Resource-aware scheduling for 2D/3D multi-/many-core processor-memory systems

This dissertation addresses the complexities of 2D/3D multi-/many-core processor-memory systems, focusing on two key areas: enhancing timing predictability in real-time multi-core processors and optimizing performance within thermal constraints. The integration of an increasing number of transistors into compact chip designs, while boosting computational capacity, presents challenges in resource contention and thermal management. The first part of the thesis improves timing predictability. We enhance shared cache interference analysis for set-associative caches, advancing the calculation of Worst-Case Execution Time (WCET). This development enables accurate assessment of cache interference and the effectiveness of partitioned schedulers in real-world scenarios. We introduce TCPS, a novel task and cache-aware partitioned scheduler that optimizes cache partitioning based on task-specific WCET sensitivity, leading to improved schedulability and predictability. Our research explores various cache and scheduling configurations, providing insights into their performance trade-offs. The second part focuses on thermal management in 2D/3D many-core systems. Recognizing the limitations of Dynamic Voltage and Frequency Scaling (DVFS) in S-NUCA many-core processors, we propose synchronous thread migrations as a thermal management strategy. This approach culminates in the HotPotato scheduler, which balances performance and thermal safety. We also introduce 3D-TTP, a transient temperature-aware power budgeting strategy for 3D-stacked systems, reducing the need for Dynamic Thermal Management (DTM) activation. Finally, we present 3QUTM, a novel method for 3D-stacked systems that combines core DVFS and memory bank Low Power Modes with a learning algorithm, optimizing response times within thermal limits. This research contributes significantly to enhancing performance and thermal management in advanced processor-memory systems

Border Security: Understanding Threats at U.S. Borders

[Excerpt] The United States confronts a wide array of threats at U.S. borders, ranging from terrorists who may have weapons of mass destruction, to transnational criminals smuggling drugs or counterfeit goods, to unauthorized migrants intending to live and work in the United States. Given this diversity of threats, how may Congress and the Department of Homeland Security (DHS) set border security priorities and allocate scarce enforcement resources? In general, DHS’s answer to this question is organized around risk management, a process that involves risk assessment and the allocation of resources based on a cost-benefit analysis. This report focuses on the first part of this process by identifying border threats and describing a framework for understanding risks at U.S. borders. DHS employs models to classify threats as relatively high- or low-risk for certain planning and budgeting exercises and to implement certain border security programs. Members of Congress may wish to use similar models to evaluate the costs and benefits of potential border security policies and to allocate border enforcement resources. This report discusses some of the issues involved in modeling border-related threats

Better health and ambient assisted living (AAL) from a global, regional and local economic perspective

Assisting technologies aim to provide more support in the meeting of one's daily needs and the preservation of one's autonomy and quality of life. Continual developments in medicine, medical equipment, nursing and medical care are assumed to lead to new types of care being created. A high degree of social and economic relevance has been attributed to assisting technologies, as well as information and communication systems, by scientists and politicians alike, particularly in connection with the development, promotion and organization of so-called senior-friendly environments and with ambient assisted living (AAL). Here the focus is especially upon the aged of the future, their specific demands and resources, which these technologies should be able to serve while adhering to their individual requirements. These new technologies can also be extremely relevant to people surrounding the elderly. They can make a considerable difference to the way in which people are able to live together for example by assisting the nursing care provided by close relatives and they may represent new opportunities to the providers of outpatient and inpatient nursing and medical care. -- Assistierende Technologien sollen der besseren Unterstützung bei der Deckung von Bedürfnissen des täglichen Lebens und zur Erhaltung von Selbständigkeit und Lebensqualität dienen. Es ist davon auszugehen, dass durch die kontinuierliche Entwicklung in der Medizin, der Medizintechnik sowie assistierender Technologien in der medizinischen und pflegerischen Versorgung neue Versorgungsmöglichkeiten geschaffen werden. Insbesondere im Zusammenhang mit der Entwicklung, der Förderung und der Ausgestaltung sogenannter altersgerechter Lebenswelten bzw. eines ambient assisted living (AAL) wird den unterstützenden Technologien und Informations- und Kommunikationstechniken von wissenschaftlicher und politischer Seite eine hohe gesellschaftliche und wirtschaftliche Relevanz zugewiesen. Im Fokus stehen dabei vor allem die zukünftigen Älteren und ihre spezifischen Bedarfe und Ressourcen, die diese Technologien ihren individuellen Bedürfnissen entsprechend nutzen können sollen. Derartige Techniken können aber auch für Personen aus dem sozialen Umfeld der Älteren von hoher Relevanz sein. So können diese die Gestaltung des Zusammenlebens erheblich ändern - beispielsweise durch die Unterstützung bei der pflegerischen Versorgung durch Angehörige - und beispielsweise den Anbietern im Bereich der gesundheitlichen und pflegerischen ambulanten und stationären Versorgung neue Möglichkeiten der Versorgung bieten.

