Adaptive mesh simulations of compressible flows using stabilized formulations

This thesis investigates numerical methods that approximate the solution of compressible flow equations. The first part of the thesis is committed to studying the Variational Multi-Scale (VMS) finite element approximation of several compressible flow equations. In particular, the one-dimensional Burgers equation in the Fourier space, and the compressible Navier-Stokes equations written in both conservative and primitive variables are considered. The approximations made for the VMS formulation are extensively researched; the design of the matrix of stabilization parameters, the definition of the space where the subscales live, the inclusion of the temporal derivatives of the subscales, and the non-linear tracking of the subscales are formulated. Also, the addition of local artificial diffusion in the form of shock capturing techniques is included. The accuracy of the formulations is studied for several regimes of the compressible flow, from aeroacoustic flows at low Mach numbers to supersonic shocks. The second part of the thesis is devoted to make the solution of the smallest fluctuating scales of the compressible flow affordable. To this end, a novel algorithm for $h-$refinement of computational physics meshes in a distributed parallel setting, together with the solution of some refinement test cases in supercomputers are presented. The definition of an explicit a-posteriori error estimator that can be used in the adaptive mesh refinement simulations of compressible flows is also developed; the proposed methodology employs the variational subscales as a local error estimate that drives the mesh refinement. The numerical methods proposed in this thesis are capable to describe the high-frequency fluctuations of compressible flows, especially, the ones corresponding to complex aeroacoustic applications. Precisely, the direct simulation of the fricative [s] sound inside a realistic geometry of the human vocal tract is achieved at the end of the thesis.Esta tesis investiga métodos numéricos que aproximan la solución de las ecuaciones de flujo compresible. La primera parte de la tesis está dedicada al estudio de la aproximación numérica del flujo compresible por medio del método multiescala variacional (VMS) en elementos finitos. En particular, se consideran la ecuación de Burgers unidimensional descrita en el espacio de Fourier y las ecuaciones de Navier-Stokes de flujo compresible escritas en variables conservativas y primitivas. Las aproximaciones hechas para plantear la formulación VMS son ampliamente investigadas; el diseño de la matriz de parámetros de estabilización, la definición del espacio donde viven las subescalas, la inclusión de las derivadas temporales de las subescalas y el seguimiento no lineal de las subescalas son particularidades de la formulación que se analizan para cada una de las ecuaciones consideradas. Además, se incluye la adición de difusión artificial local en forma de técnicas de captura de choque. La precisión de las formulaciones se estudia para varios regímenes del flujo compresible, desde flujos aeroacústicos a bajos números de Mach hasta choques supersónicos. La segunda parte de la tesis está dedicada a hacer asequible la solución de las escalas fluctuantes más pequeñas del flujo compresible. Con este fin, se presenta un algoritmo novedoso para el refinamiento $h$ de las mallas de física computacional usadas en computación distribuida en paralelo. Además, se demuestra la solución en superordenadores de algunos casos de prueba del refinamiento de mallas. También se desarrolla la definición de un estimador de error explícito a posteriori que se puede usar en las simulaciones adaptativas de refinamiento de malla de flujos compresibles; la metodología propuesta emplea las subescalas variacionales como una estimación de error local que induce el refinamiento de la malla. Los métodos numéricos propuestos en esta tesis son capaces de describir las fluctuaciones de alta frecuencia de los flujos compresibles, especialmente los correspondientes a aplicaciones aeroacústicas complejas. Precisamente, la simulación directa del sonido consonántico fricativo [s] dentro de una geometría realista del tracto vocal humano se demuestra al final de la tesis

Semiannual report, 1 October 1990 - 31 March 1991

Research conducted at the Institute for Computer Applications in Science and Engineering in applied mathematics, numerical analysis, and computer science is summarized

Conjugate heat transfer coupling relying on large eddy simulation with complex geometries in massively parallel environments

