45-nm Radiation Hardened Cache Design

abstract: Circuits on smaller technology nodes become more vulnerable to radiation-induced upset. Since this is a major problem for electronic circuits used in space applications, designers have a variety of solutions in hand. Radiation hardening by design (RHBD) is an approach, where electronic components are designed to work properly in certain radiation environments without the use of special fabrication processes. This work focuses on the cache design for a high performance microprocessor. The design tries to mitigate radiation effects like SEE, on a commercial foundry 45 nm SOI process. The design has been ported from a previously done cache design at the 90 nm process node. The cache design is a 16 KB, 4 way set associative, write-through design that uses a no-write allocate policy. The cache has been tested to write and read at above 2 GHz at VDD = 0.9 V. Interleaved layout, parity protection, dual redundancy, and checking circuits are used in the design to achieve radiation hardness. High speed is accomplished through the use of dynamic circuits and short wiring routes wherever possible. Gated clocks and optimized wire connections are used to reduce power. Structured methodology is used to build up the entire cache.Dissertation/ThesisM.S. Electrical Engineering 201

New hardware support transactional memory and parallel debugging in multicore processors

This thesis contributes to the area of hardware support for parallel programming by introducing new hardware elements in multicore processors, with the aim of improving the performance and optimize new tools, abstractions and applications related with parallel programming, such as transactional memory and data race detectors. Specifically, we configure a hardware transactional memory system with signatures as part of the hardware support, and we develop a new hardware filter for reducing the signature size. We also develop the first hardware asymmetric data race detector (which is also able to tolerate them), based also in hardware signatures. Finally, we propose a new module of hardware signatures that solves some of the problems that we found in the previous tools related with the lack of flexibility in hardware signatures

Static Probabilistic Timing Analysis for Real-Time Embedded Systems in Presence of Faults

RÉSUMÉ Une mémoire cache est le lien entre le processeur et la mémoire principale. Elle permet de réduire considérablement les temps d’accès aux blocs de mémoire dans un système embarqué temps-réel et critique (CRTES), ce qui influence énormément son comportement temporel. Des caches à accès aléatoire—caches avec une politique de remplacement aléatoire—ont été proposées dans le but d’améliorer les estimations du comportement temporel des CRTES, et cela en diminuant les cas pathologiques. Les Measurement Based Probabilistic Timing Analysis (MBPTA) et Static Probabilistic Timing Analysis (SPTA) sont deux méthodes qui ciblent à estimer le pire temps d’exécution (Worst Case Execution Time probabiliste - pWCET) d’une façon probabiliste et sécuritaire pour les caches aléatoires. À travers cette dissertation, on présente des travaux de recherche concernant l’estimation temporelle basée sur la méthode SPTA. L’état de l’art sur les méthodologies SPTA fournissent des estimations sécuritaires et strictes. En revanche, au vu de la réduction d’échelle des technologies des semiconducteurs utilisés pour la mise en oeuvre des composants faisant partie des CRETS, les caches sur puce sont de plus en plus prédisposés aux pannes. Par conséquent, nous avons développé des méthodologies SPTA pour l’estimation des pWCETs en présence de pannes. Nous avons effectué également des évaluations de l’impact de ces fautes sur les comportements temporels. Afin d’examiner les pannes, nous avons modélisé dans un premier temps les pannes transitoires et permanentes. Une panne transitoire représente un changement d’état temporaire. Le système peut ainsi être restauré en utilisant des techniques de détection et de correction des pannes. D’un autre côté, une panne permanente introduit un changement permanent. Elle persiste après son apparition et affecte en conséquence le comportement général du système. Nous avons alors proposé une méthode basée sur les chaînes de Markov afin de modéliser les états de disposition de la mémoire. Pour chaque accès à un bloc de mémoire, le changement de l’état est calculé en utilisant une matrice de transition, tout en tenant compte des impacts des fautes transitoires. Nous avons également utilisé différents types de modèles de la chaîne de Markov pour représenter le système ayant subi un nombres différent de pannes permanentes. Les expériences montrent que notre méthode SPTA assure des résultats précis en présence des pannes transitoires et permanentes.----------ABSTRACT : A cache is typically the bridge between a processor and its main memory. It significantly reduces the access latencies to memory blocks and its timing behavior. Random caches—caches with a random replacement policy—have been proposed to improve timing behavior estimates in critical real-time embedded systems (CRTESs) by reducing pathological cases due to systematic cache misses. Measurement Based Probabilistic Timing Analysis (MBPTA)and Static Probabilistic Timing Analysis (SPTA) aim at providing safe probabilistic Worst Case Execution Time (pWCET) estimates for random caches. In this dissertation, we present research work on timing estimation based on SPTA. State-of-the-art SPTA methodologies produce safe and tight pWCET estimates. However, as semiconductor technology scales down, CRTES components—especially their on-chip caches—become prone to faults. Consequently,we developed SPTA methodologies to estimate pWCETs in the presence of faults, and evaluated the impacts of faults on timing behaviors. To investigate faults, we first defined transient and permanent fault models. A transient fault represents a temporary change of state. The system with transient faults can be recovered using fault detection and correction techniques. A permanent fault represents a permanent change of state. It persists after its occurrence and affects the system’s behavior afterwards. Additionally, we proposed a Markov chain method to model memory layout states. For each memory block access, the state changes are calculated using a transition matrix. The transient fault impacts were integrated into the transition matrix computation, and we used different groups of Markov chain models to represent the system with different number of permanent faults. Experiments showed that our SPTA method provided accurate results in the presence of both transient and permanent faults

