Characterization of interconnection networks in CMPs using full-system simulation

Los computadores más recientes incluyen complejos chips compuestos de varios procesadores y una cantidad significativa de memoria cache. La tendencia actual consiste en conectar varios nodos, cada uno de ellos con un procesador y uno o más niveles de cache privada y/o compartida, utilizando una red de interconexión. La importancia de esta red está aumentando a medida que crece el número de nodos que se integran en un chip, ya que pueden aparecer cuellos de botella en la comunicación que reduzcan las prestaciones. Además, la red contribuye en gran medida al consumo de energía y área del chip. En este proyecto, comparamos el comportamiento de tres topologías: el anillo bidireccional, la malla y el toro. El anillo es una topología mínima con bajo coste en energía pero peor rendimiento debido a la mayor latencia de comunicación entre nodos. Por otro lado, el toro tiene mayor número de enlaces entre nodos y ofrece mejores prestaciones. La malla ha sido incluida como una opción intermedia altamente popular. Analizaremos también dos topologías de anillo adicionales que aprovechan la reducida área y complejidad del mismo: una con mayor ancho de banda y otra con routers de menor número de ciclos. Modelamos cuidadosamente todos los componentes del sistema (procesadores, jerarquía de memoria y red de interconexión) utilizando simulación de sistema completo. Ejecutamos aplicaciones reales en arquitecturas con 16 y 64 nodos, incluyendo tanto cargas paralelas como multiprogramadas (ejecución de varias aplicaciones independientes). Demostramos que la topología de la red afecta en gran medida al rendimiento en sistemas con 64 nodos. Con las topologías de anillo, los tiempos de ejecución son mucho mayores debido al aumento del número de saltos que le cuesta a un mensaje atravesar la red. El toro es la topología que ofrece mejor rendimiento, pero la elección más óptima sería la malla si tenemos en cuenta también energía y área. Por otro lado, para chips con 16 nodos, las diferencias en rendimiento son menores y un anillo con routers de 3 cyclos ofrece un tiempo de ejecución aceptable con el menor coste en área y energía. Nuestra aportación más significativa está relacionada con la distribución del tráfico en la red. Vemos que el tráfico no está distribuido uniformemente y que los nodos con mayores tasas de inyección varían con la aplicación. Hasta donde nosotros sabemos, no hay ningún trabajo de investigación previo que destaque este comportamiento

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

Global Congestion and Fault Aware Wireless Interconnection Framework for Multicore Systems

Multicore processors are getting more common in the implementation of all type of computing demands, starting from personal computers to the large server farms for high computational demanding applications. The network-on-chip provides a better alternative to the traditional bus based communication infrastructure for this multicore system. Conventional wire-based NoC interconnect faces constraints due to their long multi-hop latency and high power consumption. Furthermore high traffic generating applications sometimes creates congestion in such system further degrading the systems performance. In this thesis work, a novel two-state congestion aware wireless interconnection framework for network chip is presented. This WiNoC system was designed to able to dynamically redirect traffic to avoid congestion based on network condition information shared among all the core tiles in the system. Hence a novel routing scheme and a two-state MAC protocol is proposed based on a proposed two layer hybrid mesh-based NoC architecture. The underlying mesh network is connected via wired-based interconnect and on top of that a shared wireless interconnect framework is added for single-hop communication. The routing scheme is non-deterministic in nature and utilizes the principles from existing dynamic routing algorithms. The MAC protocol for the wireless interface works in two modes. The first is data mode where a token-based protocol is utilized to transfer core data. And the second mode is the control mode where a broadcast-based communication protocol is used to share the network congestion information. The work details the switching methodology between these two modes and also explain, how the routing scheme utilizes the congestion information (gathered during the control mode) to route data packets during normal operation mode. The proposed work was modeled in a cycle accurate network simulator and its performance were evaluated against traditional NoC and WiNoC designs

Constructing virtual 5-dimensional tori out of lower-dimensional network cards

[EN] In the Top500 and Graph500 lists of the last years, some of the most powerful systems implement a torus topology to interconnect themillions of computing nodes they include. Some of these torus networks are of five or six dimensions, which implies an additional difficulty as the node degree increases. In previous works, we proposed and evaluated the nD Twin (nDT) torus topology to virtually increase the dimensions a torus is able to implement. We showed that this new topology reduces the distances between nodes, increasing, therefore, global network performance. In this work, we present how to build a 5DT torus network using a specific commercial 6-port network card (EXTOLL card) to interconnect those nodes. We show, using the same number of cards, that the performance of the 5DT torus network we are able to implement using our proposal is higher than the performance of the 3D torus network for the same number of compute nodes.Spanish MINECO; European Commission, Grant/Award Number: TIN2015-66972-C5-1-R and TIN2015-66972-C5-2-R; JCCM, Grant/Award Number: PEII-2014-028-P; Spanish MICINN, Grant/Award Number: FJCI-2015-26080Andújar-Muñoz, FJ.; Villar, JA.; Sanchez Garcia, JL.; Alfaro Cortes, FJ.; Duato Marín, JF.; Fröning, H. (2017). Constructing virtual 5-dimensional tori out of lower-dimensional network cards. Concurrency and Computation Practice and Experience. 1-17. https://doi.org/10.1002/cpe.4361S11

Simulation Of Multi-core Systems And Interconnections And Evaluation Of Fat-Mesh Networks

Simulators are very important in computer architecture research as they enable the exploration of new architectures to obtain detailed performance evaluation without building costly physical hardware. Simulation is even more critical to study future many-core architectures as it provides the opportunity to assess currently non-existing computer systems. In this thesis, a multiprocessor simulator is presented based on a cycle accurate architecture simulator called SESC. The shared L2 cache system is extended into a distributed shared cache (DSC) with a directory-based cache coherency protocol. A mesh network module is extended and integrated into SESC to replace the bus for scalable inter-processor communication. While these efforts complete an extended multiprocessor simulation infrastructure, two interconnection enhancements are proposed and evaluated. A novel non-uniform fat-mesh network structure similar to the idea of fat-tree is proposed. This non-uniform mesh network takes advantage of the average traffic pattern, typically all-to-all in DSC, to dedicate additional links for connections with heavy traffic (e.g., near the center) and fewer links for lighter traffic (e.g., near the periphery). Two fat-mesh schemes are implemented based on different routing algorithms. Analytical fat-mesh models are constructed by presenting the expressions for the traffic requirements of personalized all-to-all traffic. Performance improvements over the uniform mesh are demonstrated in the results from the simulator. A hybrid network consisting of one packet switching plane and multiple circuit switching planes is constructed as the second enhancement. The circuit switching planes provide fast paths between neighbors with heavy communication traffic. A compiler technique that abstracts the symbolic expressions of benchmarks' communication patterns can be used to help facilitate the circuit establishment

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

Submicron Systems Architecture Project: Semiannual Technial Report

No abstract available