Doctor of Philosophy

dissertationThe embedded system space is characterized by a rapid evolution in the complexity and functionality of applications. In addition, the short time-to-market nature of the business motivates the use of programmable devices capable of meeting the conflicting constraints of low-energy, high-performance, and short design times. The keys to achieving these conflicting constraints are specialization and maximally extracting available application parallelism. General purpose processors are flexible but are either too power hungry or lack the necessary performance. Application-specific integrated circuits (ASICS) efficiently meet the performance and power needs but are inflexible. Programmable domain-specific architectures (DSAs) are an attractive middle ground, but their design requires significant time, resources, and expertise in a variety of specialties, which range from application algorithms to architecture and ultimately, circuit design. This dissertation presents CoGenE, a design framework that automates the design of energy-performance-optimal DSAs for embedded systems. For a given application domain and a user-chosen initial architectural specification, CoGenE consists of a a Compiler to generate execution binary, a simulator Generator to collect performance/energy statistics, and an Explorer that modifies the current architecture to improve energy-performance-area characteristics. The above process repeats automatically until the user-specified constraints are achieved. This removes or alleviates the time needed to understand the application, manually design the DSA, and generate object code for the DSA. Thus, CoGenE is a new design methodology that represents a significant improvement in performance, energy dissipation, design time, and resources. This dissertation employs the face recognition domain to showcase a flexible architectural design methodology that creates "ASIC-like" DSAs. The DSAs are instruction set architecture (ISA)-independent and achieve good energy-performance characteristics by coscheduling the often conflicting constraints of data access, data movement, and computation through a flexible interconnect. This represents a significant increase in programming complexity and code generation time. To address this problem, the CoGenE compiler employs integer linear programming (ILP)-based 'interconnect-aware' scheduling techniques for automatic code generation. The CoGenE explorer employs an iterative technique to search the complete design space and select a set of energy-performance-optimal candidates. When compared to manual designs, results demonstrate that CoGenE produces superior designs for three application domains: face recognition, speech recognition and wireless telephony. While CoGenE is well suited to applications that exhibit a streaming behavior, multithreaded applications like ray tracing present a different but important challenge. To demonstrate its generality, CoGenE is evaluated in designing a novel multicore N-wide SIMD architecture, known as StreamRay, for the ray tracing domain. CoGenE is used to synthesize the SIMD execution cores, the compiler that generates the application binary, and the interconnection subsystem. Further, separating address and data computations in space reduces data movement and contention for resources, thereby significantly improving performance compared to existing ray tracing approaches

PYDAC: A DISTRIBUTED RUNTIME SYSTEM AND PROGRAMMING MODEL FOR A HETEROGENEOUS MANY-CORE ARCHITECTURE

Heterogeneous many-core architectures that consist of big, fast cores and small, energy-efficient cores are very promising for future high-performance computing (HPC) systems. These architectures offer a good balance between single-threaded perfor- mance and multithreaded throughput. Such systems impose challenges on the design of programming model and runtime system. Specifically, these challenges include (a) how to fully utilize the chip’s performance, (b) how to manage heterogeneous, un- reliable hardware resources, and (c) how to generate and manage a large amount of parallel tasks. This dissertation proposes and evaluates a Python-based programming framework called PyDac. PyDac supports a two-level programming model. At the high level, a programmer creates a very large number of tasks, using the divide-and-conquer strategy. At the low level, tasks are written in imperative programming style. The runtime system seamlessly manages the parallel tasks, system resilience, and inter- task communication with architecture support. PyDac has been implemented on both an field-programmable gate array (FPGA) emulation of an unconventional het- erogeneous architecture and a conventional multicore microprocessor. To evaluate the performance, resilience, and programmability of the proposed system, several micro-benchmarks were developed. We found that (a) the PyDac abstracts away task communication and achieves programmability, (b) the micro-benchmarks are scalable on the hardware prototype, but (predictably) serial operation limits some micro-benchmarks, and (c) the degree of protection versus speed could be varied in redundant threading that is transparent to programmers

