A design methodology for soft-core platforms on FPGA with SMP Linux, OpenMP support, and distributed hardware profiling system

n/

A design methodology for soft-core platforms on FPGA with SMP Linux, OpenMP support, and distributed hardware profiling system

n/

Hardware runtime management for task-based programming models

Task-based programming models allow programmers to express applications as a collection of tasks with dependences. They are simple to use and greatly improve programmability by using software runtimes to exploit task parallelism and heterogeneity over multi-core, many-core and heterogeneous platforms. In these programming models, the runtimes guarantee correct execution order by managing tasks using task-dependence graphs (TDGs). These runtimes are powerful enough to provide high performance with coarse-grained tasks although they impose overheads on the application execution to maintain all the information they need to do their work. However, as the current trend in processor architectures keeps including more cores and heterogeneity (in fact complexity) in the systems, coarse-grained parallelism is not enough to feed all the underlying resources. Instead, fine-grained tasks are preferable as they are able to expose higher parallelism in applications but the overheads introduced by the software runtimes under these conditions prevent an efficient exploitation of fine-grained parallelism. The two most critical runtime overheads are task dependence graph management and task scheduling to heterogeneous systems. We propose a hardware architecture Picos, consisting of a hardware task dependence manager including nested task support, and a heterogeneous task scheduler, to accelerate the critical runtime functions for task-based programming models. With Picos, we aim at extending the benefit of these programming models into exploiting fine-grained task parallelism and heterogeneity. As a proof-of-concept, Three prototypes of Picos have been designed in VHDL and implemented in a System-on-chip platform consisting of regular ARM SMP cores and an integrated FPGA. They also have been analyzed with real benchmarks with OmpSs running and Linux on the platform. The first prototype is a hardware task dependence manager, which has been implemented in a Xilinx Zynq 7000 series SoCs. It is connected to a 2-core ARM Cortex A9 processor, with bare-metal OS integration. With 24 simulated workers, and running real task-dependence analysis in Picos, it scales up to 21x speedup. The second prototype Picos++ extended Picos with an exciting new feature for nested task support in hardware. To the best of our knowledge, this is the first time that such a feature has been support fully in hardware task dependence managers. This prototype is fully integrated in not only hardware, but also with a State-of-the-Art parallel programming model, and with Linux. The third prototype includes both a hardware task dependence manager and a heterogeneous task scheduler. The heterogeneous task scheduler receives ready tasks from the task-dependence manager and then schedule them to hardware execution units that have the estimated earliest finish time. It is implemented in a Xilinx Zynq Ultrascale+ MPSoC chip. In a system with 4 threads and up to 15 HW accelerators, it achieves up to 16.2x speedup for real benchmarks, and saves up to 90% of energy.Los modelos de programación basados en tareas permiten a los programadores expresar las aplicaciones como una colección de tareas con dependencias entre ellas. Dichos modelos son simples de usar y mejoran enormemente la programabilidad. Para ello se valen