Improving Energy and Area Scalability of the Cache Hierarchy in CMPs

As the core counts increase in each chip multiprocessor generation, CMPs should improve scalability in performance, area, and energy consumption to meet the demands of larger core counts. Directory-based protocols constitute the most scalable alternative. A conventional directory, however, suffers from an inefficient use of storage and energy. First, the large, non-scalable, sharer vectors consume unnecessary area and leakage, especially considering that most of the blocks tracked in a directory are cached by a single core. Second, although increasing directory size and associativity could boost system performance by reducing the coverage misses, it would come at the expense of area and energy consumption. This thesis focuses and exploits the important differences of behavior between private and shared blocks from the directory point of view. These differences claim for a separate management of both types of blocks at the directory. First, we propose the PS-Directory, a two-level directory cache that keeps the reduced number of frequently accessed shared entries in a small and fast first-level cache, namely Shared Directory Cache, and uses a larger and slower second-level Private Directory Cache to track the large amount of private blocks. Experimental results show that, compared to a conventional directory, the PS-Directory improves performance while also reducing silicon area and energy consumption. In this thesis we also show that the shared/private ratio of entries in the directory varies across applications and across different execution phases within the applications, which encourages us to propose Dynamic Way Partitioning (DWP) Directory. DWP-Directory reduces the number of ways with storage for shared blocks and it allows this storage to be powered off or on at run-time according to the dynamic requirements of the applications following a repartitioning algorithm. Results show similar performance as a traditional directory with high associativity, and similar area requirements as recent state-of-the-art schemes. In addition, DWP-Directory achieves notable static and dynamic power consumption savings. This dissertation also deals with the scalability issues in terms of power found in processor caches. A significant fraction of the total power budget is consumed by on-chip caches which are usually deployed with a high associativity degree (even L1 caches are being implemented with eight ways) to enhance the system performance. On a cache access, each way in the corresponding set is accessed in parallel, which is costly in terms of energy. This thesis presents the PS-Cache architecture, an energy-efficient cache design that reduces the number of accessed ways without hurting the performance. The PS-Cache takes advantage of the private-shared knowledge of the referenced block to reduce energy by accessing only those ways holding the kind of block looked up. Results show significant dynamic power consumption savings. Finally, we propose an energy-efficient architectural design that can be effectively applied to any kind of set-associative cache memory, not only to processor caches. The proposed approach, called the Tag Filter (TF) Architecture, filters the ways accessed in the target cache set, and just a few ways are searched in the tag and data arrays. This allows the approach to reduce the dynamic energy consumption of caches without hurting their access time. For this purpose, the proposed architecture holds the X least significant bits of each tag in a small auxiliary X-bit-wide array. These bits are used to filter the ways where the least significant bits of the tag do not match with the bits in the X-bit array. Experimental results show that this filtering mechanism achieves energy consumption in set-associative caches similar to direct mapped ones. Experimental results show that the proposals presented in this thesis offer a good tradeoff among these three major design axes.Conforme se incrementa el número de núcleos en las nuevas generaciones de multiprocesadores en chip, los CMPs deben de escalar en prestaciones, área y consumo energético para cumplir con las demandas de un número núcleos mayor. Los protocolos basados en directorio constituyen la alternativa más escalable. Un directorio convencional, no obstante, sufre de una utilización ineficiente de almacenamiento y energía. En primer lugar, los grandes y poco escalables vectores de compartidores consumen una cantidad de energía de fuga y de área innecesaria, especialmente si se tiene en consideración que la mayoría de los bloques en un directorio solo se encuentran en la cache de un único núcleo. En segundo lugar, aunque incrementar el tamaño y la asociatividad del directorio aumentaría las prestaciones del sistema, esto supondría un incremento notable en el consumo energético. Esta tesis estudia las diferencias significativas entre el comportamiento de bloques privados y compartidos en el directorio, lo que nos lleva hacia una gestión separada para cada uno de los tipos de bloque. Proponemos el PS-Directory, una cache de directorio de dos niveles que mantiene el reducido número de las entradas compartidas, que son los que se acceden con más frecuencia, en una estructura pequeña de primer nivel (concretamente, la Shared Directory Cache) y que utiliza una estructura más grande y lenta en el segundo nivel (Private Directory Cache) para poder mantener la información de los bloques privados. Los resultados experimentales muestran que, comparado con un directorio convencional, el PS-Directory consigue mejorar las prestaciones a la vez que reduce el área de silicio y el consumo energético. Ya que el ratio compartido/privado de las entradas en el directorio varia entre aplicaciones y entre las diferentes fases de ejecución dentro de las aplicaciones, proponemos el Dynamic Way Partitioning (DWP) Directory. El DWP-Directory reduce el número de vías que almacenan entradas compartidas