Progress in scientific computing has led to major advances in simulation and understanding of the different physical phenomena that exist in industrial gas turbines. However' most of these advances have focused on solving one problem at a time. Indeed' the combustion problem is solved independently from the thermal or radiation problems' etc... In reality all these problems interact: one speaks of coupled problems. Thus performing coupled computations can improve the quality of simulations and provide gas turbines engineers with new design tools. Recently' solutions have been developed to handle multiple physics simultaneously using generic solvers. However' due to their genericity these solutions reveal to be ineffective on expensive problems such as Large Eddy Simulation (LES). Another solution is to perform code coupling: specialized codes are connected together' one for each problem and they exchange data periodically. In this thesis a conjugate heat transfer problem is considered. A fluid domain solved by a combustion LES solver is coupled with a solid domain in which the conduction problem is solved. Implementing this coupled problem raises multiple issues which are addressed in this thesis. Firstly' the specific problem of coupling an LES solver to a conduction solver is considered: the impact of the inter-solver exchange frequency on convergence' possible temporal aliasing' and stability of the coupled system is studied. Then interpolation and geometrical issues are addressed: a conservative interpolation method is developed and compared to other methods. These methods are then applied to an industrial configuration' highlighting the problems and solutions specific to complex geometry. Finally' high performance computing (HPC) is considered: an efficient method to perform data exchange and interpolation between parallel codes is developed. This work has been applied to an aeronautical combustion chamber configuration

3rd Many-core Applications Research Community (MARC) Symposium. (KIT Scientific Reports ; 7598)

This manuscript includes recent scientific work regarding the Intel Single Chip Cloud computer and describes approaches for novel approaches for programming and run-time organization

Energy Aware Runtime Systems for Elastic Stream Processing Platforms

Following an invariant growth in the required computational performance of processors, the multicore revolution started around 20 years ago. This revolution was mainly an answer to power dissipation constraints restricting the increase of clock frequency in single-core processors. The multicore revolution not only brought in the challenge of parallel programming, i.e. being able to develop software exploiting the entire capabilities of manycore architectures, but also the challenge of programming heterogeneous platforms. The question of “on which processing element to map a specific computational unit?”, is well known in the embedded community. With the introduction of general-purpose graphics processing units (GPGPUs), digital signal processors (DSPs) along with many-core processors on different system-on-chip platforms, heterogeneous parallel platforms are nowadays widespread over several domains, from consumer devices to media processing platforms for telecom operators. Finding mapping together with a suitable hardware architecture is a process called design-space exploration. This process is very challenging in heterogeneous many-core architectures, which promise to offer benefits in terms of energy efficiency. The main problem is the exponential explosion of space exploration. With the recent trend of increasing levels of heterogeneity in the chip, selecting the parameters to take into account when mapping software to hardware is still an open research topic in the embedded area. For example, the current Linux scheduler has poor performance when mapping tasks to