del uso de una runtime que en tiempo de ejecución ayuda a explotar el paralelismo de las tareas cuando se ejecutan en plataformas multi-cores, many-cores y heterogéneas. En estos modelos de programación los runtimes garantizan la ejecución de las tareas en el orden correcto mediante el uso de gráficos de dependencias entre tareas (TDG). Actualmente, los runtimes son lo suficientemente potentes para proporcionar un alto rendimiento con tareas de granularidad gruesa a pesar de que para mantener toda la información que necesitan para hacer su trabajo, introducen un sobrecoste importante en la ejecución de las aplicaciones. El problema viene dado por la tendencia actual en arquitectura de computadores a seguir incluyendo más núcleos y heterogeneidad (de hecho, complejidad) en los sistemas de procesado con lo que el paralelismo de granularidad gruesa no es suficiente para alimentar todos los recursos. En estos entornos complejos las tareas de granularidad fina son preferibles ya que son capaces de exponer un mayor paralelismo de las aplicaciones. Sin embargo, con tareas de granularidad fina, los sobrecostes introducidos por los runtimes software son mayores debido a la necesidad de manejar muchas más tareas más rápido. En general los mayores sobrecostes introducidos por los runtimes son: la administración de los grafos de dependencias que relacionan las tareas y la gestión de las tareas en sistemas heterogéneos. Proponemos una arquitectura hardware, llamada Picos, que consiste en un administrador de dependencias entre tareas incluyendo soporte para tareas anidadas y planificación de tareas heterogéneas. La función principal de dicha arquitectura es acelerar las funciones críticas de los runtimes para modelos de programación basados en tareas. Con Picos, se pretende extender el beneficio de estos modelos de programación para explotar el paralelismo y la heterogeneidad ejecutando tareas de granularidad fina. Como prueba de concepto, tres prototipos de Picos han sido diseñado en VHDL e implementado en una plataforma System-on-chip que consta de varios núcleos ARM integrados junto con una FPGA, y ademas analizados con ejecuciones reales con OmpSs y con Linux. El primer prototipo es un administrador hardware de tareas con dependencias, que se ha implementado en un SoC Xilinx Zynq serie 7000. Está conectado a un procesador ARM Cortex A9 de 2 núcleos, e integrado con el SO. Con 24 núcleos simulados y realizando el análisis real de las dependencias entre tareas en Picos, obtiene hasta un 21x sobre las mismas ejecuciones usando el entorno software. El segundo prototipo, Picos++, amplió Picos incorporando el soporte para la gestión de tareas anidadas en hardware. Hasta donde llega nuestro conocimiento, esta es la primera vez que dicha característica ha sido propuesta y/o incorporada en un administrador hardware de dependencias entre tareas. El segundo prototipo está completamente integrado en el sistema, no solo en hardware, sino también con el modelo de programación paralelo y con el sistema operativo. El tercer prototipo, incluye un administrador y planificador de tareas heterogéneas. El planificador de tareas heterogéneas recibe dichas tareas listas del administrador de dependencias entre tareas y las programa en la unidad de ejecución de hardware adecuada que tenga el tiempo de finalización estimado más corto. Este prototipo se ha implementado en un chip MPSoC Xilinx Zynq Ultrascale+. En dicho sistema con cuatro núcleos ARM y hasta 15 aceleradores HW funcionales, logra una aceleración de hasta 16.2x, y ahorra hasta el 90% de la energía con respecto al software.Postprint (published version