y permite que éstas se enciendan o apaguen en tiempo de ejecución según los requisitos dinámicos de las aplicaciones según un algoritmo de reparticionado. Los resultados muestran unas prestaciones similares a un directorio tradicional de alta asociatividad y un área similar a otros esquemas recientes del estado del arte. Adicionalmente, el DWP-Directory obtiene importantes reducciones de consumo estático y dinámico. Esta disertación también se enfrenta a los problemas de escalabilidad que se pueden encontrar en las memorias cache. En un acceso a la cache, se accede a cada vía del conjunto en paralelo, siendo así un acción costosa en energía. Esta tesis presenta la arquitectura PS-Cache, un diseño energéticamente eficiente que reduce el número de vías accedidas sin perjudicar las prestaciones. La PS-Cache utiliza la información del estado privado-compartido del bloque referenciado para reducir la energía, ya que tan solo accedemos a un subconjunto de las vías que mantienen los bloques del tipo solicitado. Los resultados muestran unos importantes ahorros de energía dinámica. Finalmente, proponemos otro diseño de arquitectura energéticamente eficiente que se puede aplicar a cualquier tipo de memoria cache asociativa por conjuntos. La propuesta, la Tag Filter (TF) Architecture, filtra las vías accedidas en el conjunto de la cache, de manera que solo se mira un número reducido de vías tanto en el array de etiquetas como en el de datos. Esto permite que nuestra propuesta reduzca el consumo de energía dinámico de las caches sin perjudicar su tiempo de acceso. Los resultados experimentales muestran que este mecanismo de filtrado es capaz de obtener un consumo energético en caches asociativas por conjunto similar de las caches de mapeado directo. Los resultados experimentales muestran que las propuestas presentadas en esta tesis consiguen un buen compromiso entre estos tres importantes pilares de diseño.Conforme s'incrementen el nombre de nuclis en les noves generacions de multiprocessadors en xip, els CMPs han d'escalar en prestacions, àrea i consum energètic per complir en les demandes d'un nombre de nuclis major. El protocols basats en directori són l'alternativa més escalable. Un directori convencional, no obstant, pateix una utilització ineficient d'emmagatzematge i energia. En primer lloc, els grans i poc escalables vectors de compartidors consumeixen una quantitat d'energia estàtica i d'àrea innecessària, especialment si es considera que la majoria dels blocs en un directori només es troben en la cache d'un sol nucli. En segon lloc, tot i que incrementar la grandària i l'associativitat del directori augmentaria les prestacions del sistema, això suposaria un increment notable en el consum d'energia. Aquesta tesis estudia les diferències significatives entre el comportament de blocs privats i compartits dins del directori, la qual cosa ens guia cap a una gestió separada per a cada un dels tipus de bloc. Proposem el PS-Directory, una cache de directori de dos nivells que manté el reduït nombre de les entrades de blocs compartits, que són els que s'accedeixen amb més freqüència, en una estructura menuda de primer nivell (concretament, la Shared Directory Cache) i que empra una estructura més gran i lenta en el segon nivell (Private Directory Cache) per poder mantenir la informació dels blocs privats. Els resultats experimentals mostren que, comparat amb un directori convencional, el PS-Directory aconsegueix millorar les prestacions a la vegada que redueix l'àrea de silici i el consum energètic. Ja que la ràtio compartit/privat de les entrades en el directori varia entre aplicacions i entre les diferents fases d'execució dins de les aplicacions, proposem el Dynamic Way Partitioning (DWP) Directory. DWP-Directory redueix el nombre de vies que emmagatzemen entrades compartides i permeten que aquest s'encengui o apagui en temps d'execució segons els requeriments dinàmics de les aplicacions seguint un algoritme de reparticionat. Els resultats mostren unes prestacions similars a un directori tradicional d'alta associativitat i una àrea similar a altres esquemes recents de l'estat de l'art. Adicionalment, el DWP-Directory obté importants reduccions de consum estàtic i dinàmic. Aquesta dissertació també s'enfronta als problemes d'escalabilitat que es poden tro- bar en les memòries cache. Les caches on-chip consumeixen una part significativa del consum total del sistema. Aquestes caches implementen un alt nivell d'associativitat. En un accés a la cache, s'accedeix a cada via del conjunt en paral·lel, essent així una acció costosa en energia. Aquesta tesis presenta l'arquitectura PS-Cache, un disseny energèticament eficient que redueix el nombre de vies accedides sense perjudicar les prestacions. La PS-Cache utilitza la informació de l'estat privat-compartit del bloc referenciat per a reduir energia, ja que només accedim al subconjunt de vies que mantenen blocs del tipus sol·licitat. Els resultats mostren uns importants estalvis d'energia dinàmica. Finalment, proposem un altre disseny d'arquitectura energèticament eficient que es pot aplicar a qualsevol tipus de memòria cache associativa per conjunts. La proposta, la Tag Filter (TF) Architecture, filtra les vies accedides en el conjunt de la cache, de manera que només un reduït nombre de vies es miren tant en el array d'etiquetes com en el de dades. Això permet que la nostra proposta redueixi el consum dinàmic energètic de les caches sense perjudicar el seu temps d'accés. Els resultats experimentals mostren que aquest mecanisme de filtre és capaç d'obtenir un consum energètic en caches associatives per conjunt similar al de les caches de mapejada directa. Els resultats experimentals mostren que les propostes presentades en aquesta tesis conseguixen un bon compromís entre aquestros tres importants pilars de diseny.Valls Mompó, JJ. (2017). Improving Energy and Area Scalability of the Cache Hierarchy in CMPs [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/79551TESI

