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

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

Contention-Aware Scheduling for SMT Multicore Processors

The recent multicore era and the incoming manycore/manythread era generate a lot of challenges for computer scientists going from productive parallel programming, over network congestion avoidance and intelligent power management, to circuit design issues. The ultimate goal is to squeeze out as much performance as possible while limiting power and energy consumption and guaranteeing a reliable execution. The increasing number of hardware contexts of current and future systems makes the scheduler an important component to achieve this goal, as there is often a combinatorial amount of different ways to schedule the distinct threads or applications, each with a different performance due to the inter-application interference. Picking an optimal schedule can result in substantial performance gains. This thesis deals with inter-application interference, covering the problems this fact causes on performance and fairness on actual machines. The study starts with single-threaded multicore processors (Intel Xeon X3320), follows with simultaneous multithreading (SMT) multicores supporting up to two threads per core (Intel Xeon E5645), and goes to the most highly threaded per-core processor that has ever been built (IBM POWER8). The dissertation analyzes the main contention points of each experimental platform and proposes scheduling algorithms that tackle the interference arising at each contention point to improve the system throughput and fairness. First we analyze contention through the memory hierarchy of current multicore processors. The performed studies reveal high performance degradation due to contention on main memory and any shared cache the processors implement. To mitigate such contention, we propose different bandwidth-aware scheduling algorithms with the key idea of balancing the memory accesses through the workload execution time and the cache requests among the different caches at each cache level. The high interference that different applications suffer when running simultaneously on the same SMT core, however, does not only affect performance, but can also compromise system fairness. In this dissertation, we also analyze fairness in current SMT multicores. To improve system fairness, we design progress-aware scheduling algorithms that estimate, at runtime, how the processes progress, which allows to improve system fairness by prioritizing the processes with lower accumulated progress. Finally, this dissertation tackles inter-application contention in the IBM POWER8 system with a symbiotic scheduler that addresses overall SMT interference. The symbiotic scheduler uses an SMT interference model, based on CPI stacks, that estimates the slowdown of any combination of applications if they are scheduled on the same SMT core. The number of possible schedules, however, grows too fast with the number of applications and makes unfeasible to explore all possible combinations. To overcome this issue, the symbiotic scheduler models the scheduling problem as a graph problem, which allows finding the optimal schedule in reasonable time. In summary, this thesis addresses contention in the shared resources of the memory hierarchy and SMT cores of multicore processors. We identify the main contention points of three systems with different architectures and propose scheduling algorithms to tackle contention at these points. The evaluation on the real systems shows the benefits of the proposed algorithms. The symbiotic scheduler improves system throughput by 6.7\% over Linux. Regarding fairness, the proposed progress-aware scheduler reduces Linux unfairness to a third. Besides, since the proposed algorithm are completely software-based, they could be incorporated as scheduling policies in Linux and used in small-scale servers to achieve the mentioned benefits.La actual era multinúcleo y la futura era manycore/manythread generan grandes retos en el área de la computación incluyendo, entre otros, la programación paralela productiva o la gestión eficiente de la energía. El último objetivo es alcanzar las mayores prestaciones limitando el consumo energético y garantizando una ejecución confiable. El incremento del número de contextos hardware de los sistemas hace que el planificador se convierta en un componente importante para lograr este objetivo debido a que existen múltiples formas diferentes de planificar las aplicaciones, cada una con distintas prestaciones debido a las interferencias que se producen entre las aplicaciones. Seleccionar la planificación óptima puede proporcionar importantes mejoras de prestaciones. Esta tesis se ocupa de las interferencias entre aplicaciones, cubriendo los problemas que causan en las prestaciones y equidad de los sistemas actuales. El estudio empieza con procesadores multinúcleo monohilo (Intel Xeon X3320), sigue con multinúcleos con soporte para la ejecución simultanea (SMT) de dos hilos (Intel Xeon E5645), y llega al procesador que actualmente soporta un mayor número de hilos por núcleo (IBM POWER8). La disertación analiza los principales puntos de contención en cada plataforma y propone algoritmos de planificación que mitigan las interferencias que se generan en cada uno de ellos para mejorar la productividad y equidad de los sistemas. En primer lugar, analizamos la contención a lo largo de la jerarquía de memoria. Los estudios realizados revelan la alta degradación de prestaciones provocada por la contención en memoria principal y en cualquier cache compartida. Para mitigar esta contención, proponemos diversos algoritmos de planificación cuya idea principal es distribuir los accesos a memoria a lo largo del tiempo de ejecución de la carga y las peticiones a las caches entre las diferentes caches compartidas en cada nivel. Las altas interferencias que sufren las aplicaciones que se ejecutan simultáneamente