Task Activity Vectors: A Novel Metric for Temperature-Aware and Energy-Efficient Scheduling

This thesis introduces the abstraction of the task activity vector to characterize applications by the processor resources they utilize. Based on activity vectors, the thesis introduces scheduling policies for improving the temperature distribution on the processor chip and for increasing energy efficiency by reducing the contention for shared resources of multicore and multithreaded processors

Modeling and analysis of power processing systems: Feasibility investigation and formulation of a methodology

A review is given of future power processing systems planned for the next 20 years, and the state-of-the-art of power processing design modeling and analysis techniques used to optimize power processing systems. A methodology of modeling and analysis of power processing equipment and systems has been formulated to fulfill future tradeoff studies and optimization requirements. Computer techniques were applied to simulate power processor performance and to optimize the design of power processing equipment. A program plan to systematically develop and apply the tools for power processing systems modeling and analysis is presented so that meaningful results can be obtained each year to aid the power processing system engineer and power processing equipment circuit designers in their conceptual and detail design and analysis tasks

Design for Reliability and Low Power in Emerging Technologies

Die fortlaufende Verkleinerung von Transistor-Strukturgrößen ist einer der wichtigsten Antreiber für das Wachstum in der Halbleitertechnologiebranche. Seit Jahrzehnten erhöhen sich sowohl Integrationsdichte als auch Komplexität von Schaltkreisen und zeigen damit einen fortlaufenden Trend, der sich über alle modernen Fertigungsgrößen erstreckt. Bislang ging das Verkleinern von Transistoren mit einer Verringerung der Versorgungsspannung einher, was zu einer Reduktion der Leistungsaufnahme führte und damit eine gleichbleibenden Leistungsdichte sicherstellte. Doch mit dem Beginn von Strukturgrößen im Nanometerbreich verlangsamte sich die fortlaufende Skalierung. Viele Schwierigkeiten, sowie das Erreichen von physikalischen Grenzen in der Fertigung und Nicht-Idealitäten beim Skalieren der Versorgungsspannung, führten zu einer Zunahme der Leistungsdichte und, damit einhergehend, zu erschwerten Problemen bei der Sicherstellung der Zuverlässigkeit. Dazu zählen, unter anderem, Alterungseffekte in Transistoren sowie übermäßige Hitzeentwicklung, nicht zuletzt durch stärkeres Auftreten von Selbsterhitzungseffekten innerhalb der Transistoren. Damit solche Probleme die Zuverlässigkeit eines Schaltkreises nicht gefährden, werden die internen Signallaufzeiten üblicherweise sehr pessimistisch kalkuliert. Durch den so entstandenen zeitlichen Sicherheitsabstand wird die korrekte Funktionalität des Schaltkreises sichergestellt, allerdings auf Kosten der Performance. Alternativ kann die Zuverlässigkeit des Schaltkreises auch durch andere Techniken erhöht werden, wie zum Beispiel durch Null-Temperatur-Koeffizienten oder Approximate Computing. Wenngleich diese Techniken einen Großteil des üblichen zeitlichen Sicherheitsabstandes einsparen können, bergen sie dennoch weitere Konsequenzen und Kompromisse. Bleibende Herausforderungen bei der Skalierung von CMOS Technologien führen außerdem zu einem verstärkten Fokus auf vielversprechende Zukunftstechnologien. Ein Beispiel dafür ist der Negative Capacitance Field-Effect Transistor (NCFET), der eine beachtenswerte Leistungssteigerung gegenüber herkömmlichen FinFET Transistoren aufweist und diese in Zukunft ersetzen könnte. Des Weiteren setzen Entwickler von Schaltkreisen vermehrt auf komplexe, parallele Strukturen statt auf höhere Taktfrequenzen. Diese komplexen Modelle benötigen moderne Power-Management Techniken in allen Aspekten des Designs. Mit dem Auftreten von neuartigen Transistortechnologien (wie zum Beispiel NCFET) müssen diese Power-Management Techniken neu bewertet werden, da sich Abhängigkeiten und Verhältnismäßigkeiten ändern. Diese Arbeit präsentiert neue Herangehensweisen, sowohl zur Analyse als auch zur Modellierung der Zuverlässigkeit von Schaltkreisen, um zuvor genannte Herausforderungen auf mehreren Designebenen anzugehen. Diese Herangehensweisen unterteilen sich in konventionelle Techniken ((a), (b), (c) und (d)) und unkonventionelle Techniken ((e) und (f)), wie folgt: $\textbf{(a)}$ Analyse von Leistungszunahmen in Zusammenhang mit der Maximierung von Leistungseffizienz beim Betrieb nahe der Transistor Schwellspannung, insbesondere am optimalen Leistungspunkt. Das genaue Ermitteln eines solchen optimalen Leistungspunkts ist eine besondere Herausforderung bei Multicore Designs, da dieser sich mit den jeweiligen Optimierungszielsetzungen und der Arbeitsbelastung verschiebt. $\textbf{(b)}$ Aufzeigen versteckter Interdependenzen zwischen Alterungseffekten bei Transistoren und Schwankungen in der Versorgungsspannung durch „IR-drops“. Eine neuartige Technik wird vorgestellt, die sowohl Über- als auch Unterschätzungen bei der Ermittlung des zeitlichen Sicherheitsabstands vermeidet und folglich den kleinsten, dennoch ausreichenden Sicherheitsabstand ermittelt. $\textbf{(c)}$ Eindämmung von Alterungseffekten bei Transistoren durch „Graceful Approximation“, eine Technik zur Erhöhung der Taktfrequenz bei Bedarf. Der durch Alterungseffekte bedingte zeitlich Sicherheitsabstand wird durch Approximate Computing Techniken ersetzt. Des Weiteren wird Quantisierung verwendet um ausreichend Genauigkeit bei den Berechnungen zu gewährleisten. $\textbf{(d)}$ Eindämmung von temperaturabhängigen Verschlechterungen der Signallaufzeit durch den Betrieb nahe des Null-Temperatur Koeffizienten (N-ZTC). Der Betrieb bei N-ZTC minimiert temperaturbedingte Abweichungen der Performance und der Leistungsaufnahme. Qualitative und quantitative Vergleiche gegenüber dem traditionellen zeitlichen Sicherheitsabstand werden präsentiert. $\textbf{(e)}$ Modellierung von Power-Management Techniken für NCFET-basierte Prozessoren. Die NCFET Technologie hat einzigartige Eigenschaften, durch die herkömmliche Verfahren zur Spannungs- und Frequenzskalierungen zur Laufzeit (DVS/DVFS) suboptimale Ergebnisse erzielen. Dies erfordert NCFET-spezifische Power-Management Techniken, die in dieser Arbeit vorgestellt werden. $\textbf{(f)}$ Vorstellung eines neuartigen heterogenen Multicore Designs in NCFET Technologie. Das Design beinhaltet identische Kerne; Heterogenität entsteht durch die Anwendung der individuellen, optimalen Konfiguration der Kerne. Amdahls Gesetz wird erweitert, um neue system- und anwendungsspezifische Parameter abzudecken und die Vorzüge des neuen Designs aufzuzeigen. Die Auswertungen der vorgestellten Techniken werden mithilfe von Implementierungen und Simulationen auf Schaltkreisebene (gate-level) durchgeführt. Des Weiteren werden Simulatoren auf Systemebene (system-level) verwendet, um Multicore Designs zu implementieren und zu simulieren. Zur Validierung und Bewertung der Effektivität gegenüber dem Stand der Technik werden analytische, gate-level und system-level Simulationen herangezogen, die sowohl synthetische als auch reale Anwendungen betrachten