The 1991 3rd NASA Symposium on VLSI Design

Papers from the symposium are presented from the following sessions: (1) featured presentations 1; (2) very large scale integration (VLSI) circuit design; (3) VLSI architecture 1; (4) featured presentations 2; (5) neural networks; (6) VLSI architectures 2; (7) featured presentations 3; (8) verification 1; (9) analog design; (10) verification 2; (11) design innovations 1; (12) asynchronous design; and (13) design innovations 2

Methodologies for Accelerated Analysis of the Reliability and the Energy Efficiency Levels of Modern Microprocessor Architectures

Η εξέλιξη της τεχνολογίας ημιαγωγών, της αρχιτεκτονικής υπολογιστών και της σχεδίασης οδηγεί σε αύξηση της απόδοσης των σύγχρονων μικροεπεξεργαστών, η οποία επίσης συνοδεύεται από αύξηση της ευπάθειας των προϊόντων. Οι σχεδιαστές εφαρμόζουν διάφορες τεχνικές κατά τη διάρκεια της ζωής των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων με σκοπό να διασφαλίσουν τα υψηλά επίπεδα αξιοπιστίας των παραγόμενων προϊόντων και να τα προστατέψουν από διάφορες κατηγορίες σφαλμάτων διασφαλίζοντας την ορθή λειτουργία τους. Αυτή η διδακτορική διατριβή προτείνει καινούριες μεθόδους για να διασφαλίσει τα υψηλά επίπεδα αξιοπιστίας και ενεργειακής απόδοσης των σύγχρονων μικροεπεξεργαστών οι οποίες μπορούν να εφαρμοστούν κατά τη διάρκεια του πρώιμου σχεδιαστικού σταδίου, του σταδίου παραγωγής ή του σταδίου της κυκλοφορίας των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων στην αγορά. Οι συνεισφορές αυτής της διατριβής μπορούν να ομαδοποιηθούν στις ακόλουθες δύο κατηγορίες σύμφωνα με το στάδιο της ζωής των μικροεπεξεργαστών στο οποίο εφαρμόζονται: • Πρώιμο σχεδιαστικό στάδιο: Η στατιστική εισαγωγή σφαλμάτων σε δομές που είναι μοντελοποιημένες σε προσομοιωτές οι οποίοι στοχεύουν στην μελέτη της απόδοσης είναι μια επιστημονικά καθιερωμένη μέθοδος για την ακριβή μέτρηση της αξιοπιστίας, αλλά υστερεί στον αργό χρόνο εκτέλεσης. Σε αυτή τη διατριβή, αρχικά παρουσιάζουμε ένα νέο πλήρως αυτοματοποιημένο εργαλείο εισαγωγής σφαλμάτων σε μικροαρχιτεκτονικό επίπεδο που στοχεύει στην ακριβή αξιολόγηση της αξιοπιστίας ενός μεγάλου πλήθους μονάδων υλικού σε σχέση με διάφορα μοντέλα σφαλμάτων (παροδικά, διακοπτόμενα, μόνιμα σφάλματα). Στη συνέχεια, χρησιμοποιώντας το ίδιο εργαλείο και στοχεύοντας τα παροδικά σφάλματα, παρουσιάζουμε διάφορες μελέτες σχετιζόμενες με την αξιοπιστία και την απόδοση, οι οποίες μπορούν να βοηθήσουν τις σχεδιαστικές αποφάσεις στα πρώιμα στάδια της ζωής των επεξεργαστών. Τελικά, προτείνουμε δύο μεθοδολογίες για να επιταχύνουμε τα μαζικά πειράματα στατιστικής εισαγωγής σφαλμάτων. Στην πρώτη, επιταχύνουμε τα πειράματα έπειτα από την πραγματική εισαγωγή των σφαλμάτων στις δομές του υλικού. Στη δεύτερη, επιταχύνουμε ακόμη περισσότερο τα πειράματα προτείνοντας τη μεθοδολογία με όνομα MeRLiN, η οποία βασίζεται στη μείωση της αρχικής λίστας σφαλμάτων μέσω της ομαδοποίησής τους σε ισοδύναμες ομάδες έπειτα από κατηγοριοποίηση σύμφωνα με την εντολή που τελικά προσπελαύνει τη δομή που φέρει το σφάλμα. • Παραγωγικό στάδιο και στάδιο κυκλοφορίας στην αγορά: Οι συνεισφορές αυτής της διδακτορικής διατριβής σε αυτά τα στάδια της ζωής των μικροεπεξεργαστών καλύπτουν δύο σημαντικά επιστημονικά πεδία. Αρχικά, χρησιμοποιώντας το ολοκληρωμένο κύκλωμα των 48 πυρήνων