en un núcleo SMT, sin embargo, no solo afectan a las prestaciones, sino que también pueden comprometer la equidad del sistema. En esta tesis, también abordamos la equidad en los actuales multinúcleos SMT. Para mejorarla, diseñamos algoritmos de planificación que estiman el progreso de las aplicaciones en tiempo de ejecución, lo que permite priorizar los procesos con menor progreso acumulado para reducir la inequidad. Finalmente, la tesis se centra en la contención entre aplicaciones en el sistema IBM POWER8 con un planificador simbiótico que aborda la contención en todo el núcleo SMT. El planificador simbiótico utiliza un modelo de interferencia basado en pilas de CPI que predice las prestaciones para la ejecución de cualquier combinación de aplicaciones en un núcleo SMT. El número de posibles planificaciones, no obstante, crece muy rápido y hace inviable explorar todas las posibles combinaciones. Por ello, el problema de planificación se modela como un problema de teoría de grafos, lo que permite obtener la planificación óptima en un tiempo razonable. En resumen, esta tesis aborda la contención en los recursos compartidos en la jerarquía de memoria y el núcleo SMT de los procesadores multinúcleo. Identificamos los principales puntos de contención de tres sistemas con diferentes arquitecturas y proponemos algoritmos de planificación para mitigar esta contención. La evaluación en sistemas reales muestra las mejoras proporcionados por los algoritmos propuestos. Así, el planificador simbiótico mejora la productividad, en promedio, un 6.7% con respecto a Linux. En cuanto a la equidad, el planificador que considera el progreso consigue reducir la inequidad de Linux a una tercera parte. Además, dado que los algoritmos propuestos son completamente software, podrían incorporarse como políticas de planificación en Linux y usarse en servidores a pequeña escala para obtener los benefiL'actual era multinucli i la futura era manycore/manythread generen grans reptes en l'àrea de la computació incloent, entre d'altres, la programació paral·lela productiva o la gestió eficient de l'energia. L'últim objectiu és assolir les majors prestacions limitant el consum energètic i garantint una execució confiable. L'increment del número de contextos hardware dels sistemes fa que el planificador es convertisca en un component important per assolir aquest objectiu donat que existeixen múltiples formes distintes de planificar les aplicacions, cadascuna amb unes prestacions diferents degut a les interferències que es produeixen entre les aplicacions. Seleccionar la planificació òptima pot donar lloc a millores importants de les prestacions. Aquesta tesi s'ocupa de les interferències entre aplicacions, cobrint els problemes que provoquen en les prestacions i l'equitat dels sistemes actuals. L'estudi comença amb processadors multinucli monofil (Intel Xeon X3320), segueix amb multinuclis amb suport per a l'execució simultània (SMT) de dos fils (Intel Xeon E5645), i arriba al processador que actualment suporta un major nombre de fils per nucli (IBM POWER8). Aquesta dissertació analitza els principals punts de contenció en cada plataforma i proposa algoritmes de planificació que aborden les interferències que es generen en cadascun d'ells per a millorar la productivitat i l'equitat dels sistemes. En primer lloc, estudiem la contenció al llarg de la jerarquia de memòria en els processadors multinucli. Els estudis realitzats revelen l'alta degradació de prestacions provocada per la contenció en memòria principal i en qualsevol cache compartida. Per a mitigar la contenció, proposem diversos algoritmes de planificació amb la idea principal de distribuir els accessos a memòria al llarg del temps d'execució de la càrrega i les peticions a les caches entre les diferents caches compartides en cada nivell. Les altes interferències que sofreixen las aplicacions que s'executen simultàniament en un nucli SMT, no obstant, no sols afecten a las prestacions, sinó que també poden comprometre l'equitat del sistema. En aquesta tesi, també abordem l'equitat en els actuals multinuclis SMT. Per a millorar-la, dissenyem algoritmes de planificació que estimen el progrés de les aplicacions en temps d'execució, el que permet prioritzar els processos amb menor progrés acumulat para a reduir la inequitat. Finalment, la tesi es centra en la contenció entre aplicacions en el sistema IBM POWER8 amb un planificador simbiòtic que aborda la contenció en tot el nucli SMT. El planificador simbiòtic utilitza un model d'interferència basat en piles de CPI que prediu les prestacions per a l'execució de qualsevol combinació d'aplicacions en un nucli SMT. El nombre de possibles planificacions, no obstant, creix molt ràpid i fa inviable explorar totes les possibles combinacions. Per resoldre aquest contratemps, el problema de planificació es modela com un problema de teoria de grafs, la qual cosa permet obtenir la planificació òptima en un temps raonable. En resum, aquesta tesi aborda la contenció en els recursos compartits en la jerarquia de memòria i el nucli SMT dels processadors multinucli. Identifiquem els principals punts de contenció de tres sistemes amb diferents arquitectures i proposem algoritmes de planificació per a mitigar aquesta contenció. L'avaluació en sistemes reals mostra les millores proporcionades pels algoritmes proposats. Així, el planificador simbiòtic millora la productivitat una mitjana del 6.7% respecte a Linux. Pel que fa a l'equitat, el planificador que considera el progrés aconsegueix reduir la inequitat de Linux a una tercera part. A més, donat que els algoritmes proposats son completament software, podrien incorporar-se com a polítiques de planificació en Linux i emprar-se en servidors a petita escala per obtenir els avantatges mencionats.Feliu Pérez, J. (2017). Contention-Aware Scheduling for SMT Multicore Processors [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/79081TESISPremios Extraordinarios de tesis doctorale