Dependable Embedded Systems

This Open Access book introduces readers to many new techniques for enhancing and optimizing reliability in embedded systems, which have emerged particularly within the last five years. This book introduces the most prominent reliability concerns from today’s points of view and roughly recapitulates the progress in the community so far. Unlike other books that focus on a single abstraction level such circuit level or system level alone, the focus of this book is to deal with the different reliability challenges across different levels starting from the physical level all the way to the system level (cross-layer approaches). The book aims at demonstrating how new hardware/software co-design solution can be proposed to ef-fectively mitigate reliability degradation such as transistor aging, processor variation, temperature effects, soft errors, etc. Provides readers with latest insights into novel, cross-layer methods and models with respect to dependability of embedded systems; Describes cross-layer approaches that can leverage reliability through techniques that are pro-actively designed with respect to techniques at other layers; Explains run-time adaptation and concepts/means of self-organization, in order to achieve error resiliency in complex, future many core systems

High Performance Embedded Computing

Nowadays, the prevalence of computing systems in our lives is so ubiquitous that we live in a cyber-physical world dominated by computer systems, from pacemakers to cars and airplanes. These systems demand for more computational performance to process large amounts of data from multiple data sources with guaranteed processing times. Actuating outside of the required timing bounds may cause the failure of the system, being vital for systems like planes, cars, business monitoring, e-trading, etc. High-Performance and Time-Predictable Embedded Computing presents recent advances in software architecture and tools to support such complex systems, enabling the design of embedded computing devices which are able to deliver high-performance whilst guaranteeing the application required timing bounds. Technical topics discussed in the book include: Parallel embedded platforms Programming models Mapping and scheduling of parallel computations Timing and schedulability analysis Runtimes and operating systemsThe work reflected in this book was done in the scope of the European project P SOCRATES, funded under the FP7 framework program of the European Commission. High-performance and time-predictable embedded computing is ideal for personnel in computer/communication/embedded industries as well as academic staff and master/research students in computer science, embedded systems, cyber-physical systems and internet-of-things

High-Performance and Time-Predictable Embedded Computing

Nowadays, the prevalence of computing systems in our lives is so ubiquitous that we live in a cyber-physical world dominated by computer systems, from pacemakers to cars and airplanes. These systems demand for more computational performance to process large amounts of data from multiple data sources with guaranteed processing times. Actuating outside of the required timing bounds may cause the failure of the system, being vital for systems like planes, cars, business monitoring, e-trading, etc. High-Performance and Time-Predictable Embedded Computing presents recent advances in software architecture and tools to support such complex systems, enabling the design of embedded computing devices which are able to deliver high-performance whilst guaranteeing the application required timing bounds. Technical topics discussed in the book include: Parallel embedded platforms Programming models Mapping and scheduling of parallel computations Timing and schedulability analysis Runtimes and operating systems The work reflected in this book was done in the scope of the European project P SOCRATES, funded under the FP7 framework program of the European Commission. High-performance and time-predictable embedded computing is ideal for personnel in computer/communication/embedded industries as well as academic staff and master/research students in computer science, embedded systems, cyber-physical systems and internet-of-things.info:eu-repo/semantics/publishedVersio

Synthesis Techniques for Semi-Custom Dynamically Reconfigurable Superscalar Processors