με ονομασία Intel SCC, προτείνουμε μια τεχνική επιτάχυνσης του εντοπισμού μονίμων σφαλμάτων που εφαρμόζεται κατά τη διάρκεια λειτουργίας αρχιτεκτονικών με πολλούς πυρήνες, η οποία εκμεταλλεύεται το δίκτυο υψηλής ταχύτητας μεταφοράς μηνυμάτων που διατίθεται στα ολοκληρωμένα κυκλώματα αυτού του είδους. Δεύτερον, προτείνουμε μια λεπτομερή στατιστική μεθοδολογία με σκοπό την ακριβή πρόβλεψη σε επίπεδο συστήματος των ασφαλών ορίων λειτουργίας της τάσης των πυρήνων τύπου ARMv8 που βρίσκονται πάνω στη CPU X-Gene 2.The evolution in semiconductor manufacturing technology, computer architecture and design leads to increase in performance of modern microprocessors, which is also accompanied by increase in products’ vulnerability to errors. Designers apply different techniques throughout microprocessors life-time in order to ensure the high reliability requirements of the delivered products that are defined as their ability to avoid service failures that are more frequent and more severe than is acceptable. This thesis proposes novel methods to guarantee the high reliability and energy efficiency requirements of modern microprocessors that can be applied during the early design phase, the manufacturing phase or after the chips release to the market. The contributions of this thesis can be grouped in the two following categories according to the phase of the CPUs lifecycle that are applied at: • Early design phase: Statistical fault injection using microarchitectural structures modeled in performance simulators is a state-of-the-art method to accurately measure the reliability, but suffers from low simulation throughput. In this thesis, we firstly present a novel fully-automated versatile microarchitecture-level fault injection framework (called MaFIN) for accurate characterization of a wide range of hardware components of an x86-64 microarchitecture with respect to various fault models (transient, intermittent, permanent faults). Next, using the same tool and focusing on transient faults, we present several reliability and performance related studies that can assist design decision in the early design phases. Moreover, we propose two methodologies to accelerate the statistical fault injection campaigns. In the first one, we accelerate the fault injection campaigns after the actual injection of the faults in the simulated hardware structures. In the second, we further accelerate the microarchitecture level fault injection campaigns by proposing MeRLiN a fault pre-processing methodology that is based on the pruning of the initial fault list by grouping the faults in equivalent classes according to the instruction access patterns to hardware entries. • Manufacturing phase and release to the market: The contributions of this thesis in these phases of microprocessors life-cycle cover two important aspects. Firstly, using the 48-core Intel’s SCC architecture, we propose a technique to accelerate online error detection of permanent faults for many-core architectures by exploiting their high-speed message passing on-chip network. Secondly, we propose a comprehensive statistical analysis methodology to accurately predict at the system level the safe voltage operation margins of the ARMv8 cores of the X- Gene 2 chip when it operates in scaled voltage conditions