PowerCool: Simulation of Cooling and Powering of 3D MPSoCs with Integrated Flow Cell Arrays

Integrated Flow-Cell Arrays (FCAs) represent a combination of integrated liquid cooling and on-chip power generation, converting chemical energy of the flowing electrolyte solutions to electrical energy. The FCA technology provides a promising way to address both heat removal and power delivery issues in 3D Multiprocessor Systems-on-Chips (MPSoCs). In this paper we motivate the benefits of FCA in 3D MPSoCs via a qualitative analysis and explore the capabilities of the proposed technology using our extended PowerCool simulator. PowerCool is a tool that performs combined compact thermal and electrochemical simulation of 3D MPSoCs with inter-tier FCA-based cooling and power generation. We validate our electrochemical model against experimental data obtained using a micro-scale FCA, and extend PowerCool with a compact thermal model (3D-ICE) and subthreshold leakage estimation. We show the sensitivity of the FCA cooling and power generation on the design-time (FCA geometry) and run-time (fluid inlet temperature, flow rate) parameters. Our results show that we can optimize the FCA to keep maximum chip temperature below 95 °C for an average chip power consumption of 50 W/cm2 while generating up to 3.6 W per cm2 of chip area

The readying of applications for heterogeneous computing

High performance computing is approaching a potentially significant change in architectural design. With pressures on the cost and sheer amount of power, additional architectural features are emerging which require a re-think to the programming models deployed over the last two decades. Today's emerging high performance computing (HPC) systems are maximising performance per unit of power consumed resulting in the constituent parts of the system to be made up of a range of different specialised building blocks, each with their own purpose. This heterogeneity is not just limited to the hardware components but also in the mechanisms that exploit the hardware components. These multiple levels of parallelism, instruction sets and memory hierarchies, result in truly heterogeneous computing in all aspects of the global system. These emerging architectural solutions will require the software to exploit tremendous amounts of on-node parallelism and indeed programming models to address this are emerging. In theory, the application developer can design new software using these models to exploit emerging low power architectures. However, in practice, real industrial scale applications last the lifetimes of many architectural generations and therefore require a migration path to these next generation supercomputing platforms. Identifying that migration path is non-trivial: With applications spanning many decades, consisting of many millions of lines of code and multiple scientific algorithms, any changes to the programming model will be extensive and invasive and may turn out to be the incorrect model for the application in question. This makes exploration of these emerging architectures and programming models using the applications themselves problematic. Additionally, the source code of many industrial applications is not available either due to commercial or security sensitivity constraints. This thesis highlights this problem by assessing current and emerging hard- ware with an industrial strength code, and demonstrating those issues described. In turn it looks at the methodology of using proxy applications in place of real industry applications, to assess their suitability on the next generation of low power HPC offerings. It shows there are significant benefits to be realised in using proxy applications, in that fundamental issues inhibiting exploration of a particular architecture are easier to identify and hence address. Evaluations of the maturity and performance portability are explored for a number of alternative programming methodologies, on a number of architectures and highlighting the broader adoption of these proxy applications, both within the authors own organisation, and across the industry as a whole

