banda de la red, permitiendo el diseño de configuraciones de bajo coste. S-SMART++ hace uso de la asignación de recursos de forma especulativa para preparar el baipás de tipo multi-hop. Este mecanismo reduce la latencia y su dependencia con la longitud máxima de los saltos de tipo multi-hop, aspecto clave para su viabilidad en diseños reales. La contribución final es un conjunto de herramientas de código abierto llamada Bypass Simulation Toolset (BST) compuesto por versiones extendidas de BookSim y OpenSMART, una API para integrar BookSim en otros simuladores y una serie de scripts para facilitar el diseño y evaluación de este tipo de redes.ABSTRACT: Networks on-Chip (NoCs) are becoming more important in many-core processors as the number of cores grows. Bypass routers are an efficient solution that skips pipeline stages. There are two types of bypass mechanisms: single-hop and multi-hop bypass. Single-hop bypass minimizes the router delay by skipping allocation stages in each hop. Multi-hop bypass, called SMART, minimizes the effective number of hops by traversing multiple routers in a single cycle. The first proposal of this dissertation is Non-Empty Buffer Bypass (NEBB) for single-hop bypass, which increases the bypass utilization without requiring VCs to match traditional bypass routers. It proposes SMART++ and S-SMART++ for multi-hop bypass. SMART++ removes the requirement of using multiple VCs of SMART to exploit the bandwidth of the network, enabling low-cost configurations. S-SMART++ relies on speculative allocation to set up multi-hop bypass paths. Thus, it reduces latency and its dependency with the maximum length of multi-hops, relaxing the requirements to integrate multi-hop bypass in real designs. The final contribution is an open-source set of tools to simulate bypass NoCs called Bypass Simulation Toolset (BST) conformed by extended versions of BookSim and OpenSMART, an API to integrate BookSim in other simulators, and scripts to simplify the designing and evaluation of such NoCs.This work was supported by the Spanish Ministry of Science, Innovation and Universities, FPI grant BES-2017-079971, and contracts TIN2010-21291-C02-02, TIN2013- 46957-C2-2-P, TIN2015-65316-P, TIN2016-76635-C2-2-R (AEI/FEDER, UE) and TIC PID2019-105660RB-C22; the European HiPEAC Network of Excellence; the European Community's Seventh Framework Programme (FP7/2007-2013), under the Mont-Blanc 1 and 2 projects (grant agreements n 288777 and 610402); the European Union's Horizon 2020 research and innovation programme under the Mont-Blanc 3 project (grant agreement nº 671697). Bluespec Inc. provided access to Bluespec tools

Mapping applications onto FPGA-centric clusters

High Performance Computing (HPC) is becoming increasingly important throughout science and engineering as ever more complex problems must be solved through computational simulations. In these large computational applications, the latency of communication between processing nodes is often the key factor that limits performance. An emerging alternative computer architecture that addresses the latency problem is the FPGA-centric cluster (FCC); in these systems, the devices (FPGAs) are directly interconnected and thus many layers of hardware and software are avoided. The result can be scalability not currently achievable with other technologies. In FCCs, FPGAs serve multiple functions: accelerator, network interface card (NIC), and router. Moreover, because FPGAs are configurable, there is substantial opportunity to tailor the router hardware to the application; previous work has demonstrated that such application-aware configuration can effect a substantial improvement in hardware efficiency. One constraint of FCCs is that it is convenient for their interconnect to be static, direct, and have a two or three dimensional mesh topology. Thus, applications that are naturally of a different dimensionality (have a different logical topology) from that of the FCC must be remapped to obtain optimal performance. In this thesis we study various aspects of the mapping problem for FCCs. There are two major research thrusts. The first is finding the optimal mapping of logical to physical topology. This problem has received substantial attention by both the theory community, where topology mapping is referred to as graph embedding, and by the High Performance Computing (HPC) community, where it is a question of process placement. We explore the implications of the different mapping strategies on communication behavior in FCCs, especially on resulting load imbalance. The second major research thrust is built around the hypothesis that applications that need to be remapped (due to differing logical and physical topologies) will have different optimal router configurations from those applications that do not. For example, due to remapping, some virtual or physical communication links may have little occupancy; therefore fewer resources should be allocated to them. Critical here is the creation of a new set of parameterized hardware features that can be configured to best handle load imbalances caused by remapping. These two thrusts form a codesign loop: certain mapping algorithms may be differentially optimal due to application-aware router reconfiguration that accounts for this mapping. This thesis has four parts. The first part introduces the background and previous work related to communication in general and, in particular, how it is implemented in FCCs. We build on previous work on application-aware router configuration. The second part introduces topology mapping mechanisms including those derived from graph embeddings and a greedy algorithm commonly used in HPC. In the third part, topology mappings are evaluated for performance and imbalance; we note that different mapping strategies lead to different imbalances both in the overall network and in each node. The final part introduces reconfigure router design that allocates resources based on different imbalance situations caused by different mapping behaviors

