A fault-tolerant last level cache for CMPs operating at ultra-low voltage

Voltage scaling to values near the threshold voltage is a promising technique to hold off the many-core power wall. However, as voltage decreases, some SRAM cells are unable to operate reliably and show a behavior consistent with a hard fault. Block disabling is a micro-architectural technique that allows low-voltage operation by deactivating faulty cache entries, at the expense of reducing the effective cache capacity. In the case of the last-level cache, this capacity reduction leads to an increase in off-chip memory accesses, diminishing the overall energy benefit of reducing the voltage supply. In this work, we exploit the reuse locality and the intrinsic redundancy of multi-level inclusive hierarchies to enhance the performance of block disabling with negligible cost. The proposed fault-aware last-level cache management policy maps critical blocks, those not present in private caches and with a higher probability of being reused, to active cache entries. Our evaluation shows that this fault-aware management results in up to 37.3% and 54.2% fewer misses per kilo instruction (MPKI) than block disabling for multiprogrammed and parallel workloads, respectively. This translates to performance enhancements of up to 13% and 34.6% for multiprogrammed and parallel workloads, respectively.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Cost Effective Routing Implementations for On-chip Networks

Arquitecturas de múltiples núcleos como multiprocesadores (CMP) y soluciones multiprocesador para sistemas dentro del chip (MPSoCs) actuales se basan en la eficacia de las redes dentro del chip (NoC) para la comunicación entre los diversos núcleos. Un diseño eficiente de red dentro del chip debe ser escalable y al mismo tiempo obtener valores ajustados de área, latencia y consumo de energía. Para diseños de red dentro del chip de propósito general se suele usar topologías de malla 2D ya que se ajustan a la distribución del chip. Sin embargo, la aparición de nuevos retos debe ser abordada por los diseñadores. Una mayor probabilidad de defectos de fabricación, la necesidad de un uso optimizado de los recursos para aumentar el paralelismo a nivel de aplicación o la necesidad de técnicas eficaces de ahorro de energía, puede ocasionar patrones de irregularidad en las topologías. Además, el soporte para comunicación colectiva es una característica buscada para abordar con eficacia las necesidades de comunicación de los protocolos de coherencia de caché. En estas condiciones, un encaminamiento eficiente de los mensajes se convierte en un reto a superar. El objetivo de esta tesis es establecer las bases de una nueva arquitectura para encaminamiento distribuido basado en lógica que es capaz de adaptarse a cualquier topología irregular derivada de una estructura de malla 2D, proporcionando así una cobertura total para cualquier caso resultado de soportar los retos mencionados anteriormente. Para conseguirlo, en primer lugar, se parte desde una base, para luego analizar una evolución de varios mecanismos, y finalmente llegar a una implementación, que abarca varios módulos para alcanzar el objetivo mencionado anteriormente. De hecho, esta última implementación tiene por nombre eLBDR (effective Logic-Based Distributed Routing). Este trabajo cubre desde el primer mecanismo, LBDR, hasta el resto de mecanismos que han surgido progresivamente.Rodrigo Mocholí, S. (2010). Cost Effective Routing Implementations for On-chip Networks [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/8962Palanci

Addressing Manufacturing Challenges in NoC-based ULSI Designs

Hernández Luz, C. (2012). Addressing Manufacturing Challenges in NoC-based ULSI Designs [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/1669

Parallel and Distributed Computing

The 14 chapters presented in this book cover a wide variety of representative works ranging from hardware design to application development. Particularly, the topics that are addressed are programmable and reconfigurable devices and systems, dependability of GPUs (General Purpose Units), network topologies, cache coherence protocols, resource allocation, scheduling algorithms, peertopeer networks, largescale network simulation, and parallel routines and algorithms. In this way, the articles included in this book constitute an excellent reference for engineers and researchers who have particular interests in each of these topics in parallel and distributed computing