Runtime-assisted optimizations in the on-chip memory hierarchy

Following Moore's Law, the number of transistors on chip has been increasing exponentially, which has led to the increasing complexity of modern processors. As a result, the efficient programming of such systems has become more difficult. Many programming models have been developed to answer this issue. Of particular interest are task-based programming models that employ simple annotations to define parallel work in an application. The information available at the level of the runtime systems associated with these programming models offers great potential for improving hardware design. Moreover, due to technological limitations, Moore's Law is predicted to eventually come to an end, so novel paradigms are necessary to maintain the current performance improvement trends. The main goal of this thesis is to exploit the knowledge about a parallel application available at the runtime system level to improve the design of the on-chip memory hierarchy. The coupling of the runtime system and the microprocessor enables a better hardware design without hurting the programmability. The first contribution is a set of insertion policies for shared last-level caches that exploit information about tasks and task data dependencies. The intuition behind this proposal revolves around the observation that parallel threads exhibit different memory access patterns. Even within the same thread, accesses to different variables often follow distinct patterns. The proposed policies insert cache lines into different logical positions depending on the dependency type and task type to which the corresponding memory request belongs. The second proposal optimizes the execution of reductions, defined as a programming pattern that combines input data to form the resulting reduction variable. This is achieved with a runtime-assisted technique for performing reductions in the processor's cache hierarchy. The proposal's goal is to be a universally applicable solution regardless of the reduction variable type, size and access pattern. On the software level, the programming model is extended to let a programmer specify the reduction variables for tasks, as well as the desired cache level where a certain reduction will be performed. The source-to-source compiler and the runtime system are extended to translate and forward this information to the underlying hardware. On the hardware level, private and shared caches are equipped with functional units and the accompanying logic to perform reductions at the cache level. This design avoids unnecessary data movements to the core and back as the data is operated at the place where it resides. The third contribution is a runtime-assisted prioritization scheme for memory requests inside the on-chip memory hierarchy. The proposal is based on the notion of a critical path in the context of parallel codes and a known fact that accelerating critical tasks reduces the execution time of the whole application. In the context of this work, task criticality is observed at a level of a task type as it enables simple annotation by the programmer. The acceleration of critical tasks is achieved by the prioritization of corresponding memory requests in the microprocessor.Siguiendo la ley de Moore, el número de transistores en los chips ha crecido exponencialmente, lo que ha comportado una mayor complejidad en los procesadores modernos y, como resultado, de la dificultad de la programación eficiente de estos sistemas. Se han desarrollado muchos modelos de programación para resolver este problema; un ejemplo particular son los modelos de programación basados en tareas, que emplean anotaciones sencillas para definir los Trabajos paralelos de una aplicación. La información de que disponen los sistemas en tiempo de ejecución (runtime systems) asociada con estos modelos de programación ofrece un enorme potencial para la mejora del diseño del hardware. Por otro lado, las limitaciones tecnológicas hacen que la ley de Moore pueda dejar de cumplirse próximamente, por lo que se necesitan paradigmas nuevos para mantener las tendencias actuales de mejora de rendimiento. El objetivo principal de esta tesis es aprovechar el conocimiento de las aplicaciones paral·leles de que dispone el runtime system para mejorar el diseño de la jerarquía de memoria del chip. El acoplamiento del runtime system junto con el microprocesador permite realizar mejores diseños hardware sin afectar Negativamente en la programabilidad de dichos sistemas. La primera contribución de esta tesis consiste en un conjunto de políticas de inserción para las memorias caché compartidas de último nivel que aprovecha la información de las tareas y las dependencias de datos entre estas. La intuición tras esta propuesta se basa en la observación de que los hilos de ejecución paralelos muestran distintos patrones de acceso a memoria e, incluso dentro del mismo hilo, los accesos a diferentes variables a menudo siguen patrones distintos. Las políticas que se proponen insertan líneas de caché en posiciones lógicas diferentes en función de los tipos de dependencia y tarea a los que corresponde la petición de memoria. La segunda propuesta optimiza la ejecución de las reducciones, que se definen como un patrón de programación que combina datos de entrada para conseguir