The accelerated adoption of reconfigurable computing foreshadows a computational paradigm shift, aimed at fulfilling the need of customizable yet high-performance flexible hardware. Reconfigurable computing fulfills this need by allowing the physical resources of a chip to be adapted to the computational requirements of a specific program, thus achieving higher levels of computing performance. This dissertation evaluates the area requirements for reconfigurable processing, an important yet often disregarded assessment for partial reconfiguration. Common reconfigurable computing approaches today attempt to create custom circuitry in static co-processor accelerators. We instead focused on a new approach that synthesized semi-custom general-purpose processor cores. Each superscalar processor core's execution units can be customized for a particular application, yet the processor retains its standard microprocessor interface. We analyzed the area consumption for these computational components by studying the synthesis requirements of different processor configurations. This area/performance assessment aids designers when constraining processing elements in a fixed-size area slot, a requirement for modern partial reconfiguration approaches. Our results provide a more deterministic evaluation of performance density, hence making the area cost analysis less ambiguous when optimizing dynamic systems for coarse-grained parallelism. The results obtained showed that even though performance density decreases with processor complexity, the additional area still provides a positive contribution to the aggregate parallel processing performance. This evaluation of parallel execution density contributes to ongoing efforts in the field of reconfigurable computing by providing a baseline for area/performance trade-offs for partial reconfiguration and multi-processor systems

An Efficient NoC-based Framework To Improve Dataflow Thread Management At Runtime

This doctoral thesis focuses on how the application threads that are based on dataflow execution model can be managed at Network-on-Chip (NoC) level. The roots of the dataflow execution model date back to the early 1970’s. Applications adhering to such program execution model follow a simple producer-consumer communication scheme for synchronising parallel thread related activities. In dataflow execution environment, a thread can run if and only if all its required inputs are available. Applications running on a large and complex computing environment can significantly benefit from the adoption of dataflow model. In the first part of the thesis, the work is focused on the thread distribution mechanism. It has been shown that how a scalable hash-based thread distribution mechanism can be implemented at the router level with low overheads. To enhance the support further, a tool to monitor the dataflow threads’ status and a simple, functional model is also incorporated into the design. Next, a software defined NoC has been proposed to manage the distribution of dataflow threads by exploiting its reconfigurability. The second part of this work is focused more on NoC microarchitecture level. Traditional 2D-mesh topology is combined with a standard ring, to understand how such hybrid network topology can outperform the traditional topology (such as 2D-mesh). Finally, a mixed-integer linear programming based analytical model has been proposed to verify if the application threads mapped on to the free cores is optimal or not. The proposed mathematical model can be used as a yardstick to verify the solution quality of the newly developed mapping policy. It is not trivial to provide a complete low-level framework for dataflow thread execution for better resource and power management. However, this work could be considered as a primary framework to which improvements could be carried out

Contributions to the fault tolerance of soft-core processors implemented in SRAM-based FPGA Systems.