Adaptive Knobs for Resource Efficient Computing

Performance demands of emerging domains such as artificial intelligence, machine learning and vision, Internet-of-things etc., continue to grow. Meeting such requirements on modern multi/many core systems with higher power densities, fixed power and energy budgets, and thermal constraints exacerbates the run-time management challenge. This leaves an open problem on extracting the required performance within the power and energy limits, while also ensuring thermal safety. Existing architectural solutions including asymmetric and heterogeneous cores and custom acceleration improve performance-per-watt in specific design time and static scenarios. However, satisfying applications’ performance requirements under dynamic and unknown workload scenarios subject to varying system dynamics of power, temperature and energy requires intelligent run-time management. Adaptive strategies are necessary for maximizing resource efficiency, considering i) diverse requirements and characteristics of concurrent applications, ii) dynamic workload variation, iii) core-level heterogeneity and iv) power, thermal and energy constraints. This dissertation proposes such adaptive techniques for efficient run-time resource management to maximize performance within fixed budgets under unknown and dynamic workload scenarios. Resource management strategies proposed in this dissertation comprehensively consider application and workload characteristics and variable effect of power actuation on performance for pro-active and appropriate allocation decisions. Specific contributions include i) run-time mapping approach to improve power budgets for higher throughput, ii) thermal aware performance boosting for efficient utilization of power budget and higher performance, iii) approximation as a run-time knob exploiting accuracy performance trade-offs for maximizing performance under power caps at minimal loss of accuracy and iv) co-ordinated approximation for heterogeneous systems through joint actuation of dynamic approximation and power knobs for performance guarantees with minimal power consumption. The approaches presented in this dissertation focus on adapting existing mapping techniques, performance boosting strategies, software and dynamic approximations to meet the performance requirements, simultaneously considering system constraints. The proposed strategies are compared against relevant state-of-the-art run-time management frameworks to qualitatively evaluate their efficacy