Driving the Network-on-Chip Revolution to Remove the Interconnect Bottleneck in Nanoscale Multi-Processor Systems-on-Chip

The sustained demand for faster, more powerful chips has been met by the availability of chip manufacturing processes allowing for the integration of increasing numbers of computation units onto a single die. The resulting outcome, especially in the embedded domain, has often been called SYSTEM-ON-CHIP (SoC) or MULTI-PROCESSOR SYSTEM-ON-CHIP (MP-SoC). MPSoC design brings to the foreground a large number of challenges, one of the most prominent of which is the design of the chip interconnection. With a number of on-chip blocks presently ranging in the tens, and quickly approaching the hundreds, the novel issue of how to best provide on-chip communication resources is clearly felt. NETWORKS-ON-CHIPS (NoCs) are the most comprehensive and scalable answer to this design concern. By bringing large-scale networking concepts to the on-chip domain, they guarantee a structured answer to present and future communication requirements. The point-to-point connection and packet switching paradigms they involve are also of great help in minimizing wiring overhead and physical routing issues. However, as with any technology of recent inception, NoC design is still an evolving discipline. Several main areas of interest require deep investigation for NoCs to become viable solutions: • The design of the NoC architecture needs to strike the best tradeoff among performance, features and the tight area and power constraints of the onchip domain. • Simulation and verification infrastructure must be put in place to explore, validate and optimize the NoC performance. • NoCs offer a huge design space, thanks to their extreme customizability in terms of topology and architectural parameters. Design tools are needed to prune this space and pick the best solutions. • Even more so given their global, distributed nature, it is essential to evaluate the physical implementation of NoCs to evaluate their suitability for next-generation designs and their area and power costs. This dissertation performs a design space exploration of network-on-chip architectures, in order to point-out the trade-offs associated with the design of each individual network building blocks and with the design of network topology overall. The design space exploration is preceded by a comparative analysis of state-of-the-art interconnect fabrics with themselves and with early networkon- chip prototypes. The ultimate objective is to point out the key advantages that NoC realizations provide with respect to state-of-the-art communication infrastructures and to point out the challenges that lie ahead in order to make this new interconnect technology come true. Among these latter, technologyrelated challenges are emerging that call for dedicated design techniques at all levels of the design hierarchy. In particular, leakage power dissipation, containment of process variations and of their effects. The achievement of the above objectives was enabled by means of a NoC simulation environment for cycleaccurate modelling and simulation and by means of a back-end facility for the study of NoC physical implementation effects. Overall, all the results provided by this work have been validated on actual silicon layout

LBDR: An efficient unicast routing support for CMPs

LBDR is a routing distributed layer based on minimum logic that removes the need for routing tables at switches on network-on-chips (NoCs) in CMPs and enables the implementation of many routing algorithms on most of regular and irregular toplogies we may find in the near future in a multi-core system.Rodrigo Mocholí, S. (2008). LBDR: An efficient unicast routing support for CMPs. http://hdl.handle.net/10251/13476Archivo delegad

Heracles: A Tool for Fast RTL-Based Design Space Exploration of Multicore Processors

This paper presents Heracles, an open-source, functional, parameterized, synthesizable multicore system toolkit. Such a multi/many-core design platform is a powerful and versatile research and teaching tool for architectural exploration and hardware-software co-design. The Heracles toolkit comprises the soft hardware (HDL) modules, application compiler, and graphical user interface. It is designed with a high degree of modularity to support fast exploration of future multicore processors of di erent topologies, routing schemes, processing elements (cores), and memory system organizations. It is a component-based framework with parameterized interfaces and strong emphasis on module reusability. The compiler toolchain is used to map C or C++ based applications onto the processing units. The GUI allows the user to quickly con gure and launch a system instance for easy factorial development and evaluation. Hardware modules are implemented in synthesizable Verilog and are FPGA platform independent. The Heracles tool is freely available under the open-source MIT license at: http://projects.csail.mit.edu/heracle