239 p.Gracias al desarrollo de las tecnologías de diseño y fabricación, los circuitos electrónicos han llegado a grandes niveles de integración. De esta forma, hoy en día es posible implementar completos y complejos sistemas dentro de un único dispositivo incorporando gran variedad de elementos como: procesadores, osciladores, lazos de seguimiento de fase (PLLs), interfaces, conversores ADC y DAC, módulos de memoria, etc. A este concepto de diseño se le denomina comúnmente SoC (System-on-Chip). Una de las plataformas para implementar estos sistemas que más importancia está cobrando son las FPGAs (Field Programmable Gate Array). Históricamente la plataforma más utilizada para albergar los SoCs han sido las ASICs (Application- Specific Integrated Circuits), debido a su bajo consumo energético y su gran rendimiento. No obstante, su costoso proceso de desarrollo y fabricación hace que solo sean rentables en el caso de producciones masivas. Las FPGAs, por el contrario, al ser dispositivos configurables ofrecen, la posibilidad de implementar diseños personalizados a un coste mucho más reducido. Por otro lado, los continuos avances en la tecnología de las FPGAs están haciendo que éstas compitan con las ASICs a nivel de prestaciones (consumo, nivel de integración y eficiencia). Ciertas tecnologías de FPGA, como las SRAM y Flash, poseen una característica que las hace especialmente interesantes en multitud de diseños: la capacidad de reconfiguración. Dicha característica, que incluso puede ser realizada de forma autónoma, permite cambiar completamente el diseño hardware implementado con solo cargar en la FPGA un archivo de configuración denominado bitstream. La reconfiguración puede incluso permitir modificar una parte del circuito configurado en la matriz de la FPGA, mientras el resto del circuito implementado continua inalterado. Esto que se conoce como reconfiguración parcial dinámica, posibilita que un mismo chip albergue en su interior numerosos diseños hardware que pueden ser cargados a demanda. Gracias a la capacidad de reconfiguración, las FPGAs ofrecen numerosas ventajas como: posibilidad de personalización de diseños, capacidad de readaptación durante el funcionamiento para responder a cambios o corregir errores, mitigación de obsolescencia, diferenciación, menores costes de diseño o reducido tiempo para el lanzamiento de productos al mercado. Los SoC basados en FPGAs allanan el camino hacia un nuevo concepto de integración de hardware y software, permitiendo que los diseñadores de sistemas electrónicos sean capaces de integrar procesadores embebidos en los diseños para beneficiarse de su gran capacidad de computación. Gracias a esto, una parte importante de la electrónica hace uso de la tecnología FPGA abarcando un gran abanico de campos, como por ejemplo: la electrónica de consumo y el entretenimiento, la medicina o industrias como la espacial, la aviónica, la automovilística o la militar. Las tecnologías de FPGA existentes ofrecen dos vías de utilización de procesado- res embebidos: procesadores hardcore y procesadores softcore. Los hardcore son procesadores discretos integrados en el mismo chip de la FPGA. Generalmente ofrecen altas frecuencias de trabajo y una mayor previsibilidad en términos de rendimiento y uso del área, pero su diseño hardware no puede alterarse para ser personalizado. Por otro lado, un procesador soft-core, es la descripción hardware en lenguaje HDL (normalmente VDHL o Verilog) de un procesador, sintetizable e implementable en una FPGA. Habitualmente, los procesadores softcore suelen basarse en diseños hardware ya existentes, siendo compatibles con sus juegos de instrucciones, muchos de ellos en forma de IP cores (Intellectual Property co- res). Los IP cores ofrecen procesadores softcore prediseñados y testeados, que dependiendo del caso pueden ser de pago, gratuitos u otro tipo de licencias. Debido a su naturaleza, los procesadores softcore, pueden ser personalizados para una adaptación óptima a diseños específicos. Así mismo, ofrecen la posibilidad de integrar en el diseño tantos procesadores como se desee (siempre que haya disponibles recursos lógicos suficientes). Otra ventaja importante es que, gracias a la reconfiguración parcial dinámica, es posible añadir el procesador al diseño únicamente en los casos necesarios, ahorrando de esta forma, recursos lógicos y consumo energético. Uno de los mayores problemas que surgen al usar dispositivos basados en las tecnologías SRAM o la flash, como es el caso de las FPGAs, es que son especialmente sensibles a los efectos producidos por partículas energéticas provenientes de la radiación cósmica (como protones, neutrones, partículas alfa u otros iones pesados) denominados efectos de eventos simples o SEEs (Single Event Effects). Estos efectos pueden ocasionar diferentes tipos de fallos en los sistemas: desde fallos despreciables hasta fallos realmente graves que comprometan la funcionalidad del sistema. El correcto funcionamiento de los sistemas cobra especial relevancia cuando se trata de tecnologías de elevado costo o aquellas en las que peligran vidas humanas, como, por ejemplo, en campos tales como el transporte ferroviario, la automoción, la aviónica o la industria aeroespacial. Dependiendo de distintos factores, los SEEs pueden causar fallos de operación transitorios, cambios de estados lógicos o daños permanentes en el dispositivo. Cuando se trata de un fallo físico permanente se denomina hard-error, mientras que cuando el fallo afecta el circuito momentáneamente se denomina soft-error. Los SEEs más frecuentes son los soft-errors y afectan tanto a aplicaciones comerciales a nivel terrestre, como a aplicaciones aeronáuticas y aeroespaciales (con mayor incidencia en estas últimas). La contribución exacta de este tipo de fallos a la tasa de errores depende del diseño específico de cada circuito, pero en general se asume que entorno al 90 % de la tasa de error se debe a fallos en elementos de memoria (latches, biestables o celdas de memoria). Los soft-errors pueden afectar tanto al circuito lógico como al bitstream cargado en la memoria de configuración de la FPGA. Debido a su gran tamaño, la memoria de configuración tiene más probabilidades de ser afectada por un SEE. La existencia de problemas generados por estos efectos reafirma la importancia del concepto de tolerancia a fallos. La tolerancia a fallos es una