CAD methodologies for low power and reliable 3D ICs

The main objective of this dissertation is to explore and develop computer-aided-design (CAD) methodologies and optimization techniques for reliability, timing performance, and power consumption of through-silicon-via(TSV)-based and monolithic 3D IC designs. The 3D IC technology is a promising answer to the device scaling and interconnect problems that industry faces today. Yet, since multiple dies are stacked vertically in 3D ICs, new problems arise such as thermal, power delivery, and so on. New physical design methodologies and optimization techniques should be developed to address the problems and exploit the design freedom in 3D ICs. Towards the objective, this dissertation includes four research projects. The first project is on the co-optimization of traditional design metrics and reliability metrics for 3D ICs. It is well known that heat removal and power delivery are two major reliability concerns in 3D ICs. To alleviate thermal problem, two possible solutions have been proposed: thermal-through-silicon-vias (T-TSVs) and micro-fluidic-channel (MFC) based cooling. For power delivery, a complex power distribution network is required to deliver currents reliably to all parts of the 3D IC while suppressing the power supply noise to an acceptable level. However, these thermal and power networks pose major challenges in signal routability and congestion. In this project, a co-optimization methodology for signal, power, and thermal interconnects in 3D ICs is presented. The goal of the proposed approach is to improve signal, thermal, and power noise metrics and to provide fast and accurate design space explorations for early design stages. The second project is a study on 3D IC partition. For a 3D IC, the target circuit needs to be partitioned into multiple parts then mapped onto the dies. The partition style impacts design quality such as footprint, wirelength, timing, and so on. In this project, the design methodologies of 3D ICs with different partition styles are demonstrated. For the LEON3 multi-core microprocessor, three partitioning styles are compared: core-level, block-level, and gate-level. The design methodologies for such partitioning styles and their implications on the physical layout are discussed. Then, to perform timing optimizations for 3D ICs, two timing constraint generation methods are demonstrated that lead to different design quality. The third project is on the buffer insertion for timing optimization of 3D ICs. For high performance 3D ICs, it is crucial to perform thorough timing optimizations. Among timing optimization techniques, buffer insertion is known to be the most effective way. The TSVs have a large parasitic capacitance that increases the signal slew and the delay on the downstream. In this project, a slew-aware buffer insertion algorithm is developed that handles full 3D nets and considers TSV parasitics and slew effects on delay. Compared with the well-known van Ginneken algorithm and a commercial tool, the proposed algorithm finds buffering solutions with lower delay values and acceptable runtime overhead. The last project is on the ultra-high-density logic designs for monolithic 3D ICs. The nano-scale 3D interconnects available in monolithic 3D IC technology enable ultra-high-density device integration at the individual transistor-level. The benefits and challenges of monolithic 3D integration technology for logic designs are investigated. First, a 3D standard cell library for transistor-level monolithic 3D ICs is built and their timing and power behavior are characterized. Then, various interconnect options for monolithic 3D ICs that improve design quality are explored. Next, timing-closed, full-chip GDSII layouts are built and iso-performance power comparisons with 2D IC designs are performed. Important design metrics such as area, wirelength, timing, and power consumption are compared among transistor-level monolithic 3D, gate-level monolithic 3D, TSV-based 3D, and traditional 2D designs.PhDCommittee Chair: Lim, Sung Kyu; Committee Member: Bakir, Muhannad; Committee Member: Kim, Hyesoon; Committee Member: Lee, Hsien-Hsin; Committee Member: Mukhopadhyay, Saiba