Exploiting Natural On-chip Redundancy for Energy Efficient Memory and Computing

Power density is currently the primary design constraint across most computing segments and the main performance limiting factor. For years, industry has kept power density constant, while increasing frequency, lowering transistors supply (Vdd) and threshold (Vth) voltages. However, Vth scaling has stopped because leakage current is exponentially related to it. Transistor count and integration density keep doubling every process generation (Moore’s Law), but the power budget caps the amount of hardware that can be active at the same time, leading to dark silicon. With each new generation, there are more resources available, but we cannot fully exploit their performance potential. In the last years, different research trends have explored how to cope with dark silicon and unlock the energy efficiency of the chips, including Near-Threshold voltage Computing (NTC) and approximate computing. NTC aggressively lowers Vdd to values near Vth. This allows a substantial reduction in power, as dynamic power scales quadratically with supply voltage. The resultant power reduction could be used to activate more chip resources and potentially achieve performance improvements. Unfortunately, Vdd scaling is limited by the tight functionality margins of on-chip SRAM transistors. When scaling Vdd down to values near-threshold, manufacture-induced parameter variations affect the functionality of SRAM cells, which eventually become not reliable. A large amount of emerging applications, on the other hand, features an intrinsic error-resilience property, tolerating a certain amount of noise. In this context, approximate computing takes advantage of this observation and exploits the gap between the level of accuracy required by the application and the level of accuracy given by the computation, providing that reducing the accuracy translates into an energy gain. However, deciding which instructions and data and which techniques are best suited for approximation still poses a major challenge. This dissertation contributes in these two directions. First, it proposes a new approach to mitigate the impact of SRAM failures due to parameter variation for effective operation at ultra-low voltages. We identify two levels of natural on-chip redundancy: cache level and content level. The first arises because of the replication of blocks in multi-level cache hierarchies. We exploit this redundancy with a cache management policy that allocates blocks to entries taking into account the nature of the cache entry and the use pattern of the block. This policy obtains performance improvements between 2% and 34%, with respect to block disabling, a technique with similar complexity, incurring no additional storage overhead. The latter (content level redundancy) arises because of the redundancy of data in real world applications. We exploit this redundancy compressing cache blocks to fit them in partially functional cache entries. At the cost of a slight overhead increase, we can obtain performance within 2% of that obtained when the cache is built with fault-free cells, even if more than 90% of the cache entries have at least a faulty cell. Then, we analyze how the intrinsic noise tolerance of emerging applications can be exploited to design an approximate Instruction Set Architecture (ISA). Exploiting the ISA redundancy, we explore a set of techniques to approximate the execution of instructions across a set of emerging applications, pointing out the potential of reducing the complexity of the ISA, and the trade-offs of the approach. In a proof-of-concept implementation, the ISA is shrunk in two dimensions: Breadth (i.e., simplifying instructions) and Depth (i.e., dropping instructions). This proof-of-concept shows that energy can be reduced on average 20.6% at around 14.9% accuracy loss

Fault- and Yield-Aware On-Chip Memory Design and Management

Ever decreasing device size causes more frequent hard faults, which becomes a serious burden to processor design and yield management. This problem is particularly pronounced in the on-chip memory which consumes up to 70% of a processor' s total chip area. Traditional circuit-level techniques, such as redundancy and error correction code, become less effective in error-prevalent environments because of their large area overhead. In this work, we suggest an architectural solution to building reliable on-chip memory in the future processor environment. Our approaches have two parts, a design framework and architectural techniques for on-chip memory structures. Our design framework provides important architectural evaluation metrics such as yield, area, and performance based on low level defects and process variations parameters. Processor architects can quickly evaluate their designs' characteristics in terms of yield, area, and performance. With the framework, we develop architectural yield enhancement solutions for on-chip memory structures including L1 cache, L2 cache and directory memory. Our proposed solutions greatly improve yield with negligible area and performance overhead. Furthermore, we develop a decoupled yield model of compute cores and L2 caches in CMPs, which show that there will be many more L2 caches than compute cores in a chip. We propose efficient utilization techniques for excess caches. Evaluation results show that excess caches significantly improve overall performance of CMPs

High Performance and Power Efficient On-Chip Network Designs through Multiple Injection Ports

