Analyzable dataflow executions with adaptive redundancy

Increasing performance requirements in the embedded systems domain have encouraged a drift from singlecore to multicore processors, and thus multicore processors are widely used in embedded systems today. Cars are an example for complex embedded systems in which the use of multicore processors is continuously increasing. A major reason for this is to consolidate different software components on one chip and thus reduce the number of electronic control units. However, the de facto standard in the automotive industry, AUTOSAR (AUTomotive Open System ARchitecture), was originally designed for singlecore processors. Although basic support for multicore processors was added, more complex architectures are currently not compatible with the software stack. Regarding the software components running on the ECUS of modern cars, requirements are diverse. On the one hand, there are safety-critical tasks, like the airbag control, anti-lock braking system, electronic stability control and emergency brake assist, and on the other hand, tasks which do not have any safety-related requirements at all, for example tasks controlling the infotainment system. Trends like autonomous driving lead to even more demanding tasks in the system since such tasks are both safety-critical and data-intensive. As embedded applications, like those in the automotive domain, become more complex, new approaches are necessary. Data-intensive tasks are usually tackled with large-scale computing frameworks. In this thesis, some major concepts of such frameworks are transferred to the high-performance embedded systems domain. For this purpose, the thesis describes a runtime environment (RTE) that is suitable for different kinds of multi- and manycore hardware architectures. The RTE follows a dataflow execution model based on directed acyclic graphs (DAGs). Graphs are divided into sections which are scheduled separately. For each section, the RTE uses a DAG scheduling heuristic to compute multiple schedules covering different redundancy configurations. This allows the RTE to dynamically change the redundancy of parts of the graph at runtime despite the use of fixed schedules. Alternatively, the RTE also provides an online scheduler. To specify suitable graphs, the RTE also provides a programming model which shares similarities with common large-scale computing frameworks, for example Apache Spark. Using this programming model, three common distributed algorithms, namely Cannon's algorithm, the Cooley-Tukey algorithm and bitonic sort, were implemented. With these three programs, the performance of the RTE was evaluated for a variety of configurations on two different hardware architectures. The results show that the proposed RTE is able to reach the performance of established parallel computation frameworks and that for suitable graphs with reasonable sectionings the negative influence on the runtime is either small or non-existent.Aufgrund steigender Anforderungen an die Leistungsfähigkeit von eingebetteten Systemen finden Mehrkernprozessoren mittlerweile auch in eingebetteten Systemen Verwendung. Autos sind ein Beispiel für eingebettete Systeme, in denen die Verbreitung von Mehrkernprozessoren kontinuierlich zunimmt. Ein Hauptgrund ist, dass es dadurch möglich wird, mehrere Applikationen, für die ursprünglich mehrere Electronic Control Units (ECUs) notwendig waren, auf ein und demselben Chip auszuführen und dadurch die Anzahl der ECUs im Gesamtsystem zu verringern. Der De-facto-Standard AUTOSAR (AUTomotive Open System ARchitecture) wurde jedoch ursprünglich nur im Hinblick auf Einkernprozessoren entworfen und, obwohl der Softwarestack um grundlegende Unterstützung für Mehrkernprozessoren erweitert wurde, sind komplexere Architekturen nicht damit kompatibel. Die Anforderungen der Softwarekomponenten von modernen Autos sind vielfältig. Einerseits gibt es hochgradig sicherheitskritische Tasks, die beispielsweise die Airbags, das Antiblockiersystem, die Fahrdynamikregelung oder den Notbremsassistenten steuern und andererseits Tasks, die keinerlei sicherheitskritische Anforderungen aufweisen, wie zum Beispiel Tasks zur Steuerung des Infotainment-Systems. Neue Trends wie autonomes Fahren führen zu weiteren anspruchsvollen Tasks, die sowohl hohe Leistungs- als auch Sicherheitsanforderungen aufweisen. Da die Komplexität eingebetteter Anwendungen, beispielsweise im Automobilbereich, stetig zunimmt, sind neue Ansätze erforderlich. Für komplexe, datenintensive Aufgaben werden in der Regel Cluster-Computing-Frameworks eingesetzt. In dieser Arbeit werden Konzepte solcher Frameworks auf den Bereich der eingebetteten Systeme übertragen. Dazu beschreibt die Arbeit eine Laufzeitumgebung (RTE) für eingebettete Mehrkernarchitekturen. Die RTE folgt einem Datenfluss-Ausführungsmodell, das auf gerichteten azyklischen Graphen basiert. Graphen können in Abschnitte eingeteilt werden, für welche separat mehrere unterschiedlich redundante Schedules mit Hilfe einer Scheduling-Heuristik berechnet werden. Dieser Ansatz erlaubt es, die Redundanz von Teilen der Anwendung zur Laufzeit zu verändern. Alternativ unterstützt die RTE auch Scheduling zur Laufzeit. Zur Erzeugung von Graphen stellt die RTE ein Programmiermodell bereit, welches sich an etablierten Frameworks, insbesondere Apache Spark, orientiert. Damit wurden drei Beispielanwendungen implementiert, die auf gängigen Algorithmen basieren. Konkret handelt es sich um Cannon's Algorithmus, den Cooley-Tukey-Algorithmus und bitonisches Sortieren. Um die Leistungsfähigkeit der RTE zu ermitteln, wurden diese drei Anwendungen mehrfach mit verschiedenen Konfigurationen auf zwei Hardware-Architekturen ausgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass die RTE in ihrer Leistungsfähigkeit mit etablierten Systemen vergleichbar ist und die Laufzeit bei einer sinnvollen Graphaufteilung im besten Fall nur geringfügig beeinflusst wird

Architectural Support for Fault Tolerance in a Teradevice Dataflow System

The high parallelism of future Teradevices, which are going to contain more than 1,000 complex cores on a single die, requests new execution paradigms. Coarse-grained dataflow execution models are able to exploit such parallelism, since they combine side-effect free execution and reduced synchronization overhead. However, the terascale transistor integration of such future chips make them orders of magnitude more vulnerable to voltage fluctuation, radiation, and process variations. This means dynamic fault-tolerance mechanisms have to be an essential part of such future system. In this paper, we present a fault tolerant architecture for a coarse-grained dataflow system, leveraging the inherent features of the dataflow execution model. In detail, we provide methods to dynamically detect and manage permanent, intermittent, and transient faults during runtime. Furthermore, we exploit the dataflow execution model for a thread-level recovery scheme. Our results showed that redundant execution of dataflow threads can efficiently make use of underutilized resources in a multi-core, while the overhead in a fully utilized system stays reasonable. Moreover, thread-level recovery suffered from moderate overhead, even in the case of high fault rates