Hardware runtime management for task-based programming models

Task-based programming models allow programmers to express applications as a collection of tasks with dependences. They are simple to use and greatly improve programmability by using software runtimes to exploit task parallelism and heterogeneity over multi-core, many-core and heterogeneous platforms. In these programming models, the runtimes guarantee correct execution order by managing tasks using task-dependence graphs (TDGs). These runtimes are powerful enough to provide high performance with coarse-grained tasks although they impose overheads on the application execution to maintain all the information they need to do their work. However, as the current trend in processor architectures keeps including more cores and heterogeneity (in fact complexity) in the systems, coarse-grained parallelism is not enough to feed all the underlying resources. Instead, fine-grained tasks are preferable as they are able to expose higher parallelism in applications but the overheads introduced by the software runtimes under these conditions prevent an efficient exploitation of fine-grained parallelism. The two most critical runtime overheads are task dependence graph management and task scheduling to heterogeneous systems. We propose a hardware architecture Picos, consisting of a hardware task dependence manager including nested task support, and a heterogeneous task scheduler, to accelerate the critical runtime functions for task-based programming models. With Picos, we aim at extending the benefit of these programming models into exploiting fine-grained task parallelism and heterogeneity. As a proof-of-concept, Three prototypes of Picos have been designed in VHDL and implemented in a System-on-chip platform consisting of regular ARM SMP cores and an integrated FPGA. They also have been analyzed with real benchmarks with OmpSs running and Linux on the platform. The first prototype is a hardware task dependence manager, which has been implemented in a Xilinx Zynq 7000 series SoCs. It is connected to a 2-core ARM Cortex A9 processor, with bare-metal OS integration. With 24 simulated workers, and running real task-dependence analysis in Picos, it scales up to 21x speedup. The second prototype Picos++ extended Picos with an exciting new feature for nested task support in hardware. To the best of our knowledge, this is the first time that such a feature has been support fully in hardware task dependence managers. This prototype is fully integrated in not only hardware, but also with a State-of-the-Art parallel programming model, and with Linux. The third prototype includes both a hardware task dependence manager and a heterogeneous task scheduler. The heterogeneous task scheduler receives ready tasks from the task-dependence manager and then schedule them to hardware execution units that have the estimated earliest finish time. It is implemented in a Xilinx Zynq Ultrascale+ MPSoC chip. In a system with 4 threads and up to 15 HW accelerators, it achieves up to 16.2x speedup for real benchmarks, and saves up to 90% of energy.Los modelos de programación basados en tareas permiten a los programadores expresar las aplicaciones como una colección de tareas con dependencias entre ellas. Dichos modelos son simples de usar y mejoran enormemente la programabilidad. Para ello se valen del uso de una runtime que en tiempo de ejecución ayuda a explotar el paralelismo de las tareas cuando se ejecutan en plataformas multi-cores, many-cores y heterogéneas. En estos modelos de programación los runtimes garantizan la ejecución de las tareas en el orden correcto mediante el uso de gráficos de dependencias entre tareas (TDG). Actualmente, los runtimes son lo suficientemente potentes para proporcionar un alto rendimiento con tareas de granularidad gruesa a pesar de que para mantener toda la información que necesitan para hacer su trabajo, introducen un sobrecoste importante en la ejecución de las aplicaciones. El problema viene dado por la tendencia actual en arquitectura de computadores a seguir incluyendo más núcleos y heterogeneidad (de hecho, complejidad) en los sistemas de procesado con lo que el paralelismo de granularidad gruesa no es suficiente para alimentar todos los recursos. En estos entornos complejos las tareas de granularidad fina son preferibles ya que son capaces de exponer un mayor paralelismo de las aplicaciones. Sin embargo, con tareas de granularidad fina, los sobrecostes introducidos por los runtimes software son mayores debido a la necesidad de manejar muchas más tareas más rápido. En general los mayores sobrecostes introducidos por los runtimes son: la administración de los grafos de dependencias que relacionan las tareas y la gestión de las tareas en sistemas heterogéneos. Proponemos una arquitectura hardware, llamada Picos, que consiste en un administrador de dependencias entre tareas incluyendo soporte para tareas anidadas y planificación de tareas heterogéneas. La función principal de dicha arquitectura es acelerar las funciones críticas de los runtimes para modelos de programación basados en tareas. Con Picos, se pretende extender el beneficio de estos modelos de programación para explotar el paralelismo y la heterogeneidad ejecutando tareas de granularidad fina. Como prueba de concepto, tres prototipos de Picos han sido diseñado en VHDL e implementado en una plataforma System-on-chip que consta de varios núcleos ARM integrados junto con una FPGA, y ademas analizados con ejecuciones reales con OmpSs y con Linux. El primer prototipo es un administrador hardware de tareas con dependencias, que se ha implementado en un SoC Xilinx Zynq serie 7000. Está conectado a un procesador ARM Cortex A9 de 2 núcleos, e integrado con el SO. Con 24 núcleos simulados y realizando el análisis real de las dependencias entre tareas en Picos, obtiene hasta un 21x sobre las mismas ejecuciones usando el entorno software. El segundo prototipo, Picos++, amplió Picos incorporando el soporte para la gestión de tareas anidadas en hardware. Hasta donde llega nuestro conocimiento, esta es la primera vez que dicha característica ha sido propuesta y/o incorporada en un administrador hardware de dependencias entre tareas. El segundo prototipo está completamente integrado en el sistema, no solo en hardware, sino también con el modelo de programación paralelo y con el sistema operativo. El tercer prototipo, incluye un administrador y planificador de tareas heterogéneas. El planificador de tareas heterogéneas recibe dichas tareas listas del administrador de dependencias entre tareas y las programa en la unidad de ejecución de hardware adecuada que tenga el tiempo de finalización estimado más corto. Este prototipo se ha implementado en un chip MPSoC Xilinx Zynq Ultrascale+. En dicho sistema con cuatro núcleos ARM y hasta 15 aceleradores HW funcionales, logra una aceleración de hasta 16.2x, y ahorra hasta el 90% de la energía con respecto al software