Trafficking in Persons: U.S. Policy and Issues for Congress

[Excerpt] This report focuses on international and domestic human trafficking and U.S. policy responses, with particular emphasis on the TVPA and its subsequent reauthorizations. The report begins with a description of key TIP-related definitions and an overview of the human trafficking problem. It follows with an overview of major foreign policy responses to international human trafficking. The report then focuses on responses to trafficking into and within the United States, examining relief for trafficking victims in the United States and discussing U.S. law enforcement efforts to combat domestic trafficking. The report concludes with an overview of current anti-trafficking legislation and an analysis of policy issues

Bringing Financial Literacy and Education to Low and Middle Income Countries: The Need to Review, Adjust, and Extend Current Wisdom

This paper presents a World Bank led and Russia trust fund financed work program to measure financial capability and the effectiveness of financial education in low and middle income countries. The two activities and their staging have been motivated by the lessons of high-income countries with financial literacy programs and the deviating characteristics of low and middle income countries. While progress has been made in high-income countries to measure financial capability, there is little robust empirical evidence that financial education can improve it. While applying the financial capability concept in low and middle-income countries looks promising it will need to be adjusted to their characteristic and supported by innovative interventions and rigorous impact evaluation to improve it.financial literacy, financial capability, financial education, impact evaluation