ControlPULP: A RISC-V On-Chip Parallel Power Controller for Many-Core HPC Processors with FPGA-Based Hardware-In-The-Loop Power and Thermal Emulation

High-Performance Computing (HPC) processors are nowadays integrated Cyber-Physical Systems demanding complex and high-bandwidth closed-loop power and thermal control strategies. To efficiently satisfy real-time multi-input multi-output (MIMO) optimal power requirements, high-end processors integrate an on-die power controller system (PCS). While traditional PCSs are based on a simple microcontroller (MCU)-class core, more scalable and flexible PCS architectures are required to support advanced MIMO control algorithms for managing the ever-increasing number of cores, power states, and process, voltage, and temperature variability. This paper presents ControlPULP, an open-source, HW/SW RISC-V parallel PCS platform consisting of a single-core MCU with fast interrupt handling coupled with a scalable multi-core programmable cluster accelerator and a specialized DMA engine for the parallel acceleration of real-time power management policies. ControlPULP relies on FreeRTOS to schedule a reactive power control firmware (PCF) application layer. We demonstrate ControlPULP in a power management use-case targeting a next-generation 72-core HPC processor. We first show that the multi-core cluster accelerates the PCF, achieving 4.9x speedup compared to single-core execution, enabling more advanced power management algorithms within the control hyper-period at a shallow area overhead, about 0.1% the area of a modern HPC CPU die. We then assess the PCS and PCF by designing an FPGA-based, closed-loop emulation framework that leverages the heterogeneous SoCs paradigm, achieving DVFS tracking with a mean deviation within 3% the plant's thermal design power (TDP) against a software-equivalent model-in-the-loop approach. Finally, we show that the proposed PCF compares favorably with an industry-grade control algorithm under computational-intensive workloads.Comment: 33 pages, 11 figure

Evaluation of the parallel computational capabilities of embedded platforms for critical systems

Modern critical systems need higher performance which cannot be delivered by the simple architectures used so far. Latest embedded architectures feature multi-cores and GPUs, which can be used to satisfy this need. In this thesis we parallelise relevant applications from multiple critical domains represented in the GPU4S benchmark suite, and perform a comparison of the parallel capabilities of candidate platforms for use in critical systems. In particular, we port the open source GPU4S Bench benchmarking suite in the OpenMP programming model, and we benchmark the candidate embedded heterogeneous multi-core platforms of the H2020 UP2DATE project, NVIDIA TX2, NVIDIA Xavier and Xilinx Zynq Ultrascale+, in order to drive the selection of the research platform which will be used in the next phases of the project. Our result indicate that in terms of CPU and GPU performance, the NVIDIA Xavier is the highest performing platform

Improving the efficiency of multicore systems through software and hardware cooperation