Las redes dentro de un chip se están convirtiendo en el elemento principal de los sistemas multiprocesador. A medida que aumenta la escala de integración, más elementos de cómputo (procesadores) se incluyen en el mismo chip. Estos componentes se interconectan con una red dentro del chip que debe ofrecer latencias de transmisión ultra bajas (orden de nanosegundos) y anchos de banda elevados. El diseño, pues, de una red eficiente dentro del chip juega un papel fundamental. En la presente tesis se analizan diferentes alternativas de diseño de las redes en el chip. En particular, se hace uso de la posibilidad de utilizar diferentes puertos de inyección desde los procesadores con el fin de obtener diferentes mejoras. En primer lugar, las prestaciones aumentan al tener procesadores con distintas alternativas de inyección de tráfico. En segundo lugar, además aumenta la tolerancia a fallos frente a defectos de fabricación (mas importantes conforme avanza la tecnología). Y en tercer lugar, permite una política de apagado de componentes más agresiva que nos permita un ahorro significativo de energía. Hemos evaluado diferentes topologías derivadas del mecanismo de inyección en términos de prestaciones, coste de implementación, y ahorro de consumo. Además, hemos desarrollado simuladores específicos para las distintas técnicas utilizadas. Cada topología diseñada supone una mejora respecto a la anterior, y por supuesto, teniendo en cuenta las topologías existentes. En resumen, nuestro esfuerzo se centra en conseguir un excelente compromiso entre prestaciones, consumo y tolerancia a fallos dentro de una red en chip. Para la primera propuesta (topología NR-Mesh), se alcanzan mejoras en prestaciones de un 7\% y hasta de un 75\% en reducción de consumo de media, comparado con la malla 2D o malla de 2 dimensiones. Para la siguiente propuesta, la malla concentrada paralela (PC-Mesh), el beneficio en prestaciones que se obtiene es de hasta un 20\%, así cómo de un 60\% en reducción deCamacho Villanueva, J. (2012). High Performance and Power Efficient On-Chip Network Designs through Multiple Injection Ports [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/18235Palanci

Floorplan-Aware High Performance NoC Design

Las actuales arquitecturas de m�ltiples n�cleos como los chip multiprocesadores (CMP) y soluciones multiprocesador para sistemas dentro del chip (MPSoCs) han adoptado a las redes dentro del chip (NoC) como elemento -ptimo para la inter-conexi-n de los diversos elementos de dichos sistemas. En este sentido, fabricantes de CMPs y MPSoCs han adoptado NoCs sencillas, generalmente con una topolog'a en malla o anillo, ya que son suficientes para satisfacer las necesidades de los sistemas actuales. Sin embargo a medida que los requerimientos del sistema -- baja latencia y alto rendimiento -- se hacen m�s exigentes, estas redes tan simples dejan de ser una soluci-n real. As', la comunidad investigadora ha propuesto y analizado NoCs m�s complejas. No obstante, estas soluciones son m�s dif'ciles de implementar -- especialmente los enlaces largos -- haciendo que este tipo de topolog'as complejas sean demasiado costosas o incluso inviables. En esta tesis, presentamos una metodolog'a de dise-o que minimiza la p�rdida de prestaciones de la red debido a su implementaci-n real. Los principales problemas que se encuentran al implementar una NoC son los conmutadores y los enlaces largos. En esta tesis, el conmutador se ha hecho modular, es decir, formado como uni-n de m-dulos m�s peque-os. En nuestro caso, los m-dulos son id�nticos, donde cada m-dulo es capaz de arbitrar, conmutar, y almacenar los mensajes que le llegan. Posteriormente, flexibilizamos la colocaci-n de estos m-dulos en el chip, permitiendo que m-dulos de un mismo conmutador est�n distribuidos por el chip. Esta metodolog'a de dise-o la hemos aplicado a diferentes escenarios. Primeramente, hemos introducido nuestro conmutador modular en NoCs con topolog'as conocidas como la malla 2D. Los resultados muestran como la modularidad y la distribuci-n del conmutador reducen la latencia y el consumo de potencia de la red. En segundo lugar, hemos utilizado nuestra metodolog'a de dise-o para implementar un crossbar distribuidRoca Pérez, A. (2012). Floorplan-Aware High Performance NoC Design [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/17844Palanci