A time-predictable many-core processor design for critical real-time embedded systems

Critical Real-Time Embedded Systems (CRTES) are in charge of controlling fundamental parts of embedded system, e.g. energy harvesting solar panels in satellites, steering and breaking in cars, or flight management systems in airplanes. To do so, CRTES require strong evidence of correct functional and timing behavior. The former guarantees that the system operates correctly in response of its inputs; the latter ensures that its operations are performed within a predefined time budget. CRTES aim at increasing the number and complexity of functions. Examples include the incorporation of \smarter" Advanced Driver Assistance System (ADAS) functionality in modern cars or advanced collision avoidance systems in Unmanned Aerial Vehicles (UAVs). All these new features, implemented in software, lead to an exponential growth in both performance requirements and software development complexity. Furthermore, there is a strong need to integrate multiple functions into the same computing platform to reduce the number of processing units, mass and space requirements, etc. Overall, there is a clear need to increase the computing power of current CRTES in order to support new sophisticated and complex functionality, and integrate multiple systems into a single platform. The use of multi- and many-core processor architectures is increasingly seen in the CRTES industry as the solution to cope with the performance demand and cost constraints of future CRTES. Many-cores supply higher performance by exploiting the parallelism of applications while providing a better performance per watt as cores are maintained simpler with respect to complex single-core processors. Moreover, the parallelization capabilities allow scheduling multiple functions into the same processor, maximizing the hardware utilization. However, the use of multi- and many-cores in CRTES also brings a number of challenges related to provide evidence about the correct operation of the system, especially in the timing domain. Hence, despite the advantages of many-cores and the fact that they are nowadays a reality in the embedded domain (e.g. Kalray MPPA, Freescale NXP P4080, TI Keystone II), their use in CRTES still requires finding efficient ways of providing reliable evidence about the correct operation of the system. This thesis investigates the use of many-core processors in CRTES as a means to satisfy performance demands of future complex applications while providing the necessary timing guarantees. To do so, this thesis contributes to advance the state-of-the-art towards the exploitation of parallel capabilities of many-cores in CRTES contributing in two different computing domains. From the hardware domain, this thesis proposes new many-core designs that enable deriving reliable and tight timing guarantees. From the software domain, we present efficient scheduling and timing analysis techniques to exploit the parallelization capabilities of many-core architectures and to derive tight and trustworthy Worst-Case Execution Time (WCET) estimates of CRTES.Los sistemas críticos empotrados de tiempo real (en ingles Critical Real-Time Embedded Systems, CRTES) se encargan de controlar partes fundamentales de los sistemas integrados, e.g. obtención de la energía de los paneles solares en satélites, la dirección y frenado en automóviles, o el control de vuelo en aviones. Para hacerlo, CRTES requieren fuerte evidencias del correcto comportamiento funcional y temporal. El primero garantiza que el sistema funciona correctamente en respuesta de sus entradas; el último asegura que sus operaciones se realizan dentro de unos limites temporales establecidos previamente. El objetivo de los CRTES es aumentar el número y la complejidad de las funciones. Algunos ejemplos incluyen los sistemas inteligentes de asistencia a la conducción en automóviles modernos o los sistemas avanzados de prevención de colisiones en vehiculos aereos no tripulados. Todas estas nuevas características, implementadas en software,conducen a un crecimiento exponencial tanto en los requerimientos de rendimiento como en la complejidad de desarrollo de software. Además, existe una gran necesidad de integrar múltiples funciones en una sóla plataforma para así reducir el número de unidades de procesamiento, cumplir con requisitos de peso y espacio, etc. En general, hay una clara necesidad de aumentar la potencia de cómputo de los actuales CRTES para soportar nueva funcionalidades sofisticadas y complejas e integrar múltiples sistemas en una sola plataforma. El uso de arquitecturas multi- y many-core se ve cada vez más en la industria CRTES como la solución para hacer frente a la demanda de mayor rendimiento y las limitaciones de costes de los futuros CRTES. Las arquitecturas many-core proporcionan un mayor rendimiento explotando el paralelismo de aplicaciones al tiempo que proporciona un mejor rendimiento por vatio ya que los cores se mantienen más simples con respecto a complejos procesadores de un solo core. Además, las capacidades de paralelización permiten programar múltiples funciones en el mismo procesador, maximizando la utilización del hardware. Sin embargo, el uso de multi- y many-core en CRTES también acarrea ciertos desafíos relacionados con la aportación de evidencias sobre el correcto funcionamiento del sistema, especialmente en el ámbito temporal. Por eso, a pesar de las ventajas de los procesadores many-core y del hecho de que éstos son una realidad en los sitemas integrados (por ejemplo Kalray MPPA, Freescale NXP P4080, TI Keystone II), su uso en CRTES aún precisa de la búsqueda de métodos eficientes para proveer evidencias fiables sobre el correcto funcionamiento del sistema. Esta tesis ahonda en el uso de procesadores many-core en CRTES como un medio para satisfacer los requisitos de rendimiento de aplicaciones complejas mientras proveen las garantías de tiempo necesarias. Para ello, esta tesis contribuye en el avance del estado del arte hacia la explotación de many-cores en CRTES en dos ámbitos de la computación. En el ámbito del hardware, esta tesis propone nuevos diseños many-core que posibilitan garantías de tiempo fiables y precisas. En el ámbito del software, la tesis presenta técnicas eficientes para la planificación de tareas y el análisis de tiempo para aprovechar las capacidades de paralelización en arquitecturas many-core, y también para derivar estimaciones de peor tiempo de ejecución (Worst-Case Execution Time, WCET) fiables y precisas