propiedad relativa a los sistemas digitales, por la cual se asegura cierta calidad en el funcionamiento ante la presencia de fallos, debiendo los sistemas poder soportar los efectos de dichos fallos y funcionar correctamente en todo momento. Por tanto, para lograr un diseño robusto, es necesario garantizar la funcionalidad de los circuitos y asegurar la seguridad y confiabilidad en las aplicaciones críticas que puedan verse comprometidos por los SEE. A la hora de hacer frente a los SEE existe la posibilidad de explotar tecnologías específicas centradas en la tolerancia a fallos, como por ejemplo las FPGAs de tipo fusible, o, por otro lado, utilizar la tecnología comercial combinada con técnicas de tolerancia a fallos. Esta última opción va cobrando importancia debido al menor precio y mayores prestaciones de las FPGAs comerciales. Generalmente las técnicas de endurecimiento se aplican durante la fase de diseño. Existe un gran número de técnicas y se pueden llegar a combinar entre sí. Las técnicas prevalentes se basan en emplear algún tipo de redundancia, ya sea hardware, software, temporal o de información. Cada tipo de técnica presenta diferentes ventajas e inconvenientes y se centra en atacar distintos tipos de SEE y sus efectos. Dentro de las técnicas de tipo redundancia, la más utilizada es la hardware, que se basa en replicar el modulo a endurecer. De esta forma, cada una de las réplicas es alimentada con la misma entrada y sus salidas son comparadas para detectar discrepancias. Esta redundancia puede implementarse a diferentes niveles. En términos generales, un mayor nivel de redundancia hardware implica una mayor robustez, pero también incrementa el uso de recursos. Este incremento en el uso de recursos de una FPGA supone tener menos recursos disponibles para el diseño, mayor consumo energético, el tener más elementos susceptibles de ser afectados por un SEE y generalmente, una reducción de la máxima frecuencia alcanzable por el diseño. Por ello, los niveles de redundancia hardware más utilizados son la doble, conocida como DMR (Dual Modular Redundancy) y la triple o TMR (Triple Modular Redundancy). La DMR minimiza el número de recursos redundantes, pero presenta el problema de no poder identificar el módulo fallido ya que solo es capaz de detectar que se ha producido un error. Ello hace necesario combinarlo con técnicas adicionales. Al caso de DMR aplicado a procesadores se le denomina lockstep y se suele combinar con las técnicas checkpoint y rollback recovery. El checkpoint consiste en guardar periódicamente el contexto (contenido de registros y memorias) de instantes identificados como correctos. Gracias a esto, una vez detectado y reparado un fallo es posible emplear el rollback recovery para cargar el último contexto correcto guardado. Las desventajas de estas estrategias son el tiempo requerido por ambas técnicas (checkpoint y rollback recovery) y la necesidad de elementos adicionales (como memorias auxiliares para guardar el contexto). Por otro lado, el TMR ofrece la posibilidad de detectar el módulo fallido mediante la votación por mayoría. Es decir, si tras comparar las tres salidas una de ellas presenta un estado distinto, se asume que las otras dos son correctas. Esto permite que el sistema continúe funcionando correctamente (como sistema DMR) aun cuando uno de los módulos quede inutilizado. En todo caso, el TMR solo enmascara los errores, es decir, no los corrige. Una de las desventajas más destacables de esta técnica es que incrementa el uso de recursos en más de un 300 %. También cabe la posibilidad de que la salida discrepante sea la realmente correcta (y que, por tanto, las otras dos sean incorrectas), aunque este caso es bastante improbable. Uno de los problemas que no se ha analizado con profundidad en la bibliografía es el problema de la sincronización de procesadores soft-core en sistemas TMR (o de mayor nivel de redundancia). Dicho problema reside en que, si tras un fallo se inutiliza uno de los procesadores y el sistema continúa funcionando con el resto de procesadores, una vez reparado el procesador fallido éste necesita sincronizar su contexto al nuevo estado del sistema. Una práctica bastante común en la implementación de sistemas redundantes es combinarlos con la técnica conocida como scrubbing. Esta técnica basada en la reconfiguración parcial dinámica, consiste en sobrescribir periódicamente el bitstream con una copia libre de errores apropiadamente guardada. Gracias a ella, es posible corregir los errores enmascarados por el uso de algunas técnicas de endurecimiento como la redundancia hardware. Esta copia libre de errores suele omitir los bits del bitstream correspondientes a la memoria de usuario, por lo que solo actualiza los bits relacionados con la configuración de la FPGA. Por ello, a esta técnica también se la conoce como configuration scrubbing. En toda la literatura consultada se ha detectado un vacío en cuanto a técnicas que propongan estrategias de scrubbing para la memoria de usuario. Con el objetivo de proponer alternativas innovadoras en el terreno de la tolerancia a fallos para procesadores softcore, en este trabajo de investigación se han desarrollado varias técnicas y flujos de diseño para manejar los datos de usuario a través del bitstream, pudiendo leer, escribir o copiar la información de registros o de memorias implementadas en bloques RAMs de forma autónoma. Así mismo se ha desarrollado un abanico de propuestas tanto como para estrategias lockstep como para la sincronización de sistemas TMR, de las cuales varias hacen uso de las técnicas desarrolladas para manejar las memorias de usuario a través del bitstream. Estas últimas técnicas tienen en común la minimización de utilización de recursos respecto a las estrategias tradicionales. De forma similar, se proponen dos alternativas adicionales basadas en dichas técnicas: una propuesta de scrubbing para las memorias de usuario y una para la recuperación de información en memorias implementadas en bloques RAM cuyas interfaces hayan sido inutilizadas por SEEs.Todas las propuestas han sido validadas en hardware utilizando una FPGA de Xilinx, la empresa líder en fabricación de dispositivos reconfigurables. De esta forma se proporcionan resultados sobre los impactos de las técnicas propuestas en términos de utilización de recursos, consumos energéticos y máximas frecuencias alcanzables

