DReAM: An approach to estimate per-Task DRAM energy in multicore systems

Accurate per-task energy estimation in multicore systems would allow performing per-task energy-aware task scheduling and energy-aware billing in data centers, among other applications. Per-task energy estimation is challenged by the interaction between tasks in shared resources, which impacts tasks’ energy consumption in uncontrolled ways. Some accurate mechanisms have been devised recently to estimate per-task energy consumed on-chip in multicores, but there is a lack of such mechanisms for DRAM memories. This article makes the case for accurate per-task DRAM energy metering in multicores, which opens new paths to energy/performance optimizations. In particular, the contributions of this article are (i) an ideal per-task energy metering model for DRAM memories; (ii) DReAM, an accurate yet low cost implementation of the ideal model (less than 5% accuracy error when 16 tasks share memory); and (iii) a comparison with standard methods (even distribution and access-count based) proving that DReAM is much more accurate than these other methods.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

HALLS: An Energy-Efficient Highly Adaptable Last Level STT-RAM Cache for Multicore Systems

Spin-Transfer Torque RAM (STT-RAM) is widely considered a promising alternative to SRAM in the memory hierarchy due to STT-RAM's non-volatility, low leakage power, high density, and fast read speed. The STT-RAM's small feature size is particularly desirable for the last-level cache (LLC), which typically consumes a large area of silicon die. However, long write latency and high write energy still remain challenges of implementing STT-RAMs in the CPU cache. An increasingly popular method for addressing this challenge involves trading off the non-volatility for reduced write speed and write energy by relaxing the STT-RAM's data retention time. However, in order to maximize energy saving potential, the cache configurations, including STT-RAM's retention time, must be dynamically adapted to executing applications' variable memory needs. In this paper, we propose a highly adaptable last level STT-RAM cache (HALLS) that allows the LLC configurations and retention time to be adapted to applications' runtime execution requirements. We also propose low-overhead runtime tuning algorithms to dynamically determine the best (lowest energy) cache configurations and retention times for executing applications. Compared to prior work, HALLS reduced the average energy consumption by 60.57% in a quad-core system, while introducing marginal latency overhead.Comment: To Appear on IEEE Transactions on Computers (TC

DReAM: Per-task DRAM energy metering in multicore systems

Interaction across applications in DRAM memory impacts its energy consumption. This paper makes the case for accurate per-task DRAM energy metering in multicores, which opens new paths to energy/performance optimizations, such as per-task energy-aware task scheduling and energy-aware billing in datacenters. In particular, the contributions of this paper are (i) an ideal per-task energy metering model for DRAM memories; (ii) DReAM, an accurate, yet low cost, implementation of the ideal model (less than 5% accuracy error when 16 tasks share memory); and (iii) a comparison with standard methods (even distribution and access-count based) proving that DReAM is more accurate than these other methods.This work has been partially supported by the Spanish Ministry of Science and Innovation under grant TIN2012-34557, the HiPEAC Network of Excellence, by the European Research Council under the European Union’s 7th FP, ERC Grant Agreement n. 321253, and by a joint study agreement between IBM and BSC (number W1361154). Qixiao Liu has also been funded by the Chinese Scholarship Council under grant 2010608015.Postprint (published version