The hArtes Tool Chain

This chapter describes the different design steps needed to go from legacy code to a transformed application that can be efficiently mapped on the hArtes platform

Cross-Layer Rapid Prototyping and Synthesis of Application-Specific and Reconfigurable Many-accelerator Platforms

Technological advances of recent years laid the foundation consolidation of informatisationof society, impacting on economic, political, cultural and socialdimensions. At the peak of this realization, today, more and more everydaydevices are connected to the web, giving the term ”Internet of Things”. The futureholds the full connection and interaction of IT and communications systemsto the natural world, delimiting the transition to natural cyber systems and offeringmeta-services in the physical world, such as personalized medical care, autonomoustransportation, smart energy cities etc. . Outlining the necessities of this dynamicallyevolving market, computer engineers are required to implement computingplatforms that incorporate both increased systemic complexity and also cover awide range of meta-characteristics, such as the cost and design time, reliabilityand reuse, which are prescribed by a conflicting set of functional, technical andconstruction constraints. This thesis aims to address these design challenges bydeveloping methodologies and hardware/software co-design tools that enable therapid implementation and efficient synthesis of architectural solutions, which specifyoperating meta-features required by the modern market. Specifically, this thesispresents a) methodologies to accelerate the design flow for both reconfigurableand application-specific architectures, b) coarse-grain heterogeneous architecturaltemplates for processing and communication acceleration and c) efficient multiobjectivesynthesis techniques both at high abstraction level of programming andphysical silicon level.Regarding to the acceleration of the design flow, the proposed methodologyemploys virtual platforms in order to hide architectural details and drastically reducesimulation time. An extension of this framework introduces the systemicco-simulation using reconfigurable acceleration platforms as co-emulation intermediateplatforms. Thus, the development cycle of a hardware/software productis accelerated by moving from a vertical serial flow to a circular interactive loop.Moreover the simulation capabilities are enriched with efficient detection and correctiontechniques of design errors, as well as control methods of performancemetrics of the system according to the desired specifications, during all phasesof the system development. In orthogonal correlation with the aforementionedmethodological framework, a new architectural template is proposed, aiming atbridging the gap between design complexity and technological productivity usingspecialized hardware accelerators in heterogeneous systems-on-chip and networkon-chip platforms. It is presented a novel co-design methodology for the hardwareaccelerators and their respective programming software, including the tasks allocationto the available resources of the system/network. The introduced frameworkprovides implementation techniques for the accelerators, using either conventionalprogramming flows with hardware description language or abstract programmingmodel flows, using techniques from high-level synthesis. In any case, it is providedthe option of systemic measures optimization, such as the processing