Machine Learning for Resource-Constrained Computing Systems

Die verfügbaren Ressourcen in Informationsverarbeitungssystemen wie Prozessoren sind in der Regel eingeschränkt. Das umfasst z. B. die elektrische Leistungsaufnahme, den Energieverbrauch, die Wärmeabgabe oder die Chipfläche. Daher ist die Optimierung der Verwaltung der verfügbaren Ressourcen von größter Bedeutung, um Ziele wie maximale Performanz zu erreichen. Insbesondere die Ressourcenverwaltung auf der Systemebene hat über die (dynamische) Zuweisung von Anwendungen zu Prozessorkernen und über die Skalierung der Spannung und Frequenz (dynamic voltage and frequency scaling, DVFS) einen großen Einfluss auf die Performanz, die elektrische Leistung und die Temperatur während der Ausführung von Anwendungen. Die wichtigsten Herausforderungen bei der Ressourcenverwaltung sind die hohe Komplexität von Anwendungen und Plattformen, unvorhergesehene (zur Entwurfszeit nicht bekannte) Anwendungen oder Plattformkonfigurationen, proaktive Optimierung und die Minimierung des Laufzeit-Overheads. Bestehende Techniken, die auf einfachen Heuristiken oder analytischen Modellen basieren, gehen diese Herausforderungen nur unzureichend an. Aus diesem Grund ist der Hauptbeitrag dieser Dissertation der Einsatz maschinellen Lernens (ML) für Ressourcenverwaltung. ML-basierte Lösungen ermöglichen die Bewältigung dieser Herausforderungen durch die Vorhersage der Auswirkungen potenzieller Entscheidungen in der Ressourcenverwaltung, durch Schätzung verborgener (unbeobachtbarer) Eigenschaften von Anwendungen oder durch direktes Lernen einer Ressourcenverwaltungs-Strategie. Diese Dissertation entwickelt mehrere neuartige ML-basierte Ressourcenverwaltung-Techniken für verschiedene Plattformen, Ziele und Randbedingungen. Zunächst wird eine auf Vorhersagen basierende Technik zur Maximierung der Performanz von Mehrkernprozessoren mit verteiltem Last-Level Cache und limitierter Maximaltemperatur vorgestellt. Diese verwendet ein neuronales Netzwerk (NN) zur Vorhersage der Auswirkungen potenzieller Migrationen von Anwendungen zwischen Prozessorkernen auf die Performanz. Diese Vorhersagen erlauben die Bestimmung der bestmöglichen Migration und ermöglichen eine proaktive Verwaltung. Das NN ist so trainiert, dass es mit unbekannten Anwendungen und verschiedenen Temperaturlimits zurechtkommt. Zweitens wird ein Boosting-Verfahren zur Maximierung der Performanz homogener Mehrkernprozessoren mit limitierter Maximaltemperatur mithilfe von DVFS vorgestellt. Dieses basiert auf einer neuartigen {Boostability}-Metrik, die die Abhängigkeiten von Performanz, elektrischer Leistung und Temperatur auf Spannungs/Frequenz-Änderungen in einer Metrik vereint. % ignorerepeated Die Abhängigkeiten von Performanz und elektrischer Leistung hängen von der Anwendung ab und können zur Laufzeit nicht direkt beobachtet (gemessen) werden. Daher wird ein NN verwendet, um diese Werte für unbekannte Anwendungen zu schätzen und so die Komplexität der Boosting-Optimierung zu bewältigen. Drittens wird eine Technik zur Temperaturminimierung von heterogenen Mehrkernprozessoren mit Quality of Service-Zielen vorgestellt. Diese verwendet Imitationslernen, um eine Migrationsstrategie von Anwendungen aus optimalen Orakel-Demonstrationen zu lernen. Dafür wird ein NN eingesetzt, um die Komplexität der Plattform und des Anwendungsverhaltens zu bewältigen. Die Inferenz des NNs wird mit Hilfe eines vorhandenen generischen Beschleunigers, einer Neural Processing Unit (NPU), beschleunigt. Auch die ML Algorithmen selbst müssen auch mit begrenzten Ressourcen ausgeführt werden. Zuletzt wird eine Technik für ressourcenorientiertes Training auf verteilten Geräten vorgestellt, um einen konstanten Trainingsdurchsatz bei sich schnell ändernder Verfügbarkeit von Rechenressourcen aufrechtzuerhalten, wie es z.~B.~aufgrund von Konflikten bei gemeinsam genutzten Ressourcen der Fall ist. Diese Technik verwendet Structured Dropout, welches beim Training zufällige Teile des NNs auslässt. Dadurch können die erforderlichen Ressourcen für das Training dynamisch angepasst werden -- mit vernachlässigbarem Overhead, aber auf Kosten einer langsameren Trainingskonvergenz. Die Pareto-optimalen Dropout-Parameter pro Schicht des NNs werden durch eine Design Space Exploration bestimmt. Evaluierungen dieser Techniken werden sowohl in Simulationen als auch auf realer Hardware durchgeführt und zeigen signifikante Verbesserungen gegenüber dem Stand der Technik, bei vernachlässigbarem Laufzeit-Overhead. Zusammenfassend zeigt diese Dissertation, dass ML eine Schlüsseltechnologie zur Optimierung der Verwaltung der limitierten Ressourcen auf Systemebene ist, indem die damit verbundenen Herausforderungen angegangen werden

The new role of citizens as co-creators of socio-digital innovations and urban development: A case-study of participation and co-creation in the smart city development of Barcelona.