la variable de reducción como resultado. Esto se consigue mediante una técnica asistida por el runtime system para la realización de reducciones en la jerarquía de la caché del procesador, con el objetivo de ser una solución aplicable de forma universal sin depender del tipo de la variable de la reducción, su tamaño o el patrón de acceso. A nivel de software, el modelo de programación se extiende para que el programador especifique las variables de reducción de las tareas, así como el nivel de caché escogido para que se realice una determinada reducción. El compilador fuente a Fuente (compilador source-to-source) y el runtime ssytem se modifican para que traduzcan y pasen esta información al hardware subyacente, evitando así movimientos de datos innecesarios hacia y desde el núcleo del procesador, al realizarse la operación donde se encuentran los datos de la misma. La tercera contribución proporciona un esquema de priorización asistido por el runtime system para peticiones de memoria dentro de la jerarquía de memoria del chip. La propuesta se basa en la noción de camino crítico en el contexto de los códigos paralelos y en el hecho conocido de que acelerar tareas críticas reduce el tiempo de ejecución de la aplicación completa. En el contexto de este trabajo, la criticidad de las tareas se considera a nivel del tipo de tarea ya que permite que el programador las indique mediante anotaciones sencillas. La aceleración de las tareas críticas se consigue priorizando las correspondientes peticiones de memoria en el microprocesador.Seguint la llei de Moore, el nombre de transistors que contenen els xips ha patit un creixement exponencial, fet que ha provocat un augment de la complexitat dels processadors moderns i, per tant, de la dificultat de la programació eficient d’aquests sistemes. Per intentar solucionar-ho, s’han desenvolupat diversos models de programació; un exemple particular en són els models basats en tasques, que fan servir anotacions senzilles per definir treballs paral·lels dins d’una aplicació. La informació que hi ha al nivell dels sistemes en temps d’execució (runtime systems) associada amb aquests models de programació ofereix un gran potencial a l’hora de millorar el disseny del maquinari. D’altra banda, les limitacions tecnològiques fan que la llei de Moore pugui deixar de complir-se properament, per la qual cosa calen nous paradigmes per mantenir les tendències actuals en la millora de rendiment. L’objectiu principal d’aquesta tesi és aprofitar els coneixements que el runtime System té d’una aplicació paral·lela per millorar el disseny de la jerarquia de memòria dins el xip. L’acoblament del runtime system i el microprocessador permet millorar el disseny del maquinari sense malmetre la programabilitat d’aquests sistemes. La primera contribució d’aquesta tesi consisteix en un conjunt de polítiques d’inserció a les memòries cau (cache memories) compartides d’últim nivell que aprofita informació sobre tasques i les dependències de dades entre aquestes. La intuïció que hi ha al darrere d’aquesta proposta es basa en el fet que els fils d’execució paral·lels mostren diferents patrons d’accés a la memòria; fins i tot dins el mateix fil, els accessos a variables diferents sovint segueixen patrons diferents. Les polítiques que s’hi proposen insereixen línies de la memòria cau a diferents ubicacions lògiques en funció dels tipus de dependència i de tasca als quals correspon la petició de memòria. La segona proposta optimitza l’execució de les reduccions, que es defineixen com un patró de programació que combina dades d’entrada per aconseguir la variable de reducció com a resultat. Això s’aconsegueix mitjançant una tècnica assistida pel runtime system per dur a terme reduccions en la jerarquia de la memòria cau del processador, amb l’objectiu que la proposta sigui aplicable de manera universal, sense dependre del tipus de la variable a la qual es realitza la reducció, la seva mida o el patró d’accés. A nivell de programari, es realitza una extensió del model de programació per facilitar que el programador especifiqui les variables de les reduccions que usaran les tasques, així com el nivell de memòria cau desitjat on s’hauria de realitzar una certa reducció. El compilador font a font (compilador source-to-source) i el runtime system s’amplien per traduir i passar aquesta informació al maquinari subjacent. A nivell de maquinari, les memòries cau privades i compartides s’equipen amb unitats funcionals i la lògica corresponent per poder dur a terme les reduccions a la pròpia memòria cau, evitant així moviments de dades innecessaris entre el nucli del processador i la jerarquia de memòria. La tercera contribució proporciona un esquema de priorització assistit pel runtime System per peticions de memòria dins de la jerarquia de memòria del xip. La proposta es basa en la noció de camí crític en el context dels codis paral·lels i en el fet conegut que l’acceleració de les tasques que formen part del camí crític redueix el temps d’execució de l’aplicació sencera. En el context d’aquest treball, la criticitat de les tasques s’observa al nivell del seu tipus ja que permet que el programador les indiqui mitjançant anotacions senzilles. L’acceleració de les tasques crítiques s’aconsegueix prioritzant les corresponents peticions de memòria dins el microprocessador