Design of complex integrated systems based on networks-on-chip: Trading off performance, power and reliability

The steady advancement of microelectronics is associated with an escalating number of challenges for design engineers due to both the tiny dimensions and the enormous complexity of integrated systems. Against this background, this work deals with Network-On-Chip (NOC) as the emerging design paradigm to cope with diverse issues of nanotechnology. The detailed investigations within the chapters focus on the communication-centric aspects of multi-core-systems, whereas performance, power consumption as well as reliability are considered likewise as the essential design criteria

Multistage Packet-Switching Fabrics for Data Center Networks

Recent applications have imposed stringent requirements within the Data Center Network (DCN) switches in terms of scalability, throughput and latency. In this thesis, the architectural design of the packet-switches is tackled in different ways to enable the expansion in both the number of connected endpoints and traffic volume. A cost-effective Clos-network switch with partially buffered units is proposed and two packet scheduling algorithms are described. The first algorithm adopts many simple and distributed arbiters, while the second approach relies on a central arbiter to guarantee an ordered packet delivery. For an improved scalability, the Clos switch is build using a Network-on-Chip (NoC) fabric instead of the common crossbar units. The Clos-UDN architecture made with Input-Queued (IQ) Uni-Directional NoC modules (UDNs) simplifies the input line cards and obviates the need for the costly Virtual Output Queues (VOQs). It also avoids the need for complex, and synchronized scheduling processes, and offers speedup, load balancing, and good path diversity. Under skewed traffic, a reliable micro load-balancing contributes to boosting the overall network performance. Taking advantage of the NoC paradigm, a wrapped-around multistage switch with fully interconnected Central Modules (CMs) is proposed. The architecture operates with a congestion-aware routing algorithm that proactively distributes the traffic load across the switching modules, and enhances the switch performance under critical packet arrivals. The implementation of small on-chip buffers has been made perfectly feasible using the current technology. This motivated the implementation of a large switching architecture with an Output-Queued (OQ) NoC fabric. The design merges assets of the output queuing, and NoCs to provide high throughput, and smooth latency variations. An approximate analytical model of the switch performance is also proposed. To further exploit the potential of the NoC fabrics and their modularity features, a high capacity Clos switch with Multi-Directional NoC (MDN) modules is presented. The Clos-MDN switching architecture exhibits a more compact layout than the Clos-UDN switch. It scales better and faster in port count and traffic load. Results achieved in this thesis demonstrate the high performance, expandability and programmability features of the proposed packet-switches which makes them promising candidates for the next-generation data center networking infrastructure

Runtime Adaptive System-on-Chip Communication Architecture

The adaptive system provides adaptivity both in the system-level and in the architecture-level. The system-level adaptation is provided using a runtime application mapping. The architecture-level adaptation is implemented by using several novel methodologies to increase the resource utilization of the underlying silicon fabric, i.e. sharing the Virtual Channel Buffers among different output ports. To achieve successful runtime adaptation, a runtime observability infrastructure is included