Per-task energy metering and accounting in the multicore era

Chip multi-core processors (CMPs) are the preferred processing platform across different domains such as data centers, real-time systems and mobile devices. In all those domains, energy is arguably the most expensive resource in a computing system, in particular, with fastest growth. Therefore, measuring the energy usage draws vast attention. Current studies mostly focus on obtaining finer-granularity energy measurement, such as measuring power in smaller time intervals, distributing energy to hardware components or software components. Such studies focus on scenarios where system energy is measured under the assumption that only one program is running in the system. So far, there is no hardware-level mechanism proposed to distribute the system energy to multiple running programs in a resource sharing multi-core system in an exact way. For the first time, we have formalized the need for per-task energy measurement in multicore by establishing a two-fold concept: Per-Task Energy Metering (PTEM) and Sensible Energy Accounting (SEA). In the scenario where many tasks running in parallel in a multicore system: For each task, the target of PTEM is to provide estimate of the actual energy consumption at runtime based on its resource usage during execution; and SEA aims at providing estimates on the energy it would have consumed when running in isolation with a particular fraction of system's resources. Accurately determining the energy consumed by each task in a system will become of prominent importance in future multi-core based systems as it offers several benefits including (i) Selection of appropriate co-runners, (ii) improved energy-aware task scheduling and (iii) energy-aware billing in data centers. We have shown how these two concepts can be applied to the main components of a computing system: the processor and the memory system. At first, we have applied PTEM to the processor by means of tracking the activities and occupancy of all the resources in a per-task basis. Secondly, we have applied PTEM to the memory system by means of tracking the activities and the state switches of memory banks. Then, we have applied SEA to the processor by predicting the activities and execution time for each task when they run with an fraction of chip resources alone. And last, we apply SEA to the memory system, by means of predicting activities, execution time and the time invoking memory system for each task. As for all these works, by trading-off the hardware cost with the estimation accuracy, we have obtained the implementable and affordable cost mechanisms with high accuracy. We have also shown how these techniques can be applied in different scenarios, such as, to detect significant energy usage variations for any particular task and to develop more energy efficient scheduling policy for the multi-core system. These works in this thesis have been published into IEEE/ACM journals and conferences proceedings that can be found in the publication chapter of this thesis.Los "Chip Multi-core Processors" (CMPs) son la plataforma de procesado preferida en diferentes dominios, tales como los centros de datos, sistemas de tiempo real y dispositivos móviles. En todos estos dominios, la energía puede ser el recurso más caro en el sistema de computación, concretamente, lo rápido que está creciendo. Por lo tanto, como medir el consumo energético está ganando mucha atención. Los estudios actuales se centran mayormente en cómo obtener medidas muy detalladas (finer granularity). Por ejemplo, tomar medidas de potencia en pequeños intervalos de tiempo, usando medidores de energía hardware o software. Estos estudios se centran en escenarios donde el consumo del sistema se mide bajo la suposición de que solo un programa se está ejecutando en el sistema. Aun no hay ninguna propuesta de un mecanismo a nivel de hardware para medir el consumo entre múltiples programas ejecutándose a la vez en un sistema multi-core con recursos compartidos. Por primera vez, hemos formalizado la necesidad de medir el consumo energético por-tarea en un multi-core estableciendo un concepto dual: Per-Taks Energy Metering (PTEM) y Sensible Energy Accounting (SEA). En un escenario donde varias tareas se ejecutan en paralelo en un sistema multi-core, por cada tarea, el objetivo de PTEM es estimar el consumo real energético durante tiempo de ejecución basándose en los recursos usados durante la ejecución, y SEA trata de proveer una estimación del consumo que tendría en solitario con solo una fracción concreta de los recursos del sistema. Determinar el consumo energético con precisión para cada tarea en un sistema tomara gran importancia en el futuro de los sistemas basados en multi-cores, ya que ofrecen varias ventajas tales como: (i) determinar los co-runners apropiados, (ii) mejorar la planificación de tareas teniendo en cuenta su consumo y (iii) facturación de los servicios de los data centers basada en el consumo. Hemos mostrado como estos dos conceptos pueden aplicarse a los principales componentes de un sistema de computación: el procesador y el sistema de memoria. Para empezar, hemos aplicado PTEM al procesador para registrar la actividad y la ocupación de todos los recursos por cada tarea. Luego, hemos aplicado SEA al procesador prediciendo la actividad y tiempo de ejecución por tarea cuando se ejecutan con solo una parte de los recursos del chip. Por último, hemos aplicado SEA al sistema de memoria para predecir la activada, el tiempo ejecución y cuando el sistema de memoria es invocado por cada tarea. Con todo ello, hemos alcanzado un compromiso entre el coste del hardware y la precisión en las estimaciones para obtener mecanismos implementables con un coste aceptable y una alta precisión. Durante nuestros estudios mostramos como esas técnicas pueden ser aplicadas a diferente escenarios, tales como: detectar variaciones significativas en el consumo energético por una tarea en concreto o como desarrollar políticas de planificación energéticamente más eficientes para sistemas multi-core. Los trabajos que hemos publicado durante el desarrollo de esta tesis en los IEEE/ACM journals y en varias conferencias pueden encontrarse en el capítulo de "publicaciones" de este documentoPostprint (published version