computing elements available in hardware. The only metric considered is CPU workload, which as was shown in recent work does not match true performance demands from the applications. Doing so may produce an incorrect allocation of resources, resulting in a waste of energy. The origin of this research work comes from the observation that these approaches do not provide full support for the dynamic behavior of stream processing applications, especially if these behaviors are established only at runtime. This research will contribute to the general goal of developing energy-efficient solutions to design streaming applications on heterogeneous and parallel hardware platforms. Streaming applications are nowadays widely spread in the software domain. Their distinctive characiteristic is the retrieving of multiple streams of data and the need to process them in real time. The proposed work will develop new approaches to address the challenging problem of efficient runtime coordination of dynamic applications, focusing on energy and performance management.Efter en oföränderlig tillväxt i prestandakrav hos processorer, började den flerkärniga processor-revolutionen för ungefär 20 år sedan. Denna revolution skedde till största del som en lösning till begränsningar i energieffekten allt eftersom klockfrekvensen kontinuerligt höjdes i en-kärniga processorer. Den flerkärniga processor-revolutionen medförde inte enbart utmaningen gällande parallellprogrammering, m.a.o. förmågan att utveckla mjukvara som använder sig av alla delelement i de flerkärniga processorerna, men också utmaningen med programmering av heterogena plattformar. Frågeställningen ”på vilken processorelement skall en viss beräkning utföras?” är väl känt inom ramen för inbyggda datorsystem. Efter introduktionen av grafikprocessorer för allmänna beräkningar (GPGPU), signalprocesserings-processorer (DSP) samt flerkärniga processorer på olika system-on-chip plattformar, är heterogena parallella plattformar idag omfattande inom många domäner, från konsumtionsartiklar till mediaprocesseringsplattformar för telekommunikationsoperatörer. Processen att placera beräkningarna på en passande hårdvaruplattform kallas för utforskning av en designrymd (design-space exploration). Denna process är mycket utmanande för heterogena flerkärniga arkitekturer, och kan medföra fördelar när det gäller energieffektivitet. Det största problemet är att de olika valmöjligheterna i designrymden kan växa exponentiellt. Enligt den nuvarande trenden som förespår ökad heterogeniska aspekter i processorerna är utmaningen att hitta den mest passande placeringen av beräkningarna på hårdvaran ännu en forskningsfråga inom ramen för inbyggda datorsystem. Till exempel, den nuvarande schemaläggaren i Linux operativsystemet är inkapabel att hitta en effektiv placering av beräkningarna på den underliggande hårdvaran. Det enda mätsättet som används är processorns belastning vilket, som visats i tidigare forskning, inte motsvarar den verkliga prestandan i applikationen. Användning av detta mätsätt vid resursallokering resulterar i slöseri med energi. Denna forskning härstammar från observationerna att dessa tillvägagångssätt inte stöder det dynamiska beteendet hos ström-processeringsapplikationer (stream processing applications), speciellt om beteendena bara etableras vid körtid. Denna forskning kontribuerar till det allmänna målet att utveckla energieffektiva lösningar för ström-applikationer (streaming applications) på heterogena flerkärniga hårdvaruplattformar. Ström-applikationer är numera mycket vanliga i mjukvarudomän. Deras distinkta karaktär är inläsning av flertalet dataströmmar, och behov av att processera dem i realtid. Arbetet i denna forskning understöder utvecklingen av nya sätt för att lösa det utmanade problemet att effektivt koordinera dynamiska applikationer i realtid och fokus på energi- och prestandahantering

