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

Energy challenges for ICT

The energy consumption from the expanding use of information and communications technology (ICT) is unsustainable with present drivers, and it will impact heavily on the future climate change. However, ICT devices have the potential to contribute signi - cantly to the reduction of CO2 emission and enhance resource e ciency in other sectors, e.g., transportation (through intelligent transportation and advanced driver assistance systems and self-driving vehicles), heating (through smart building control), and manu- facturing (through digital automation based on smart autonomous sensors). To address the energy sustainability of ICT and capture the full potential of ICT in resource e - ciency, a multidisciplinary ICT-energy community needs to be brought together cover- ing devices, microarchitectures, ultra large-scale integration (ULSI), high-performance computing (HPC), energy harvesting, energy storage, system design, embedded sys- tems, e cient electronics, static analysis, and computation. In this chapter, we introduce challenges and opportunities in this emerging eld and a common framework to strive towards energy-sustainable ICT

Thermal Aware Design Automation of the Electronic Control System for Autonomous Vehicles

The autonomous vehicle (AV) technology, due to its tremendous social and economical benefits, is transforming the entire world in the coming decades. However, significant technical challenges still need to be overcome until AVs can be safely, reliably, and massively deployed. Temperature plays a key role in the safety and reliability of an AV, not only because a vehicle is subjected to extreme operating temperatures but also because the increasing computations demand more powerful IC chips, which can lead to higher operating temperature and large thermal gradient. In particular, as the underpinning technology for AV, artificial intelligence (AI) requires substantially increased computation and memory resources, which have been growing exponentially through recent years and further exacerbated the thermal problems. High operating temperature and large thermal gradient can reduce the performance, degrade the reliability, and even cause an IC to fail catastrophically. We believe that dealing with thermal issues must be coupled closely in the design phase of the AVs’ electronic control system (ECS). To this end, first, we study how to map vehicle applications to ECS with heterogeneous architecture to satisfy peak temperature constraints and optimize latency and system-level reliability. We present a mathematical programming model to bound the peak temperature for the ECS. We also develop an approach based on the genetic algorithm to bound the peak temperature under varying execution time scenarios and optimize the system-level reliability of the ECS. We present several computationally efficient techniques for system-level mean-time-to-failure (MTTF) computation, which show several orders-of-magnitude speed-up over the state-of-the-art method. Second, we focus on studying the thermal impacts of AI techniques. Specifically, we study how the thermal impacts for the memory bit flipping can affect the prediction accuracy of a deep neural network (DNN). We develop a neuron-level analytical sensitivity estimation framework to quantify this impact and study its effectiveness with popular DNN architectures. Third, we study the problem of incorporating thermal impacts into mapping the parameters for DNN neurons to memory banks to improve prediction accuracy. Based on our developed sensitivity metric, we develop a bin-packing-based approach to map DNN neuron parameters to memory banks with different temperature profiles. We also study the problem of identifying the optimal temperature profiles for memory systems that can minimize the thermal impacts. We show that the thermal aware mapping of DNN neuron parameters on memory banks can significantly improve the prediction accuracy at a high-temperature range than the thermal ignorant for state-of-the-art DNNs

Design Space Exploration and Resource Management of Multi/Many-Core Systems

The increasing demand of processing a higher number of applications and related data on computing platforms has resulted in reliance on multi-/many-core chips as they facilitate parallel processing. However, there is a desire for these platforms to be energy-efficient and reliable, and they need to perform secure computations for the interest of the whole community. This book provides perspectives on the aforementioned aspects from leading researchers in terms of state-of-the-art contributions and upcoming trends