DESIGN OF EFFICIENT PACKET MARKING-BASED CONGESTION MANAGEMENT TECHNIQUES FOR CLUSTER INTERCONNECTS

El crecimiento de los computadores paralelos basados en redes de altas prestaciones ha aumentado el interés y esfuerzo de la comunidad investigadora en desarrollar nuevas técnicas que permitan obtener el mejor rendimiento de estas redes. En particular, el desarrollo de nuevas técnicas que permitan un encaminamiento eficiente y que reduzcan la latencia de los paquetes, aumentando así la productividad de la red. Sin embargo, una alta tasa de utilización de la red podría conllevar el que se conoce como "congestión de red", el cual puede causar una degradación del rendimiento. El control de la congestión en redes multietapa es un problema importante que no está completamente resuelto. Con el fin de evitar la degradación del rendimiento de la red cuando aparece congestión, se han propuesto diferentes mecanismos para el control de la congestión. Muchos de estos mecanismos están basados en notificación explícita de la congestión. Para este propósito, los switches detectan congestión y dependiendo de la estrategia aplicada, los paquetes son marcados con la finalidad de advertir a los nodos origenes. Como respuesta, los nodos origenes aplican acciones correctivas para ajustar su tasa de inyección de paquetes. El propósito de esta tesis es analizar las diferentes estratégias de detección y corrección de la congestión en redes multietapa, y proponer nuevos mecanismos de control de la congestión encaminados a este tipo de redes sin descarte de paquetes. Las nuevas propuestas están basadas en una estrategia más refinada de marcaje de paquetes en combinación con un conjunto de acciones correctivas justas que harán al mecanismo capaz de controlar la congestión de manera efectiva con independencia del grado de congestión y de las condiciones de tráfico.Ferrer Pérez, JL. (2012). DESIGN OF EFFICIENT PACKET MARKING-BASED CONGESTION MANAGEMENT TECHNIQUES FOR CLUSTER INTERCONNECTS [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/18197Palanci

Head-of-Line Blocking Reduction in Power-Efficient Networks-on-Chip

Tesis por compendioNowadays, thanks to the continuous improvements in the integration scale, more and more cores are added on the same chip, leading to higher system performance. In order to interconnect all nodes, a network-on-chip (NoC) is used, which is in charge of delivering data between cores. However, increasing the number of cores leads to a significant power consumption increase, leading the NoC to be one of the most expensive components in terms of power. Because of this, during the last years, several mechanisms have been proposed to address the NoC power consumption by means of DVFS (Dynamic Voltage and Frequency Scaling) and power-gating strategies. Nevertheless, improvements achieved by these mechanisms are achieved, to a greater or lesser extent, at the cost of system performance, potentially increasing the risk of saturating the network by forming congested points which, in turn, compromise the rest of the system functionality. One side effect is the creation of the "Head-of-Line blocking" effect where congested packets at the head of queues prevent other non-blocked packets from advancing. To address this issue, in this thesis, on one hand, we propose novel congestion control techniques in order to improve system performance by removing the "Head-of-Line" blocking effect. On the other hand, we propose combined solutions adapted to DVFS in order to achieve improvements in terms of performance and power. In addition to this, we propose a path-aware power-gating-based mechanism, which is capable of detecting the flows sharing buffer resources along data paths and perform to switch them off when not needed. With all these combined solutions we can significantly reduce the power consumption of the NoC when compared with state-of-the-art proposals.Hoy en día, gracias a las mejoras en la escala de integración cada vez se integran más y más núcleos en un mismo chip, mejorando así sus prestaciones. Para