階層型ピア・ツー・ピアファイル検索のための負荷管理の研究

In a Peer-to-Peer (P2P) system, multiple interconnected peers or nodes contribute a portion of their resources (e.g., files, disk storage, network bandwidth) in order to inexpensively handle tasks that would normally require powerful servers. Since the emergency of P2P file sharing, load balancing has been considered as a primary concern, as well as other issues such as autonomy, fault tolerance and security. In a process of file search, a heavily loaded peer may incur a long latency or failure in query forwarding or responding. If there are many such peers in a system, it may cause link congestion or path congestion, and consequently affect the performance of overall system. To avoid such situation, some of general techniques used in Web systems such as caching and paging are adopted into P2P systems. However, it is highly insufficient for load balancing since peers often exhibit high heterogeneity and dynamicity in P2P systems. To overcome such a difficulty, the use of super-peers is currently being the most promising approach in optimizing allocation of system load to peers, i.e., it allocates more system load to high capacity and stable super-peers by assigning task of index maintenance and retrieval to them. In this thesis, we focused on two kinds of super-peer based hierarchical architectures of P2P systems, which are distinguished by the organization of super-peers. In each of them, we discussed system load allocation, and proposed novel load balancing algorithms for alleviating load imbalance of super-peers, aiming to decrease average and variation of query response time during index retrieval process. More concretely, in this thesis, our contribution to load management solutions for hierarchical P2P file search are the following: • In Qin’s hierarchical architecture, indices of files held by the user peers in the bottom layer are stored at the super-peers in the middle layer, and the correlation of those two bottom layers is controlled by the central server(s) in the top layer using the notion of tags. In Qin’s system, a heavily loaded super-peer can move excessive load to a lightly loaded super-peer by using the notion of task migration. However, such a task migration approach is not sufficient to balance the load of super-peers if the size of tasks is highly imbalanced. To overcome such an issue, in this thesis, we propose two task migration schemes for this architecture, aiming to ensure an even load distribution over the super-peers. The first scheme controls the load of each task in order to decrease the total cost of task migration. The second scheme directly balances the load over tasks by reordering the priority of tags used in the query forwarding step. The effectiveness of the proposed schemes are evaluated by simulation. The result of simulations indicates that all the schemes can work in coordinate, in alleviating the bottleneck situation of super-peers. • In DHT-based super-peer architecture, indices of files held by the user peers in the lower layer are stored at the DHT connected super-peers in the upper layer. In DHT-based super-peer systems, the skewness of user’s preference regarding keywords contained in multi-keyword query causes query load imbalance of super-peers that combines both routing and response load. Although index replication has a great potential for alleviating this problem, existing schemes did not explicitly address it or incurred high cost. To overcome such an issue, in this thesis, we propose an integrated solution that consists of three replication schemes to alleviate query load imbalance while minimizing the cost. The first scheme is an active index replication in order to decrease routing load in the super-peer layer, and distribute response load of an index among super-peers that stored the replica. The second scheme is a proactive pointer replication that places location information of an index, for reducing maintenance cost between the index and its replicas. The third scheme is a passive index replication that guarantees the maximum query load of super-peers. The result of simulations indicates that the proposed schemes can help alleviating the query load imbalance of super-peers. Moreover, by comparison it was found that our schemes are more cost-effective on placing replicas than other approaches.広島大学(Hiroshima University)博士(工学)Doctor of Engineering in Information Engineeringdoctora

The cosmological simulation code GADGET-2

We discuss the cosmological simulation code GADGET-2, a new massively parallel TreeSPH code, capable of following a collisionless fluid with the N-body method, and an ideal gas by means of smoothed particle hydrodynamics (SPH). Our implementation of SPH manifestly conserves energy and entropy in regions free of dissipation, while allowing for fully adaptive smoothing lengths. Gravitational forces are computed with a hierarchical multipole expansion, which can optionally be applied in the form of a TreePM algorithm, where only short-range forces are computed with the `tree'-method while long-range forces are determined with Fourier techniques. Time integration is based on a quasi-symplectic scheme where long-range and short-range forces can be integrated with different timesteps. Individual and adaptive short-range timesteps may also be employed. The domain decomposition used in the parallelisation algorithm is based on a space-filling curve, resulting in high flexibility and tree force errors that do not depend on the way the domains are cut. The code is efficient in terms of memory consumption and required communication bandwidth. It has been used to compute the first cosmological N-body simulation with more than 10^10 dark matter particles, reaching a homogeneous spatial dynamic range of 10^5 per dimension in a 3D box. It has also been used to carry out very large cosmological SPH simulations that account for radiative cooling and star formation, reaching total particle numbers of more than 250 million. We present the algorithms used by the code and discuss their accuracy and performance using a number of test problems. GADGET-2 is publicly released to the research community.Comment: submitted to MNRAS, 31 pages, 20 figures (reduced resolution), code available at http://www.mpa-garching.mpg.de/gadge

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

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

Chapter One – An Overview of Architecture-Level Power- and Energy-Efficient Design Techniques

Power dissipation and energy consumption became the primary design constraint for almost all computer systems in the last 15 years. Both computer architects and circuit designers intent to reduce power and energy (without a performance degradation) at all design levels, as it is currently the main obstacle to continue with further scaling according to Moore's law. The aim of this survey is to provide a comprehensive overview of power- and energy-efficient “state-of-the-art” techniques. We classify techniques by component where they apply to, which is the most natural way from a designer point of view. We further divide the techniques by the component of power/energy they optimize (static or dynamic), covering in that way complete low-power design flow at the architectural level. At the end, we conclude that only a holistic approach that assumes optimizations at all design levels can lead to significant savings.Peer ReviewedPostprint (published version