Runtime-assisted optimizations in the on-chip memory hierarchy

Following Moore's Law, the number of transistors on chip has been increasing exponentially, which has led to the increasing complexity of modern processors. As a result, the efficient programming of such systems has become more difficult. Many programming models have been developed to answer this issue. Of particular interest are task-based programming models that employ simple annotations to define parallel work in an application. The information available at the level of the runtime systems associated with these programming models offers great potential for improving hardware design. Moreover, due to technological limitations, Moore's Law is predicted to eventually come to an end, so novel paradigms are necessary to maintain the current performance improvement trends. The main goal of this thesis is to exploit the knowledge about a parallel application available at the runtime system level to improve the design of the on-chip memory hierarchy. The coupling of the runtime system and the microprocessor enables a better hardware design without hurting the programmability. The first contribution is a set of insertion policies for shared last-level caches that exploit information about tasks and task data dependencies. The intuition behind this proposal revolves around the observation that parallel threads exhibit different memory access patterns. Even within the same thread, accesses to different variables often follow distinct patterns. The proposed policies insert cache lines into different logical positions depending on the dependency type and task type to which the corresponding memory request belongs. The second proposal optimizes the execution of reductions, defined as a programming pattern that combines input data to form the resulting reduction variable. This is achieved with a runtime-assisted technique for performing reductions in the processor's cache hierarchy. The proposal's goal is to be a universally applicable solution regardless of the reduction variable type, size and access pattern. On the software level, the programming model is extended to let a programmer specify the reduction variables for tasks, as well as the desired cache level where a certain reduction will be performed. The source-to-source compiler and the runtime system are extended to translate and forward this information to the underlying hardware. On the hardware level, private and shared caches are equipped with functional units and the accompanying logic to perform reductions at the cache level. This design avoids unnecessary data movements to the core and back as the data is operated at the place where it resides. The third contribution is a runtime-assisted prioritization scheme for memory requests inside the on-chip memory hierarchy. The proposal is based on the notion of a critical path in the context of parallel codes and a known fact that accelerating critical tasks reduces the execution time of the whole application. In the context of this work, task criticality is observed at a level of a task type as it enables simple annotation by the programmer. The acceleration of critical tasks is achieved by the prioritization of corresponding memory requests in the microprocessor.Siguiendo la ley de Moore, el número de transistores en los chips ha crecido exponencialmente, lo que ha comportado una mayor complejidad en los procesadores modernos y, como resultado, de la dificultad de la programación eficiente de estos sistemas. Se han desarrollado muchos modelos de programación para resolver este problema; un ejemplo particular son los modelos de programación basados en tareas, que emplean anotaciones sencillas para definir los Trabajos paralelos de una aplicación. La información de que disponen los sistemas en tiempo de ejecución (runtime systems) asociada con estos modelos de programación ofrece un enorme potencial para la mejora del diseño del hardware. Por otro lado, las limitaciones tecnológicas hacen que la ley de Moore pueda dejar de cumplirse próximamente, por lo que se necesitan paradigmas nuevos para mantener las tendencias actuales de mejora de rendimiento. El objetivo principal de esta tesis es aprovechar el conocimiento de las aplicaciones paral·leles de que dispone el runtime system para mejorar el diseño de la jerarquía de memoria del chip. El acoplamiento del runtime system junto con el microprocesador permite realizar mejores diseños hardware sin afectar Negativamente en la programabilidad de dichos sistemas. La primera contribución de esta tesis consiste en un conjunto de políticas de inserción para las memorias caché compartidas de último nivel que aprovecha la información de las tareas y las dependencias de datos entre estas. La intuición tras esta propuesta se basa en la observación de que los hilos de ejecución paralelos muestran distintos patrones de acceso a memoria e, incluso dentro del mismo hilo, los accesos a diferentes variables a menudo siguen patrones distintos. Las políticas que se proponen insertan líneas de caché en posiciones lógicas diferentes en función de los tipos de dependencia y tarea a los que corresponde la petición de memoria. La segunda propuesta optimiza la ejecución de las reducciones, que se definen como un patrón de programación que combina datos de entrada para conseguir la variable de reducción como resultado. Esto se consigue mediante una técnica asistida por el runtime system para la realización de reducciones en la jerarquía de la caché del procesador, con el objetivo de ser una solución aplicable de forma universal sin depender del tipo de la variable de la reducción, su tamaño o el patrón de acceso. A nivel de software, el modelo de programación se extiende para que el programador especifique las variables de reducción de las tareas, así como el nivel de caché escogido para que se realice una determinada reducción. El compilador fuente a Fuente (compilador source-to-source) y el runtime ssytem se modifican para que traduzcan y pasen esta información al hardware subyacente, evitando así movimientos de datos innecesarios hacia y desde el núcleo del procesador, al realizarse la operación donde se encuentran los datos de la misma. La tercera contribución proporciona un esquema de priorización asistido por el runtime system para peticiones de memoria dentro de la jerarquía de memoria del chip. La propuesta se basa en la noción de camino crítico en el contexto de los códigos paralelos y en el hecho conocido de que acelerar tareas críticas reduce el tiempo de ejecución de la aplicación completa. En el contexto de este trabajo, la criticidad de las tareas se considera a nivel del tipo de tarea ya que permite que el programador las indique mediante anotaciones sencillas. La aceleración de las tareas críticas se consigue priorizando las correspondientes peticiones de memoria en el microprocesador.Seguint la llei de Moore, el nombre de transistors que contenen els xips ha patit un creixement exponencial, fet que ha provocat un augment de la complexitat dels processadors moderns i, per tant, de la dificultat de la programació eficient d’aquests sistemes. Per intentar solucionar-ho, s’han desenvolupat diversos models de programació; un exemple particular en són els models basats en tasques, que fan servir anotacions senzilles per definir treballs paral·lels dins d’una aplicació. La informació que hi ha al nivell dels sistemes en temps d’execució (runtime systems) associada amb aquests models de programació ofereix un gran potencial a l’hora de millorar el disseny del maquinari. D’altra banda, les limitacions tecnològiques fan que la llei de Moore pugui deixar de complir-se properament, per la qual cosa calen nous paradigmes per mantenir les tendències actuals en la millora de rendiment. L’objectiu principal d’aquesta tesi és aprofitar els coneixements que el runtime System té d’una aplicació paral·lela per millorar el disseny de la jerarquia de memòria dins el xip. L’acoblament del runtime system i el microprocessador permet millorar el disseny del maquinari sense malmetre la programabilitat d’aquests sistemes. La primera contribució d’aquesta tesi consisteix en un conjunt de polítiques d’inserció a les memòries cau (cache memories) compartides d’últim nivell que aprofita informació sobre tasques i les dependències de dades entre aquestes. La intuïció que hi ha al darrere d’aquesta proposta es basa en el fet que els fils d’execució paral·lels mostren diferents patrons d’accés a la memòria; fins i tot dins el mateix fil, els accessos a variables diferents sovint segueixen patrons diferents. Les polítiques que s’hi proposen insereixen línies de la memòria cau a diferents ubicacions lògiques en funció dels tipus de dependència i de tasca als quals correspon la petició de memòria. La segona proposta optimitza l’execució de les reduccions, que es defineixen com un patró de programació que combina dades d’entrada per aconseguir la variable de reducció com a resultat. Això s’aconsegueix mitjançant una tècnica assistida pel runtime system per dur a terme reduccions en la jerarquia de la memòria cau del processador, amb l’objectiu que la proposta sigui aplicable de manera universal, sense dependre del tipus de la variable a la qual es realitza la reducció, la seva mida o el patró d’accés. A nivell de programari, es realitza una extensió del model de programació per facilitar que el programador especifiqui les variables de les reduccions que usaran les tasques, així com el nivell de memòria cau desitjat on s’hauria de realitzar una certa reducció. El compilador font a font (compilador source-to-source) i el runtime system s’amplien per traduir i passar aquesta informació al maquinari subjacent. A nivell de maquinari, les memòries cau privades i compartides s’equipen amb unitats funcionals i la lògica corresponent per poder dur a terme les reduccions a la pròpia memòria cau, evitant així moviments de dades innecessaris entre el nucli del processador i la jerarquia de memòria. La tercera contribució proporciona un esquema de priorització assistit pel runtime System per peticions de memòria dins de la jerarquia de memòria del xip. La proposta es basa en la noció de camí crític en el context dels codis paral·lels i en el fet conegut que l’acceleració de les tasques que formen part del camí crític redueix el temps d’execució de l’aplicació sencera. En el context d’aquest treball, la criticitat de les tasques s’observa al nivell del seu tipus ja que permet que el programador les indiqui mitjançant anotacions senzilles. L’acceleració de les tasques crítiques s’aconsegueix prioritzant les corresponents peticions de memòria dins el microprocessador