speed,the throughput, the reliability, the power consumption and the design silicon area.Finally, on addressing the increased complexity in design tools of reconfigurablesystems, there are proposed novel multi-objective optimization evolutionary algo-rithms which exploit the modern multicore processors and the coarse-grain natureof multithreaded programming environments (e.g. OpenMP) in order to reduce theplacement time, while by simultaneously grouping the applications based on theirintrinsic characteristics, the effectively explore the design space effectively.The efficiency of the proposed architectural templates, design tools and methodologyflows is evaluated in relation to the existing edge solutions with applicationsfrom typical computing domains, such as digital signal processing, multimedia andarithmetic complexity, as well as from systemic heterogeneous environments, suchas a computer vision system for autonomous robotic space navigation and manyacceleratorsystems for HPC and workstations/datacenters. The results strengthenthe belief of the author, that this thesis provides competitive expertise to addresscomplex modern - and projected future - design challenges.Οι τεχνολογικές εξελίξεις των τελευταίων ετών έθεσαν τα θεμέλια εδραίωσης της πληροφοριοποίησης της κοινωνίας, επιδρώντας σε οικονομικές,πολιτικές, πολιτιστικές και κοινωνικές διαστάσεις. Στο απόγειο αυτής τη ςπραγμάτωσης, σήμερα, ολοένα και περισσότερες καθημερινές συσκευές συνδέονται στο παγκόσμιο ιστό, αποδίδοντας τον όρο «Ίντερνετ των πραγμάτων».Το μέλλον επιφυλάσσει την πλήρη σύνδεση και αλληλεπίδραση των συστημάτων πληροφορικής και επικοινωνιών με τον φυσικό κόσμο, οριοθετώντας τη μετάβαση στα συστήματα φυσικού κυβερνοχώρου και προσφέροντας μεταυπηρεσίες στον φυσικό κόσμο όπως προσωποποιημένη ιατρική περίθαλψη, αυτόνομες μετακινήσεις, έξυπνες ενεργειακά πόλεις κ.α. . Σκιαγραφώντας τις ανάγκες αυτής της δυναμικά εξελισσόμενης αγοράς, οι μηχανικοί υπολογιστών καλούνται να υλοποιήσουν υπολογιστικές πλατφόρμες που αφενός ενσωματώνουν αυξημένη συστημική πολυπλοκότητα και αφετέρου καλύπτουν ένα ευρύ φάσμα μεταχαρακτηριστικών, όπως λ.χ. το κόστος σχεδιασμού, ο χρόνος σχεδιασμού, η αξιοπιστία και η επαναχρησιμοποίηση, τα οποία προδιαγράφονται από ένα αντικρουόμενο σύνολο λειτουργικών, τεχνολογικών και κατασκευαστικών περιορισμών. Η παρούσα διατριβή στοχεύει στην αντιμετώπιση των παραπάνω σχεδιαστικών προκλήσεων, μέσω της ανάπτυξης μεθοδολογιών και εργαλείων συνσχεδίασης υλικού/λογισμικού που επιτρέπουν την ταχεία υλοποίηση καθώς και την αποδοτική σύνθεση αρχιτεκτονικών λύσεων, οι οποίες προδιαγράφουν τα μετα-χαρακτηριστικά λειτουργίας που απαιτεί η σύγχρονη αγορά. Συγκεκριμένα, στα πλαίσια αυτής της διατριβής, παρουσιάζονται α) μεθοδολογίες επιτάχυνσης της ροής σχεδιασμού τόσο για επαναδιαμορφούμενες όσο και για εξειδικευμένες αρχιτεκτονικές, β) ετερογενή αδρομερή αρχιτεκτονικά πρότυπα επιτάχυνσης επεξεργασίας και επικοινωνίας και γ) αποδοτικές τεχνικές πολυκριτηριακής σύνθεσης τόσο σε υψηλό αφαιρετικό επίπεδο προγραμματισμού,όσο και σε φυσικό επίπεδο πυριτίου.