Predictable mapping of streaming applications on multiprocessors

Het ontwerp van nieuwe consumentenelektronica wordt voortdurend complexer omdat er steeds meer functionaliteit in deze apparaten ge¨integreerd wordt. Een voorspelbaar ontwerptraject is nodig om deze complexiteit te beheersen. Het resultaat van dit ontwerptraject zou een systeem moeten zijn, waarin iedere applicatie zijn eigen taken binnen een strikte tijdslimiet kan uitvoeren, onafhankelijk van andere applicaties die hetzelfde systeem gebruiken. Dit vereist dat het tijdsgedrag van de hardware, de software, evenals hun interactie kan worden voorspeld. Er wordt vaak voorgesteld om een heterogeen multi-processor systeem (MPSoC) te gebruiken in moderne elektronische systemen. Een MP-SoC heeft voor veel applicaties een goede verhouding tussen rekenkracht en energiegebruik. Onchip netwerken (NoCs) worden voorgesteld als interconnect in deze systemen. Een NoC is schaalbaar en het biedt garanties wat betreft de hoeveelheid tijd die er nodig is om gegevens te communiceren tussen verschillende processoren en geheugens. Door het NoC te combineren met een voorspelbare strategie om de processoren en geheugens te delen, ontstaat een hardware platform met een voorspelbaar tijdsgedrag. Om een voorspelbaar systeem te verkrijgen moet ook het tijdsgedrag van een applicatie die wordt uitgevoerd op het platform voorspelbaar en analyseerbaar zijn. Het Synchronous Dataflow (SDF) model is erg geschikt voor het modelleren van applicaties die werken met gegevensstromen. Het model kan vele ontwerpbeslissingen modelleren en het is mogelijk om tijdens het ontwerptraject het tijdsgedrag van het systeem te analyseren. Dit proefschrift probeert om applicaties die gemodelleerd zijn met SDF grafen op een zodanige manier af te beelden op een NoC-gebaseerd MP-SoC, dat garanties op het tijdsgedrag van individuele applicaties gegeven kunnen worden. De doorstroomsnelheid van een applicatie is vaak een van de belangrijkste eisen bij het ontwerpen van systemen voor applicaties die werken met gegevensstromen. Deze doorstroomsnelheid wordt in hoge mate be¨invloed door de beschikbare ruimte om resultaten (gegevens) op te slaan. De opslagruimte in een SDF graaf wordt gemodelleerd door de pijlen in de graaf. Het probleem is dat er een vaste grootte voor de opslagruimte aan de pijlen van een SDF graaf moet worden toegewezen. Deze grootte moet zodanig worden gekozen dat de vereiste doorstroomsnelheid van het systeem gehaald wordt, terwijl de benodigde opslagruimte geminimaliseerd wordt. De eerste belangrijkste bijdrage van dit proefschrift is een techniek om de minimale opslagruimte voor iedere mogelijke doorstroomsnelheid van een applicatie te vinden. Ondanks de theoretische complexiteit van dit probleem presteert de techniek in praktijk goed. Doordat de techniek alle mogelijke minimale combinaties van opslagruimte en doorstroomsnelheid vindt, is het mogelijk om met situaties om te gaan waarin nog niet alle ontwerpbeslissingen zijn genomen. De ontwerpbeslissingen om twee taken van een applicatie op ´e´en processor uit te voeren, zou bijvoorbeeld de doorstroomsnelheid kunnen be¨invloeden. Hierdoor is er een onzekerheid in het begin van het ontwerptraject tussen de berekende doorstroomsnelheid en de doorstroomsnelheid die daadwerkelijk gerealiseerd kan worden als alle ontwerpbeslissingen zijn genomen. Tijdens het ontwerptraject moeten de taken waaruit een