Increasing processors' clock frequency has traditionally been one of the largest drivers of performance improvements for computing systems. In the first half of the 2000s, however, it became clear that continuing to increase frequency was not a viable solution anymore. Power consumption and power density became prohibitively costly, and processor manufacturers moved to multicore designs. This new paradigm introduced multiple challenges not present in single-threaded processors. Applications running on multicore systems share different resources such as the cache hierarchy and the memory bus. Resource sharing occurs at much finer degree when cores support multithreading as well. In this case, applications share the processor¿s pipeline too. Running multiple applications on the same processor allows for better utilization of its resources¿which otherwise may just lie idle if an application does not use them. But sharing resources may create interferences between applications running on the system. While the degree of these interferences depends on the nature of the applications, it is typically desirable to reduce them in order to improve efficiency. Most currently available processors expose a set of sensors and actuators that software can use to monitor and control resource sharing among the applications running on a system. But it is typically up to end users to analyze their workloads of interest and to manually use the actuators provided by the processor. Because of this, in many cases the different mechanisms for controlling resource sharing are simply left unused. In this thesis we present different techniques that rely on software/hardware interaction to monitor and improve application interference¿and thus improve system efficiency. First we conduct a quantitative study showing the benefits of hardware/software cooperation on system efficiency. Then we narrow our focus on a given hardware knob: data prefetching. Specifically we develop and evaluate several adaptive solutions for improving the efficiency of hardware data prefetching on multicore systems. The impact of the solutions presented in this thesis, however, goes beyond the particular case of data prefetching. They serve as illustrative examples for developing software/hardware cooperation schemes that enable the efficient sharing of resources in multicore systems.L'increment de la freqüència dels processadors ha estat tradicionalment un dels majors responsables de la millora de rendiment dels sistemes de computació. Tanmateix, a la primera meitat del segle XXI es va fer evident que continuar incrementant la freqüència ja no era una solució viable. El consum de potència i la densitat de potència van esdevenir massa costosos, i els dissenyadors de processadors van adoptar dissenys "multicore". Aquest nou paradigma va introduir molts reptes que no eren presents als processadors "single-threaded". Les aplicacions que s'executen a processadors multicore comparteixen diferent recursos tal i com la jerarquia de "cache" i el bus de memòria. En processadors que suporten "multi-threading" encara comparteixen més recursos: en aquest cas les aplicacions també comparteixen els recursos del "pipeline". Executar diverses aplicacions en un processador permet una millor utilització dels seus recursos, que d'altra forma podrien no tenir cap utilitat si l'aplicació en execució no els utilitzés. Compartir recursos, però, pot crear interferències entre les aplicacions executant-se al sistema. Encara que el nivell d'aquestes interferències depèn de les aplicacions que s'executen conjuntament, normalment és desitjable reduir-les per tal de millorar la eficiència. Molts dels processadors actuals exposen un conjunt sensors i actuadors que el software pot utilitzar per supervisar i controlar la compartició de recursos entre les diferents aplicacions executant-se al sistema. En general és responsabilitat dels usuaris analitzar les aplicacions del seu interès i després configurar els actuadors de forma manual. Això suposa una dificultat afegida i per aquest motiu, en molts casos els diferents mecanismes per controlar com es comparteixen els recursos senzillament no es fan servir. En aquesta tesi, presentem diferents tècniques basades en la interacció del software i el hardware per supervisar i reduir la interferència entre aplicacions, i d'aquesta forma millorar la eficiència del sistema. Primer es presenta un estudi quantitatiu que mostra els beneficis de la cooperació entre software i hardware en la eficiència del sistema. Després el focus es centra en un actuador en concret: "data prefetching". En concret, desenvolupem i avaluem diferents solucions adaptatives per millorar la eficiència de hardware data prefetching a sistemes multicore. L'impacte de les solucions presentades a aquesta tesi, però, no es limiten a aquest cas concret. Al contrari, serveixen com exemples il·lustratius per desenvolupar tècniques de cooperació software i hardware que permetin compartir els recursos en sistemes multicore de forma eficient. La compartició de recursos en un processador és un factor crucial que afecta significativament a la seva eficiència. Però, altres nivells d'un sistema de computació també comparteixen recursos. En grans instal·lacions de computació com els "datacenters", les aplicacions també poden compartir altres recursos com la xarxa o l'emmagatzemament. Com a cas d'estudi considerem el disseny d'un sistema d'un sistema de comptabilitat d'energia basat en la cooperació entre el software i el hardware per a grans instal·lacions de computació. En aquest context, explorem diverses alternatives per als sensors i actuadors que es requereixen, així com també analitzem els diferents aspectes claus en el disseny d'un sistema d'aquestes característiques