Machine Learning for Resource-Constrained Computing Systems

Die verfügbaren Ressourcen in Informationsverarbeitungssystemen wie Prozessoren sind in der Regel eingeschränkt. Das umfasst z. B. die elektrische Leistungsaufnahme, den Energieverbrauch, die Wärmeabgabe oder die Chipfläche. Daher ist die Optimierung der Verwaltung der verfügbaren Ressourcen von größter Bedeutung, um Ziele wie maximale Performanz zu erreichen. Insbesondere die Ressourcenverwaltung auf der Systemebene hat über die (dynamische) Zuweisung von Anwendungen zu Prozessorkernen und über die Skalierung der Spannung und Frequenz (dynamic voltage and frequency scaling, DVFS) einen großen Einfluss auf die Performanz, die elektrische Leistung und die Temperatur während der Ausführung von Anwendungen. Die wichtigsten Herausforderungen bei der Ressourcenverwaltung sind die hohe Komplexität von Anwendungen und Plattformen, unvorhergesehene (zur Entwurfszeit nicht bekannte) Anwendungen oder Plattformkonfigurationen, proaktive Optimierung und die Minimierung des Laufzeit-Overheads. Bestehende Techniken, die auf einfachen Heuristiken oder analytischen Modellen basieren, gehen diese Herausforderungen nur unzureichend an. Aus diesem Grund ist der Hauptbeitrag dieser Dissertation der Einsatz maschinellen Lernens (ML) für Ressourcenverwaltung. ML-basierte Lösungen ermöglichen die Bewältigung dieser Herausforderungen durch die Vorhersage der Auswirkungen potenzieller Entscheidungen in der Ressourcenverwaltung, durch Schätzung verborgener (unbeobachtbarer) Eigenschaften von Anwendungen oder durch direktes Lernen einer Ressourcenverwaltungs-Strategie. Diese Dissertation entwickelt mehrere neuartige ML-basierte Ressourcenverwaltung-Techniken für verschiedene Plattformen, Ziele und Randbedingungen. Zunächst wird eine auf Vorhersagen basierende Technik zur Maximierung der Performanz von Mehrkernprozessoren mit verteiltem Last-Level Cache und limitierter Maximaltemperatur vorgestellt. Diese verwendet ein neuronales Netzwerk (NN) zur Vorhersage der Auswirkungen potenzieller Migrationen von Anwendungen zwischen Prozessorkernen auf die Performanz. Diese Vorhersagen erlauben die Bestimmung der bestmöglichen Migration und ermöglichen eine proaktive Verwaltung. Das NN ist so trainiert, dass es mit unbekannten Anwendungen und verschiedenen Temperaturlimits zurechtkommt. Zweitens wird ein Boosting-Verfahren zur Maximierung der Performanz homogener Mehrkernprozessoren mit limitierter Maximaltemperatur mithilfe von DVFS vorgestellt. Dieses basiert auf einer neuartigen {Boostability}-Metrik, die die Abhängigkeiten von Performanz, elektrischer Leistung und Temperatur auf Spannungs/Frequenz-Änderungen in einer Metrik vereint. % ignorerepeated Die Abhängigkeiten von Performanz und elektrischer Leistung hängen von der Anwendung ab und können zur Laufzeit nicht direkt beobachtet (gemessen) werden. Daher wird ein NN verwendet, um diese Werte für unbekannte Anwendungen zu schätzen und so die Komplexität der Boosting-Optimierung zu bewältigen. Drittens wird eine Technik zur Temperaturminimierung von heterogenen Mehrkernprozessoren mit Quality of Service-Zielen vorgestellt. Diese verwendet Imitationslernen, um eine Migrationsstrategie von Anwendungen aus optimalen Orakel-Demonstrationen zu lernen. Dafür wird ein NN eingesetzt, um die Komplexität der Plattform und des Anwendungsverhaltens zu bewältigen. Die Inferenz des NNs wird mit Hilfe eines vorhandenen generischen Beschleunigers, einer Neural Processing Unit (NPU), beschleunigt. Auch die ML Algorithmen selbst müssen auch mit begrenzten Ressourcen ausgeführt werden. Zuletzt wird eine Technik für ressourcenorientiertes Training auf verteilten Geräten vorgestellt, um einen konstanten Trainingsdurchsatz bei sich schnell ändernder Verfügbarkeit von Rechenressourcen aufrechtzuerhalten, wie es z.~B.~aufgrund von Konflikten bei gemeinsam genutzten Ressourcen der Fall ist. Diese Technik verwendet Structured Dropout, welches beim Training zufällige Teile des NNs auslässt. Dadurch können die erforderlichen Ressourcen für das Training dynamisch angepasst werden -- mit vernachlässigbarem Overhead, aber auf Kosten einer langsameren Trainingskonvergenz. Die Pareto-optimalen Dropout-Parameter pro Schicht des NNs werden durch eine Design Space Exploration bestimmt. Evaluierungen dieser Techniken werden sowohl in Simulationen als auch auf realer Hardware durchgeführt und zeigen signifikante Verbesserungen gegenüber dem Stand der Technik, bei vernachlässigbarem Laufzeit-Overhead. Zusammenfassend zeigt diese Dissertation, dass ML eine Schlüsseltechnologie zur Optimierung der Verwaltung der limitierten Ressourcen auf Systemebene ist, indem die damit verbundenen Herausforderungen angegangen werden

Efficient power, performance and thermal aware strategies over heterogeneous platforms

This project aims the implementation of efficient resource manager strategies in a local platform which includes a server and a FPGA and a testing phase where the implementation will be deployed over a 16 server cluster with 16 FPGA each. In order to achieve optimal solutions a resource manager (SLURM) in addition to other services will be deployed as first step. This other services will conform all the necessary plugins to connect SLURM with the current local resource manager.Resource Management is a widely studied field in computer science and of utmost importance for the adequate operation of data center infrastructures. Efficient resource management policies enable to improve the energy consumption of these facilities, thus reducing operational costs. Furthermore, in High Performance Computing (HPC) environment, as is the case of the MANGO H2020 project, allow to improve performance and execution time of applications. The main objective of this project is the design, implementation and test of a resource manager able to allocate incoming applications to the different servers of the data center, while providing the necessary tools to deploy power, performance and thermal aware policies over an heterogeneous cluster. This cluster, will be composed by regular Intel based servers and FPGA based accelerators. The resource manager will work as a single entry point for all the applications involved in MANGO project. By the end of the project, we have shown how applying simple yet effective allocation policies without controlling fine grain accelerators and with and overview of the system it is possible to improve performance by 10% by lowering power and temperature and reducing the above mentioned operational costs. The resource management tool developed in this MSc thesis has been deployed in a real prototype infrastructure composed by 8 and 128 FPGAs