applicatie is opgebouwd toegewezen worden aan de verschillende processoren en geheugens in het systeem. Indien meerdere taken een processor delen, moet ook de volgorde bepaald worden waarin deze taken worden uitgevoerd. Een belangrijke bijdrage van dit proefschrift is een techniek die deze toewijzing uitvoert en die de volgorde bepaalt waarin taken worden uitgevoerd. Bestaande technieken kunnen alleen omgaan met taken die een ´e´en-op-´e´en relatie met elkaar hebben, dat wil zeggen, taken die een gelijk aantal keren uitgevoerd worden. In een SDF graaf kunnen ook complexere relaties worden uitgedrukt. Deze relaties kunnen omgeschreven worden naar een ´e´en-op-´e´en relatie, maar dat kan leiden tot een exponenti¨ele groei van het aantal taken in de graaf. Hierdoor kan het onmogelijk worden om in een beperkte tijd alle taken aan de processoren toe te wijzen en om de volgorde te bepalen waarin deze taken worden uitgevoerd. De techniek die in dit proefschrift wordt gepresenteerd, kan omgaan met de complexe relaties tussen taken in een SDF graaf zonder de vertaling naar de ´e´en-op-´e´en relaties te maken. Dit is mogelijk dankzij een nieuwe, effici¨ente techniek om de doorstroomsnelheid van SDF grafen te bepalen. Nadat de taken van een applicatie toegewezen zijn aan de processoren in het hardware platform moet de communicatie tussen deze taken op het NoC gepland worden. In deze planning moet voor ieder bericht dat tussen de taken wordt verstuurd, worden bepaald welke route er gebruikt wordt en wanneer de communicatie gestart wordt. Dit proefschrift introduceert drie strategie¨en voor het versturen van berichten met een strikte tijdslimiet. Alle drie de strategie¨en maken maximaal gebruik van de beschikbare vrijheid die moderne NoCs bieden. Experimenten tonen aan dat deze strategie¨en hierdoor effici¨enter omgaan met de beschikbare hardware dan bestaande strategie¨en. Naast deze strategie¨en wordt er een techniek gepresenteerd om uit de ontwerpbeslissingen die gemaakt zijn tijdens het toewijzen van taken aan de processoren alle tijdslimieten af te leiden waarbinnen de berichten over het NoC gecommuniceerd moeten worden. Deze techniek koppelt de eerder genoemde techniek voor het toewijzen van taken aan processoren aan de drie strategie¨en om berichten te versturen over het NoC. Tenslotte worden de verschillende technieken die in dit proefschrift worden ge¨introduceerd gecombineerd tot een compleet ontwerptraject. Het startpunt is een SDF graaf die een applicatie modelleert en een NoC-gebaseerd MP-SoC platform met een voorspelbaar tijdsgedrag. Het doel van het ontwerptraject is het op een zodanige manier afbeelden van de applicatie op het platform dat de doorstroomsnelheid van de applicatie gegarandeerd kan worden. Daarnaast probeert het ontwerptraject de hoeveelheid hardware die gebruikt wordt te minimaliseren. Er wordt een experiment gepresenteerd waarin drie verschillende multimedia applicaties (H.263 encoder/decoder en een MP3 decoder) op een NoCgebaseerd MP-SoC worden afgebeeld. Dit experiment toont aan dat de technieken die in dit proefschrift worden voorgesteld, gebruikt kunnen worden voor het ontwerpen van systemen met een voorspelbaar tijdsgedrag. Hiermee is het voorgestelde ontwerptraject het eerste traject dat een met een SDF-gemodelleerde applicatie op een NoC-gebaseerd MP-SoC kan afbeelden, terwijl er garanties worden gegeven over de doorstroomsnelheid van de applicatie