Modeling and scheduling heterogeneous multi-core architectures

Om de prestatie van toekomstige processors en processorarchitecturen te evalueren wordt vaak gebruik gemaakt van een simulator die het gedrag en de prestatie van de processor modelleert. De prestatie bepalen van de uitvoering van een computerprogramma op een gegeven processorarchitectuur m.b.v. een simulator duurt echter vele grootteordes langer dan de werkelijke uitvoeringstijd. Dit beperkt in belangrijke mate de hoeveelheid experimenten die gedaan kunnen worden. In dit doctoraatswerk werd het Multi-Program Performance Model (MPPM) ontwikkeld, een innovatief alternatief voor traditionele simulatie, dat het mogelijk maakt om tot 100.000x sneller een processorconfiguratie te evalueren. MPPM laat ons toe om nooit geziene exploraties te doen. Gebruik makend van dit raamwerk hebben we aangetoond dat de taakplanning cruciaal is om heterogene meerkernige processors optimaal te benutten. Vervolgens werd een nieuwe manier voorgesteld om op een schaalbare manier de taakplanning uit te voeren, namelijk Performance Impact Estimation (PIE). Tijdens de uitvoering van een draad op een gegeven processorkern schatten we de prestatie op een ander type kern op basis van eenvoudig op te meten prestatiemetrieken. Zo beschikken we op elk moment over alle nodige informatie om een efficiënte taakplanning te doen. Dit laat ons bovendien toe te optimaliseren voor verschillende criteria zoals uitvoeringstijd, doorvoersnelheid of fairness