Cache-conscious Splitting of MapReduce Tasks and its Application to Stencil Computations

Modern cluster systems are typically composed by nodes with multiple processing units and memory hierarchies comprising multiple cache levels of various sizes. To leverage the full potential of these architectures it is necessary to explore concepts such as parallel programming and the layout of data onto the memory hierarchy. However, the inherent complexity of these concepts and the heterogeneity of the target architectures raises several challenges at application development and performance portability levels, respectively. In what concerns parallel programming, several model and frameworks are available, of which MapReduce [16] is one of the most popular. It was developed at Google [16] for the parallel and distributed processing of large amounts of data in large clusters of commodity machines. Although being very powerful tools, the reference MapReduce frameworks, such as Hadoop and Spark, do not leverage the characteristics of the underlying memory hierarchy. This shortcoming is particularly noticeable in computations that benefit from temporal locality, such as stencil computations. In this context, the goal of this thesis is to improve the performance of MapReduce computations that benefit from temporal locality. To that end we optimize the mapping of MapReduce computations in a machine’s cache memory hierarchy by applying cacheaware tiling techniques. We prototyped our solution on top of the framework Hadoop MapReduce, incorporating a cache-awareness in the splitting stage. To validate our solution and assess its benefits, we developed an API for expressing stencil computations on top the developed framework. The experimental results show that, for a typical stencil computation, our solution delivers an average speed-up of 1.77 while reaching a peek speed-up of 3.2. These findings allows us to conclude that cacheaware decomposition of MapReduce computations considerably boosts the execution of this class of MapReduce computations

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

The 1992 4th NASA SERC Symposium on VLSI Design

Papers from the fourth annual NASA Symposium on VLSI Design, co-sponsored by the IEEE, are presented. Each year this symposium is organized by the NASA Space Engineering Research Center (SERC) at the University of Idaho and is held in conjunction with a quarterly meeting of the NASA Data System Technology Working Group (DSTWG). One task of the DSTWG is to develop new electronic technologies that will meet next generation electronic data system needs. The symposium provides insights into developments in VLSI and digital systems which can be used to increase data systems performance. The NASA SERC is proud to offer, at its fourth symposium on VLSI design, presentations by an outstanding set of individuals from national laboratories, the electronics industry, and universities. These speakers share insights into next generation advances that will serve as a basis for future VLSI design