Resilience of an embedded architecture using hardware redundancy

In the last decade the dominance of the general computing systems market has being replaced by embedded systems with billions of units manufactured every year. Embedded systems appear in contexts where continuous operation is of utmost importance and failure can be profound. Nowadays, radiation poses a serious threat to the reliable operation of safety-critical systems. Fault avoidance techniques, such as radiation hardening, have been commonly used in space applications. However, these components are expensive, lag behind commercial components with regards to performance and do not provide 100% fault elimination. Without fault tolerant mechanisms, many of these faults can become errors at the application or system level, which in turn, can result in catastrophic failures. In this work we study the concepts of fault tolerance and dependability and extend these concepts providing our own definition of resilience. We analyse the physics of radiation-induced faults, the damage mechanisms of particles and the process that leads to computing failures. We provide extensive taxonomies of 1) existing fault tolerant techniques and of 2) the effects of radiation in state-of-the-art electronics, analysing and comparing their characteristics. We propose a detailed model of faults and provide a classification of the different types of faults at various levels. We introduce an algorithm of fault tolerance and define the system states and actions necessary to implement it. We introduce novel hardware and system software techniques that provide a more efficient combination of reliability, performance and power consumption than existing techniques. We propose a new element of the system called syndrome that is the core of a resilient architecture whose software and hardware can adapt to reliable and unreliable environments. We implement a software simulator and disassembler and introduce a testing framework in combination with ERA’s assembler and commercial hardware simulators