Ambiente de produção para televisão digital interativa

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Ciência da Computação, Florianópolis, 2010Esta dissertação apresenta um conjunto de ferramental desenvolvido para a inserção de interatividade em Televisão Digital para conteúdos jornalísticos. Para isso é apresentado um levantamento bibliográfico realizado sobre os assuntos decorrentes, bem como o conjunto de ferramentas implementadas. O conjunto proposto e desenvolvido consiste em uma ferramenta de autoria, aliada a templates permite a criação de projetos baseados em linha de tempo para televisão digital interativa. Junto é apresentado um servidor capaz de armazenar os projetos gerados com a ferramenta de autoria bem como receber, através do canal de retorno, informações geradas por aplicativos interativos. Para colher resultados da implementação foram realizados três projetos, com grupos distintos, utilizando as ferramentas e relatado a experiência de cada grupo

Design and Analysis of Dynamic Thermal Management in Chip Multiprocessors (CMPs)

Chip Multiprocessors (CMPs) have been prevailing in the modern microprocessor market. As the significant heat is converted by the ever-increasing power density and current leakage, the raised operating temperature in a chip has already threatened the system?s reliability and led the thermal control to be one of the most important issues needed to be addressed immediately in chip designs. Due to the cost and complexity of designing thermal packaging, many Dynamic Thermal Management (DTM) schemes have been widely adopted in modern processors. In this study, we focus on developing a simple and accurate thermal model, which provides a scheduling decision for running tasks. And we show how to design an efficient DTM scheme with negligible performance overhead. First, we propose an efficient DTM scheme for multimedia applications that tackles the thermal control problem in a unified manner. A DTM scheme for multimedia applications makes soft realtime scheduling decisions based on statistical characteristics of multimedia applications. Specifically, we model application execution characteristics as the probability distribution of the number of cycles required to decode frames. Our DTM scheme for multimedia applications has been implemented on Linux in two mobile processors providing variable clock frequencies in an Intel Pentium-M processor and an Intel Atom processor. In order to evaluate the performance of the proposed DTM scheme, we exploit two major codecs, MPEG-4 and H.264/AVC based on various frame resolutions. Our results show that our DTM scheme for multimedia applications lowers the overall temperature by 4 degrees C and the peak temperature by 6 degrees C (up to 10 degrees C), while maintaining frame drop ratio under 5% compared to existing DTM schemes for multimedia applications. Second, we propose a lightweight online workload estimation using the cumulative distribution function and architectural information via Performance Monitoring Counters (PMC) to observe the processes dynamic workload behaviors. We also present an accurate thermal model for CMP architectures to analyze the thermal correlation effects by profiling the thermal impacts from neighboring cores under the specific workload. Hence, according to the estimated workload characteristics and thermal correlation effects, we can estimate the future temperature of each core more accurately. We implement a DTM scheme considering workload characteristics and thermal correlation effects on real machines, an Intel Quad-Core Q6600 system and Dell PowerEdge 2950 (dual Intel Xeon E5310 Quad-Core) system, running applications ranging from multimedia applications to several benchmarks. Experiments results show that our DTM scheme reduces the peak temperature by 8% with 0.54% performance overhead compared to Linux Standard Scheduler, while existing DTM schemes reduce peak temperature by 4% with up to 50% performance overhead

Study and development of innovative strategies for energy-efficient cross-layer design of digital VLSI systems based on Approximate Computing

The increasing demand on requirements for high performance and energy efficiency in modern digital systems has led to the research of new design approaches that are able to go beyond the established energy-performance tradeoff. Looking at scientific literature, the Approximate Computing paradigm has been particularly prolific. Many applications in the domain of signal processing, multimedia, computer vision, machine learning are known to be particularly resilient to errors occurring on their input data and during computation, producing outputs that, although degraded, are still largely acceptable from the point of view of quality. The Approximate Computing design paradigm leverages the characteristics of this group of applications to develop circuits, architectures, algorithms that, by relaxing design constraints, perform their computations in an approximate or inexact manner reducing energy consumption. This PhD research aims to explore the design of hardware/software architectures based on Approximate Computing techniques, filling the gap in literature regarding effective applicability and deriving a systematic methodology to characterize its benefits and tradeoffs. The main contributions of this work are: -the introduction of approximate memory management inside the Linux OS, allowing dynamic allocation and de-allocation of approximate memory at user level, as for normal exact memory; - the development of an emulation environment for platforms with approximate memory units, where faults are injected during the simulation based on models that reproduce the effects on memory cells of circuital and architectural techniques for approximate memories; -the implementation and analysis of the impact of approximate memory hardware on real applications: the H.264 video encoder, internally modified to allocate selected data buffers in approximate memory, and signal processing applications (digital filter) using approximate memory for input/output buffers and tap registers; -the development of a fully reconfigurable and combinatorial floating point unit, which can work with reduced precision formats