Die vorliegende Masterarbeit untersucht aktuelle Trends in der Stadtplanung und Design, um zu analysieren, wie Bürger an der Mitgestaltung von Smart Cities beteiligt werden können. Ziel ist es, ein ganzheitliches Verständnis der neueren Konzepte und Methoden von Co-Design und Co-creation zu entwickeln und diese mit den etablierteren Forschungsfeldern der Bürgerbeteiligung und Koproduktion zu vergleichen. Koproduktion und Co-Creation können als verbesserte Partizipation oder Partnerschaft in Bezug auf die Partizipationsleiter verstanden werden, da beide Konzepte Beziehungen auf Augenhöhe zwischen Bürger und Stadtverwaltung voraussetzen. In ähnlicher Weise gesteht Co-Design, Designern und Usern die gleichen Rechte und Möglichkeiten im Gestaltungsprozess zu. Es wird eine ganzheitliche Definition des Co-Creation-Prozesses dargelegt, die Erkenntnisse aus Co-Design, Co-Produktion und Partizipation beinhaltet und Co-Creation als einen Prozess versteht, der aus Initiation, Design und Produktion besteht. Die Smart City als sich rasch entwickelndes Forschungsfeld, Definitionen und Charakteristika sowie populäre imaginäre und dominante Diskurse werden vorgestellt. Um die Rolle des Bürgers zur Smart City zu verstehen, werden die unterschiedlichen Verständnisse von Smart Governance erläutert und Aspekte von Open Data, Big Data und Big Data Analytics sowie die Rolle von Bürgern und Gefahren der Smart City diskutiert. In der Fallstudie zur Bürgerbeteiligung werden Methoden und Werkzeuge zur Förderung der Mitgestaltung einer Smart City anhand Partizipationsleiter von (Arnstein 1969) diskutiert und analysiert. Die Smart City Entwicklung in Barcelona wird vor dem Hintergrund der gemeinschaftlichen Entwicklung sozialer Innovationen in Smart Cities analysiert. Die Fallstudie verweist auf Mängel im Hinblick auf Bürgerbeteiligung an der Entscheidungsfindung und an der Verlagerung von Machtverhältnissen in der Entwicklung der Smart City Barcelona, die dafür aber mit neuen Werkzeugen und Technologien für partizipative Stadtentwicklung experimentiert und sich zu einem alternativen Smart City Modell entwickelt. Die wichtigsten Ergebnisse sind abschließend im Methodenkatalog zusammengefasst, der Methoden und Tools aus Theorie und Fallstudie aufgreift um zu dem Verständnis beizutragen, wie Smart Cities gemeinsam gestaltet werden können.This thesis studies current trends in planning and design studies to analyse how citizens can participate in the co-creation of smart cities. It aims at developing a holistic understanding of the new concepts and methods of co-creation, and co-design and compares those with the more established research fields of citizen participation and co-production. Co-production and co-creation can be understood as instances of enhanced participation or as a partnership in participation, as both concepts require equal relationships among citizens and the city administration. Similarly, co-design requires designers and users to share the same rights and possibilities in the design process. A holistic definition of the co-creation process is provided that incorporates insights from co-design, co-production and participation and defines co-creation as a process consisting of initiation, design and production. The smart city as emerging research field, definitions and characteristics, as well as popular imaginary and dominant discourses, are presented. To grasp the role of the citizen in the smart city, the different understandings of smart governance are explained and aspects of to open data, big data and big data analytics, as well as the role of citizens and perils of the smart city are discussed. In the case-study of citizen participation methods and tools fostering the co-creation of a smart city are discussed and analysed with the introduced participation framework, which is based on the ladder of participation (Arnstein 1969). The smart city development in Barcelona is analysed against the backdrop of co-creating social innovations in smart cities. There might be a lack of citizen participation in decision-making and shifting power relations in the city, which experiments nonetheless with new tools and technologies for the participatory environment experiments with new formats and technologies for economic and urban development and evolves to become an alternative model of the smart city. The main findings are included in the toolbox based on methods and tools from theory and the case-study contributing to the knowledge of how to co-create of smart cities