Optimization of Discrete-parameter Multiprocessor Systems using a Novel Ergodic Interpolation Technique

Modern multi-core systems have a large number of design parameters, most of which are discrete-valued, and this number is likely to keep increasing as chip complexity rises. Further, the accurate evaluation of a potential design choice is computationally expensive because it requires detailed cycle-accurate system simulation. If the discrete parameter space can be embedded into a larger continuous parameter space, then continuous space techniques can, in principle, be applied to the system optimization problem. Such continuous space techniques often scale well with the number of parameters. We propose a novel technique for embedding the discrete parameter space into an extended continuous space so that continuous space techniques can be applied to the embedded problem using cycle accurate simulation for evaluating the objective function. This embedding is implemented using simulation-based ergodic interpolation, which, unlike spatial interpolation, produces the interpolated value within a single simulation run irrespective of the number of parameters. We have implemented this interpolation scheme in a cycle-based system simulator. In a characterization study, we observe that the interpolated performance curves are continuous, piece-wise smooth, and have low statistical error. We use the ergodic interpolation-based approach to solve a large multi-core design optimization problem with 31 design parameters. Our results indicate that continuous space optimization using ergodic interpolation-based embedding can be a viable approach for large multi-core design optimization problems.Comment: A short version of this paper will be published in the proceedings of IEEE MASCOTS 2015 conferenc

Parallel Architectures for Planetary Exploration Requirements (PAPER)

The Parallel Architectures for Planetary Exploration Requirements (PAPER) project is essentially research oriented towards technology insertion issues for NASA's unmanned planetary probes. It was initiated to complement and augment the long-term efforts for space exploration with particular reference to NASA/LaRC's (NASA Langley Research Center) research needs for planetary exploration missions of the mid and late 1990s. The requirements for space missions as given in the somewhat dated Advanced Information Processing Systems (AIPS) requirements document are contrasted with the new requirements from JPL/Caltech involving sensor data capture and scene analysis. It is shown that more stringent requirements have arisen as a result of technological advancements. Two possible architectures, the AIPS Proof of Concept (POC) configuration and the MAX Fault-tolerant dataflow multiprocessor, were evaluated. The main observation was that the AIPS design is biased towards fault tolerance and may not be an ideal architecture for planetary and deep space probes due to high cost and complexity. The MAX concepts appears to be a promising candidate, except that more detailed information is required. The feasibility for adding neural computation capability to this architecture needs to be studied. Key impact issues for architectural design of computing systems meant for planetary missions were also identified

Exploring Task Mappings on Heterogeneous MPSoCs using a Bias-Elitist Genetic Algorithm

Exploration of task mappings plays a crucial role in achieving high performance in heterogeneous multi-processor system-on-chip (MPSoC) platforms. The problem of optimally mapping a set of tasks onto a set of given heterogeneous processors for maximal throughput has been known, in general, to be NP-complete. The problem is further exacerbated when multiple applications (i.e., bigger task sets) and the communication between tasks are also considered. Previous research has shown that Genetic Algorithms (GA) typically are a good choice to solve this problem when the solution space is relatively small. However, when the size of the problem space increases, classic genetic algorithms still suffer from the problem of long evolution times. To address this problem, this paper proposes a novel bias-elitist genetic algorithm that is guided by domain-specific heuristics to speed up the evolution process. Experimental results reveal that our proposed algorithm is able to handle large scale task mapping problems and produces high-quality mapping solutions in only a short time period.Comment: 9 pages, 11 figures, uses algorithm2e.st

Automatic synthesis and optimization of chip multiprocessors

The microprocessor technology has experienced an enormous growth during the last decades. Rapid downscale of the CMOS technology has led to higher operating frequencies and performance densities, facing the fundamental issue of power dissipation. Chip Multiprocessors (CMPs) have become the latest paradigm to improve the power-performance efficiency of computing systems by exploiting the parallelism inherent in applications. Industrial and prototype implementations have already demonstrated the benefits achieved by CMPs with hundreds of cores.CMP architects are challenged to take many complex design decisions. Only a few of them are:- What should be the ratio between the core and cache areas on a chip?- Which core architectures to select?- How many cache levels should the memory subsystem have?- Which interconnect topologies provide efficient on-chip communication?These and many other aspects create a complex multidimensional space for architectural exploration. Design Automation tools become essential to make the architectural exploration feasible under the hard time-to-market constraints. The exploration methods have to be efficient and scalable to handle future generation on-chip architectures with hundreds or thousands of cores.Furthermore, once a CMP has been fabricated, the need for efficient deployment of the many-core processor arises. Intelligent techniques for task mapping and scheduling onto CMPs are necessary to guarantee the full usage of the benefits brought by the many-core technology. These techniques have to consider the peculiarities of the modern architectures, such as availability of enhanced power saving techniques and presence of complex memory hierarchies.This thesis has several objectives. The first objective is to elaborate the methods for efficient analytical modeling and architectural design space exploration of CMPs. The efficiency is achieved by using analytical models instead of simulation, and replacing the exhaustive exploration with an intelligent search strategy. Additionally, these methods incorporate high-level models for physical planning. The related contributions are described in Chapters 3, 4 and 5 of the document.The second objective of this work is to propose a scalable task mapping algorithm onto general-purpose CMPs with power management techniques, for efficient deployment of many-core systems. This contribution is explained in Chapter 6 of this document.Finally, the third objective of this thesis is to address the issues of the on-chip interconnect design and exploration, by developing a model for simultaneous topology customization and deadlock-free routing in Networks-on-Chip. The developed methodology can be applied to various classes of the on-chip systems, ranging from general-purpose chip multiprocessors to application-specific solutions. Chapter 7 describes the proposed model.The presented methods have been thoroughly tested experimentally and the results are described in this dissertation. At the end of the document several possible directions for the future research are proposed