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

Marshall Space Flight Center Research and Technology Report 2019

Today, our calling to explore is greater than ever before, and here at Marshall Space Flight Centerwe make human deep space exploration possible. A key goal for Artemis is demonstrating and perfecting capabilities on the Moon for technologies needed for humans to get to Mars. This years report features 10 of the Agencys 16 Technology Areas, and I am proud of Marshalls role in creating solutions for so many of these daunting technical challenges. Many of these projects will lead to sustainable in-space architecture for human space exploration that will allow us to travel to the Moon, on to Mars, and beyond. Others are developing new scientific instruments capable of providing an unprecedented glimpse into our universe. NASA has led the charge in space exploration for more than six decades, and through the Artemis program we will help build on our work in low Earth orbit and pave the way to the Moon and Mars. At Marshall, we leverage the skills and interest of the international community to conduct scientific research, develop and demonstrate technology, and train international crews to operate further from Earth for longer periods of time than ever before first at the lunar surface, then on to our next giant leap, human exploration of Mars. While each project in this report seeks to advance new technology and challenge conventions, it is important to recognize the diversity of activities and people supporting our mission. This report not only showcases the Centers capabilities and our partnerships, it also highlights the progress our people have achieved in the past year. These scientists, researchers and innovators are why Marshall and NASA will continue to be a leader in innovation, exploration, and discovery for years to come

Enabling efficient graph computing with near-data processing techniques

With the emergence of data science, graph computing is becoming a crucial tool for processing big connected data. However, when mapped to modern computing systems, graph computing typically suffers from poor performance because of inefficiencies in memory subsystems. At the same time, emerging technologies, such as Hybrid Memory Cube (HMC), enable processing-in-memory (PIM) functionality, a promising technique of near-data processing (NDP), by integrating compute units in the 3D-stacked logic layer. The PIM units allows operation offloading at an instruction level, which has considerable potential to overcome the performance bottleneck of graph computing. Nevertheless, studies have not fully explored this functionality for graph workloads or identified its applications and shortcomings. The main objective of this dissertation is to enable NDP techniques for efficient graph computing. Specifically, it investigates the PIM offloading at instruction level. To achieve this goal, it presents a graph benchmark suite for understanding graph computing behaviors, and then proposes architectural techniques for PIM offloading on various host platforms. This dissertation first presents GraphBIG, a comprehensive graph benchmark suite. To cover major graph computation types and data sources, GraphBIG selects representative data representations, workloads, and datasets from 21 real-world use cases of multiple application domains. This dissertation characterized the benchmarks on real machines and observed extremely irregular memory patterns and significant diverse behaviors across various computation types. GraphBIG helps users understand the behavior of modern graph computing on hardware architectures and enables future architecture and system research for graph computing. To achieve better performance of graph computing, this dissertation proposes GraphPIM, a full-stack NDP solution for graph computing. This dissertation performs an analysis on modern graph workloads to assess the applicability of PIM offloading and presents hardware and software mechanisms to efficiently make use of the PIM functionality. Following the real-world HMC 2.0 specification, GraphPIM provides performance benefits for graph applications without any user code modification and ISA changes. In addition, GraphPIM proposes an extension to PIM operations that can further bring performance benefits for more graph applications. The evaluation results show that GraphPIM achieves up to a 2.4X speedup with a 37% reduction in energy consumption. To effectively utilize NDP systems with GPU-based host architectures that can fully utilize hundreds of gigabytes of bandwidth, this dissertation explores managing the thermal constraints of 3D-stacked memory cubes. Based on the real experiment with an HMC prototype, this study observes that the operating temperature of HMC is much higher than conventional DRAM, which can even cause thermal shutdown with a passive cooling solution. In addition, it also shows that even with a commodity-server cooling solution, HMC can fail to maintain the temperature of the memory dies within the normal operating range when in-memory processing is highly utilized, thereby resulting in higher energy consumption and performance overhead. To this end, this dissertation proposes CoolPIM, a thermal-aware source throttling mechanism that controls the intensity of PIM offloading on runtime. The proposed technique keeps the memory dies of HMC within the normal operating temperature using software-based techniques. The evaluation results show that CoolPIM achieves up to 1.4X and 1.37X speedups compared to non-offloading and naïve offloading scenarios.Ph.D