interconectar todos los nodos dentro del chip se emplea una red en chip (NoC, Network-on-Chip), la cual es la encargada de intercambiar información entre núcleos. No obstante, aumentar el número de núcleos en el chip también conlleva a su vez un importante incremento en el consumo de la NoC, haciendo que ésta se convierta en una de las partes más caras del chip en términos de consumo. Por ello, en los últimos años se han propuesto diversas técnicas de ahorro de energía orientadas a reducir el consumo de la NoC mediante el uso de DVFS (Dynamic Voltage and Frequency Scaling) o estrategias basadas en "power-gating". Sin embargo, éstas mejoras de consumo normalmente se obtienen a costa de sacrificar, en mayor o menor medida, las prestaciones del sistema, aumentado potencialmente así el riesgo de saturar la red, generando puntos de congestión que, a su vez, comprometen el rendimiento del resto del sistema. Un efecto colateral es el "Head-of-Line blocking", mediante el que paquetes congestionados en la cabeza de la cola impiden que otros paquetes no congestionados avancen. Con el fin de solucionar este problema, en ésta tesis, en primer lugar, proponemos técnicas novedosas de control de congestión para incrementar el rendimiento del sistema mediante la eliminación del "Head-of-Line blocking", mientras que, por otra parte, proponemos soluciones combinadas adaptadas a DVFS con el fin de conseguir mejoras en términos de rendimiento y energía. Además, proponemos una técnica de "power-gating" orientada a rutas de datos, la cual es capaz de detectar flujos de datos compartiendo recursos a lo largo de rutas y apagar dichos recursos de forma dinámica cuando no son necesarios. Con todas éstas soluciones combinadas podemos reducir el consumo de energía de la NoC en comparación con otras técnicas presentes en el estado del arte.Hui en dia, gr\`acies a les millores en l'escala d'integraci\'o, cada vegada s'integren m\'es i m\'es nuclis en un mateix xip, la qual cosa millora les seues prestacions. Per tal d'interconectar tots els nodes dins el xip es fa \'us d'una Xarxa en Xip (NoC; Network-on-Chip), la qual \'es l'encarregada d'intercanviar informaci\'o entre els nuclis. No obstant aix\`o, incrementar el nombre de nuclis en el xip tamb\'e comporta un important augment en el consum de la NoC, la qual cosa fa que aquesta es convertisca en una de les parts m\'es costoses del xip en termes de consum. Per aix\`o, en els \'ultims anys s'han proposat diverses t\`ecniques d'estalvi d'energia orientades a reduir el consum de la NoC mitjançant l'\'us de DVFS (Dynamic Voltage and Frequency Scaling) o estrat\`egies basades en ``power-gating''. Malgrat aix\`o, aquestes millores en les prestacions normalment s'obtenen a costa de sacrificar, en major o menor mesura, les prestacions del sistema i augmenta aix\'i el risc de saturar la xarxa al generar-se punts de congesti\'o, que al mateix temps, comprometen el rendiment de la resta del sistema. Un efecte col-lateral \'es el ``Head-of- Line blocking'', mitjançant el qual, els paquets congestionats al cap de la cua, impedixen que altres paquets no congestionats avancen. A fi de solucionar eixe problema, en aquesta tesi, en primer lloc, proposem noves t\`ecniques de control de congesti\'o amb l'objectiu d'incrementar el rendiment del sistema per mitj\`a de l'eliminaci\'o del ``Head-of- Line blocking'', i d'altra banda, proposem solucions combinades adaptades a DVFS amb la finalitat d'aconseguir millores en termes de rendiment i energia. A m\'es, proposem una t\`ecnica de ``power-gating'' orientada a rutes de dades, la qual \'es capa\c c de detectar fluxos de dades al compartir recursos al llarg de les rutes i apagar eixos recursos de forma din\`amica quan no s\'on necessaris. Amb totes aquestes solucions combinades podem reduir el consum d'energia de la NoC en comparaci\'o amb altres t\`ecniques presents en l'estat de l'art.Escamilla López, JV. (2017). Head-of-Line Blocking Reduction in Power-Efficient Networks-on-Chip [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/90419TESISCompendi