Αναφορικά προς την επιτάχυνση της ροής σχεδιασμού, προτείνεται μια μεθοδολογία που χρησιμοποιεί εικονικές πλατφόρμες, οι οποίες αφαιρώντας τις αρχιτεκτονικές λεπτομέρειες καταφέρνουν να μειώσουν σημαντικά το χρόνο εξομοίωσης. Παράλληλα, εισηγείται η συστημική συν-εξομοίωση με τη χρήση επαναδιαμορφούμενων πλατφορμών, ως μέσων επιτάχυνσης. Με αυτόν τον τρόπο, ο κύκλος ανάπτυξης ενός προϊόντος υλικού, μετατεθειμένος από την κάθετη σειριακή ροή σε έναν κυκλικό αλληλεπιδραστικό βρόγχο, καθίσταται ταχύτερος, ενώ οι δυνατότητες προσομοίωσης εμπλουτίζονται με αποδοτικότερες μεθόδους εντοπισμού και διόρθωσης σχεδιαστικών σφαλμάτων, καθώς και μεθόδους ελέγχου των μετρικών απόδοσης του συστήματος σε σχέση με τις επιθυμητές προδιαγραφές, σε όλες τις φάσεις ανάπτυξης του συστήματος. Σε ορθογώνια συνάφεια με το προαναφερθέν μεθοδολογικό πλαίσιο, προτείνονται νέα αρχιτεκτονικά πρότυπα που στοχεύουν στη γεφύρωση του χάσματος μεταξύ της σχεδιαστικής πολυπλοκότητας και της τεχνολογικής παραγωγικότητας, με τη χρήση συστημάτων εξειδικευμένων επιταχυντών υλικού σε ετερογενή συστήματα-σε-ψηφίδα καθώς και δίκτυα-σε-ψηφίδα. Παρουσιάζεται κατάλληλη μεθοδολογία συν-σχεδίασης των επιταχυντών υλικού και του λογισμικού προκειμένου να αποφασισθεί η κατανομή των εργασιών στους διαθέσιμους πόρους του συστήματος/δικτύου. Το μεθοδολογικό πλαίσιο προβλέπει την υλοποίηση των επιταχυντών είτε με συμβατικές μεθόδους προγραμματισμού σε γλώσσα περιγραφής υλικού είτε με αφαιρετικό προγραμματιστικό μοντέλο με τη χρήση τεχνικών υψηλού επιπέδου σύνθεσης. Σε κάθε περίπτωση, δίδεται η δυνατότητα στο σχεδιαστή για βελτιστοποίηση συστημικών μετρικών, όπως η ταχύτητα επεξεργασίας, η ρυθμαπόδοση, η αξιοπιστία, η κατανάλωση ενέργειας και η επιφάνεια πυριτίου του σχεδιασμού. Τέλος, προκειμένου να αντιμετωπισθεί η αυξημένη πολυπλοκότητα στα σχεδιαστικά εργαλεία επαναδιαμορφούμενων συστημάτων, προτείνονται νέοι εξελικτικοί αλγόριθμοι πολυκριτηριακής βελτιστοποίησης, οι οποίοι εκμεταλλευόμενοι τους σύγχρονους πολυπύρηνους επεξεργαστές και την αδρομερή φύση των πολυνηματικών περιβαλλόντων προγραμματισμού (π.χ. OpenMP), μειώνουν το χρόνο επίλυσης του προβλήματος της τοποθέτησης των λογικών πόρων σε φυσικούς,ενώ ταυτόχρονα, ομαδοποιώντας τις εφαρμογές βάση των εγγενών χαρακτηριστικών τους, διερευνούν αποτελεσματικότερα το χώρο σχεδίασης.Η αποδοτικότητά των προτεινόμενων αρχιτεκτονικών προτύπων και μεθοδολογιών επαληθεύτηκε σε σχέση με τις υφιστάμενες λύσεις αιχμής τόσο σε αυτοτελής εφαρμογές, όπως η ψηφιακή επεξεργασία σήματος, τα πολυμέσα και τα προβλήματα αριθμητικής πολυπλοκότητας, καθώς και σε συστημικά ετερογενή περιβάλλοντα, όπως ένα σύστημα όρασης υπολογιστών για αυτόνομα διαστημικά ρομποτικά οχήματα και ένα σύστημα πολλαπλών επιταχυντών υλικού για σταθμούς εργασίας και κέντρα δεδομένων, στοχεύοντας εφαρμογές υψηλής υπολογιστικής απόδοσης (HPC). Τα αποτελέσματα ενισχύουν την πεποίθηση του γράφοντα, ότι η παρούσα διατριβή παρέχει ανταγωνιστική τεχνογνωσία για την αντιμετώπιση των πολύπλοκων σύγχρονων και προβλεπόμενα μελλοντικών σχεδιαστικών προκλήσεων

EuroEXA - D2.6: Final ported application software

This document describes the ported software of the EuroEXA applications to the single CRDB testbed and it discusses the experiences extracted from porting and optimization activities that should be actively taken into account in future redesign and optimization. This document accompanies the ported application software, found in the EuroEXA private repository (https://github.com/euroexa). In particular, this document describes the status of the software for each of the EuroEXA applications, sketches the redesign and optimization strategy for each application, discusses issues and difficulties faced during the porting activities and the relative lesson learned. A few preliminary evaluation results have been presented, however the full evaluation will be discussed in deliverable 2.8