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

Méthodologies de conception ASIC pour des systèmes sur puce 3D hétérogènes à base de réseaux sur puce 3D

Dans cette thèse, nous étudions les architectures 3D NoC grâce à des implémentations de conception physiques en utilisant la technologie 3D réel mis en oeuvre dans l'industrie. Sur la base des listes d'interconnexions en déroute, nous procédons à l'analyse des performances d'évaluer le bénéfice de l'architecture 3D par rapport à sa mise en oeuvre 2D. Sur la base du flot de conception 3D proposé en se concentrant sur la vérification temporelle tirant parti de l'avantage du retard négligeable de la structure de microbilles pour les connexions verticales, nous avons mené techniques de partitionnement de NoC 3D basé sur l'architecture MPSoC y compris empilement homogène et hétérogène en utilisant Tezzaron 3D IC technlogy. Conception et mise en oeuvre de compromis dans les deux méthodes de partitionnement est étudiée pour avoir un meilleur aperçu sur l'architecture 3D de sorte qu'il peut être exploitée pour des performances optimales. En utilisant l'approche 3D homogène empilage, NoC topologies est explorée afin d'identifier la meilleure topologie entre la topologie 2D et 3D pour la mise en œuvre MPSoC 3D sous l'hypothèse que les chemins critiques est fondée sur les liens inter-routeur. Les explorations architecturales ont également examiné les différentes technologies de traitement. mettant en évidence l'effet de la technologie des procédés à la performance d'architecture 3D en particulier pour l'interconnexion dominant du design. En outre, nous avons effectué hétérogène 3D d'empilage pour la mise en oeuvre MPSoC avec l'approche GALS de style et présenté plusieurs analyses de conception physiques connexes concernant la conception 3D et la mise en œuvre MPSoC utilisant des outils de CAO 2D. Une analyse plus approfondie de l'effet microbilles pas à la performance de l'architecture 3D à l'aide face-à-face d'empilement est également signalé l'identification des problèmes et des limitations à prendre en considération pendant le processus de conception.In this thesis, we study the exploration 3D NoC architectures through physical design implementations using real 3D technology used in the industry. Based on the proposed 3D design flow focusing on timing verification by leveraging the benefit of negligible delay of microbumps structure for vertical connections, we have conducted partitioning techniques for 3D NoC-based MPSoC architecture including homogeneous and heterogeneous stacking using Tezzaron 3D IC technlogy. Design and implementation trade-off in both partitioning methods is investigated to have better insight about 3D architecture so that it can be exploited for optimal performance. Using homogeneous 3D stacking approach, NoC architectures are explored to identify the best topology between 2D and 3D topology for 3D MPSoC implementation. The architectural explorations have also considered different process technologies highlighting the wire delay effect to the 3D architecture performance especially for interconnect-dominated design. Additionally, we performed heterogeneous 3D stacking of NoC-based MPSoC implementation with GALS style approach and presented several physical designs related analyses regarding 3D MPSoC design and implementation using 2D EDA tools. Finally we conducted an exploration of 2D EDA tool on different 3D architecture to evaluate the impact of 2D EDA tools on the 3D architecture performance. Since there is no commercialize 3D design tool until now, the experiment is important on the basis that designing 3D architecture using 2D EDA tools does not have a strong and direct impact to the 3D architecture performance mainly because the tools is dedicated for 2D architecture design.SAVOIE-SCD - Bib.électronique (730659901) / SudocGRENOBLE1/INP-Bib.électronique (384210012) / SudocGRENOBLE2/3-Bib.électronique (384219901) / SudocSudocFranceF