Energy Aware Resource Allocation for Clouds Using Two Level Ant Colony Optimization

In cloud environment resources are dynamically allocated, adjusted, and deallocated. When to allocate and how many resources to allocate is a challenging task. Resources allocated optimally and at the right time not only improve the utilization of resources but also increase energy efficiency, provider's profit and customers' satisfaction. This paper presents ant colony optimization (ACO) based energy aware solution for resource allocation problem. The proposed energy aware resource allocation (EARA) methodology strives to optimize allocation of resources in order to improve energy efficiency of the cloud infrastructure while satisfying quality of service (QoS) requirements of the end users. Resources are allocated to jobs according to their QoS requirements. For energy efficient and QoS aware allocation of resources, EARA uses ACO at two levels. First level ACO allocates Virtual Machines (VMs) resources to jobs whereas second level ACO allocates Physical Machines (PMs) resources to VMs. Server consolidation and dynamic performance scaling of PMs are employed to conserve energy. The proposed methodology is implemented in CloudSim and the results are compared with existing popular resource allocation methods. Simulation results demonstrate that EARA achieves desired QoS and superior energy gains through better utilization of resources. EARA outperforms major existing resource allocation methods and achieves up to 10.56 % saving in energy consumption

The Thermal-Constrained Real-Time Systems Design on Multi-Core Platforms -- An Analytical Approach

Over the past decades, the shrinking transistor size enabled more transistors to be integrated into an IC chip, to achieve higher and higher computing performances. However, the semiconductor industry is now reaching a saturation point of Moore’s Law largely due to soaring power consumption and heat dissipation, among other factors. High chip temperature not only significantly increases packing/cooling cost, degrades system performance and reliability, but also increases the energy consumption and even damages the chip permanently. Although designing 2D and even 3D multi-core processors helps to lower the power/thermal barrier for single-core architectures by exploring the thread/process level parallelism, the higher power density and longer heat removal path has made the thermal problem substantially more challenging, surpassing the heat dissipation capability of traditional cooling mechanisms such as cooling fan, heat sink, heat spread, etc., in the design of new generations of computing systems. As a result, dynamic thermal management (DTM), i.e. to control the thermal behavior by dynamically varying computing performance and workload allocation on an IC chip, has been well-recognized as an effective strategy to deal with the thermal challenges. Over the past decades, the shrinking transistor size, benefited from the advancement of IC technology, enabled more transistors to be integrated into an IC chip, to achieve higher and higher computing performances. However, the semiconductor industry is now reaching a saturation point of Moore’s Law largely due to soaring power consumption and heat dissipation, among other factors. High chip temperature not only significantly increases packing/cooling cost, degrades system performance and reliability, but also increases the energy consumption and even damages the chip permanently. Although designing 2D and even 3D multi-core processors helps to lower the power/thermal barrier for single-core architectures by exploring the thread/process level parallelism, the higher power density and longer heat removal path has made the thermal problem substantially more challenging, surpassing the heat dissipation capability of traditional cooling mechanisms such as cooling fan, heat sink, heat spread, etc., in the design of new generations of computing systems. As a result, dynamic thermal management (DTM), i.e. to control the thermal behavior by dynamically varying computing performance and workload allocation on an IC chip, has been well-recognized as an effective strategy to deal with the thermal challenges. Different from many existing DTM heuristics that are based on simple intuitions, we seek to address the thermal problems through a rigorous analytical approach, to achieve the high predictability requirement in real-time system design. In this regard, we have made a number of important contributions. First, we develop a series of lemmas and theorems that are general enough to uncover the fundamental principles and characteristics with regard to the thermal model, peak temperature identification and peak temperature reduction, which are key to thermal-constrained real-time computer system design. Second, we develop a design-time frequency and voltage oscillating approach on multi-core platforms, which can greatly enhance the system throughput and its service capacity. Third, different from the traditional workload balancing approach, we develop a thermal-balancing approach that can substantially improve the energy efficiency and task partitioning feasibility, especially when the system utilization is high or with a tight temperature constraint. The significance of our research is that, not only can our proposed algorithms on throughput maximization and energy conservation outperform existing work significantly as demonstrated in our extensive experimental results, the theoretical results in our research are very general and can greatly benefit other thermal-related research