Analyse und Erweiterung eines fehler-toleranten NoC für SRAM-basierte FPGAs in Weltraumapplikationen

Data Processing Units for scientific space mission need to process ever higher volumes of data and perform ever complex calculations. But the performance of available space-qualified general purpose processors is just in the lower three digit megahertz range, which is already insufficient for some applications. As an alternative, suitable processing steps can be implemented in hardware on a space-qualified SRAM-based FPGA. However, suitable devices are susceptible against space radiation. At the Institute for Communication and Network Engineering a fault-tolerant, network-based communication architecture was developed, which enables the construction of processing chains on the basis of different processing modules within suitable SRAM-based FPGAs and allows the exchange of single processing modules during runtime, too. The communication architecture and its protocol shall isolate non SEU mitigated or just partial SEU mitigated modules affected by radiation-induced faults to prohibit the propagation of errors within the remaining System-on-Chip. In the context of an ESA study, this communication architecture was extended with further components and implemented in a representative hardware platform. Based on the acquired experiences during the study, this work analyses the actual fault-tolerance characteristics as well as weak points of this initial implementation. At appropriate locations, the communication architecture was extended with mechanisms for fault-detection and fault-differentiation as well as with a hardware-based monitoring solution. Both, the former measures and the extension of the employed hardware-platform with selective fault-injection capabilities for the emulation of radiation-induced faults within critical areas of a non SEU mitigated processing module, are used to evaluate the effects of radiation-induced faults within the communication architecture. By means of the gathered results, further measures to increase fast detection and isolation of faulty nodes are developed, selectively implemented and verified. In particular, the ability of the communication architecture to isolate network nodes without SEU mitigation could be significantly improved.Instrumentenrechner für wissenschaftliche Weltraummissionen müssen ein immer höheres Datenvolumen verarbeiten und immer komplexere Berechnungen ausführen. Die Performanz von verfügbaren qualifizierten Universalprozessoren liegt aber lediglich im unteren dreistelligen Megahertz-Bereich, was für einige Anwendungen bereits nicht mehr ausreicht. Als Alternative bietet sich die Implementierung von entsprechend geeigneten Datenverarbeitungsschritten in Hardware auf einem qualifizierten SRAM-basierten FPGA an. Geeignete Bausteine sind jedoch empfindlich gegenüber der Strahlungsumgebung im Weltraum. Am Institut für Datentechnik und Kommunikationsnetze wurde eine fehlertolerante netzwerk-basierte Kommunikationsarchitektur entwickelt, die innerhalb eines geeigneten SRAM-basierten FPGAs Datenverarbeitungsmodule miteinander nach Bedarf zu Verarbeitungsketten verbindet, sowie den Austausch von einzelnen Modulen im Betrieb ermöglicht. Nicht oder nur partiell SEU mitigierte Module sollen bei strahlungsbedingten Fehlern im Modul durch das Protokoll und die Fehlererkennungsmechanismen der Kommunikationsarchitektur isoliert werden, um ein Ausbreiten des Fehlers im restlichen System-on-Chip zu verhindern. Im Kontext einer ESA Studie wurde diese Kommunikationsarchitektur um Komponenten erweitert und auf einer repräsentativen Hardwareplattform umgesetzt. Basierend auf den gesammelten Erfahrungen aus der Studie, wird in dieser Arbeit eine Analyse der tatsächlichen Fehlertoleranz-Eigenschaften sowie der Schwachstellen dieser ursprünglichen Implementierung durchgeführt. Die Kommunikationsarchitektur wurde an geeigneten Stellen um Fehlerdetektierungs- und Fehlerunterscheidungsmöglichkeiten erweitert, sowie um eine hardwarebasierte Überwachung ergänzt. Sowohl diese Maßnahmen, als auch die Erweiterung der Hardwareplattform um gezielte Fehlerinjektions-Möglichkeiten zum Emulieren von strahlungsinduzierten Fehlern in kritischen Komponenten eines nicht SEU mitigierten Prozessierungsmoduls werden genutzt, um die tatsächlichen auftretenden Effekte in der Kommunikationsarchitektur zu evaluieren. Anhand der Ergebnisse werden weitere Verbesserungsmaßnahmen speziell zur schnellen Detektierung und Isolation von fehlerhaften Knoten erarbeitet, selektiv implementiert und verifiziert. Insbesondere die Fähigkeit, fehlerhafte, nicht SEU mitigierte Netzwerkknoten innerhalb der Kommunikationsarchitektur zu isolieren, konnte dabei deutlich verbessert werden

Improving Packet Predictability of Scalable Network-on-Chip Designs without Priority Pre-emptive Arbitration

The quest for improving processing power and efficiency is spawning research into many-core systems with hundreds or thousands of cores. With communication being forecast as the foremost performance bottleneck, Network-on-Chips are the favoured communication infrastructure in the context mainly due to reasons like scalability and power efficiency. However, contention between non-preemptive NoC packets can result in variation in packet latencies thus potentially limiting the overall utilisation of the many-core system. Typical latency predictability enhancement techniques like Virtual Channels or Time Division Multiplexing are usually hardware expensive or non-scalable or both. This research explores the use of dynamic and scalable techniques in Network-on-Chip routers to improve packet predictability by countering Head-of-line blocking (blocked low priority packet blocking a high priority packet) and tailbacking (low priority packet utilising the link that is required by a high priority packet) of non-preemptive packets. The Priority forwarding and tunnelling technique introduced is designed to detect Head-of-line blocking situations so that its internal arbitration parameters can be altered (by forwarding packet parameters down the line) to resolve such issues. The Selective packet splitting technique presented allows resolution of tailbacking by emulating the effect of preemption of packets (by splitting packets) by using a low overhead alternative that manipulates packets. Finally, the thesis presents an architecture that allows the routers to have a notion of timeliness in data packets thus enabling packet arbitration based on application-supplied priority and timeliness thus improving the quality of service given to lower priority packets. Furthermore, the techniques presented in the thesis do not require additional hardware with the increase in size of the NoC. This enables the techniques to be scalable, as the size of the NoC or the number of packet priorities the NoC has to handle does not affect the functionality and operation of the techniques