Development of Energy Models for Design Space Exploration of Embedded Many-Core Systems

This paper introduces a methodology to develop energy models for the design space exploration of embedded many-core systems. The design process of such systems can benefit from sophisticated models. Software and hardware can be specifically optimized based on comprehensive knowledge about application scenario and hardware behavior. The contribution of our work is an automated framework to estimate the energy consumption at an arbitrary abstraction level without the need to provide further information about the system. We validated our framework with the configurable many-core system CoreVA-MPSoC. Compared to a simulation of the CoreVA-MPSoC on gate level in a 28nm FD-SOI standard cell technology, our framework shows an average estimation error of about 4%.Comment: Presented at HIP3ES, 201

CoreVA-MPSoC: A Many-core Architecture with Tightly Coupled Shared and Local Data Memories

Ax J, Sievers G, Daberkow J, et al. CoreVA-MPSoC: A Many-core Architecture with Tightly Coupled Shared and Local Data Memories. IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems. 2018;29(5):1030-1043

System-Level Analysis of Network Interfaces for Hierarchical MPSoCs

Ax J, Sievers G, Flasskamp M, Kelly W, Jungeblut T, Porrmann M. System-Level Analysis of Network Interfaces for Hierarchical MPSoCs. In: Proceedings of the 8th International Workshop on Network on Chip Architectures (NoCArc). New York, NY, USA: ACM; 2015: 3-8.Network Interfaces (NIs) are used in Multiprocessor System-on-Chips (MPSoCs) to connect CPUs to a packet switched Network-on-Chip. In this work we introduce a new NI architecture for our hierarchical CoreVA-MPSoC. The CoreVA-MPSoC targets streaming applications in embedded systems. The main contribution of this paper is a system-level analysis of different NI configurations, considering both software and hardware costs for NoC communication. Different configurations of the NI are compared using a benchmark suite of 10 streaming applications. The best performing NI configuration shows an average speedup of 20 for a CoreVA-MPSoC with 32 CPUs compared to a single CPU. Furthermore, we present physical implementation results using a 28 nm FD-SOI standard cell technology. A hierarchical MPSoC with 8 CPU clusters and 4 CPUs in each cluster running at 800 MHz requires an area of 4.56 mm²

Heterogeneous Architectures For Parallel Acceleration

To enable a new generation of digital computing applications, the greatest challenge is to provide a better level of energy efficiency (intended as the performance that a system can provide within a certain power budget) without giving up a systems's flexibility. This constraint applies to digital system across all scales, starting from ultra-low power implanted devices up to datacenters for high-performance computing and for the "cloud". In this thesis, we show that architectural heterogeneity is the key to provide this efficiency and to respond to many of the challenges of tomorrow's computer architecture - and at the same time we show methodologies to introduce it with little or no loss in terms of flexibility. In particular, we show that heterogeneity can be employed to tackle the "walls" that impede further development of new computing applications: the utilization wall, i.e. the impossibility to keep all transistors on in deeply integrated chips, and the "data deluge", i.e. the amount of data to be processed that is scaling up much faster than the computing performance and efficiency. We introduce a methodology to improve heterogeneous design exploration of tightly coupled clusters; moreover we propose a fractal heterogeneity architecture that is a parallel accelerator for low-power sensor nodes, and is itself internally heterogeneous thanks to an heterogeneous coprocessor for brain-inspired computing. This platform, which is silicon-proven, can lead to more than 100x improvement in terms of energy efficiency with respect to typical computing nodes used within the same domain, enabling the application of complex algorithms, vastly more performance-hungry than the current state-of-the-art in the ULP computing domain

ControlPULP: A RISC-V On-Chip Parallel Power Controller for Many-Core HPC Processors with FPGA-Based Hardware-In-The-Loop Power and Thermal Emulation

High-Performance Computing (HPC) processors are nowadays integrated Cyber-Physical Systems demanding complex and high-bandwidth closed-loop power and thermal control strategies. To efficiently satisfy real-time multi-input multi-output (MIMO) optimal power requirements, high-end processors integrate an on-die power controller system (PCS). While traditional PCSs are based on a simple microcontroller (MCU)-class core, more scalable and flexible PCS architectures are required to support advanced MIMO control algorithms for managing the ever-increasing number of cores, power states, and process, voltage, and temperature variability. This paper presents ControlPULP, an open-source, HW/SW RISC-V parallel PCS platform consisting of a single-core MCU with fast interrupt handling coupled with a scalable multi-core programmable cluster accelerator and a specialized DMA engine for the parallel acceleration of real-time power management policies. ControlPULP relies on FreeRTOS to schedule a reactive power control firmware (PCF) application layer. We demonstrate ControlPULP in a power management use-case targeting a next-generation 72-core HPC processor. We first show that the multi-core cluster accelerates the PCF, achieving 4.9x speedup compared to single-core execution, enabling more advanced power management algorithms within the control hyper-period at a shallow area overhead, about 0.1% the area of a modern HPC CPU die. We then assess the PCS and PCF by designing an FPGA-based, closed-loop emulation framework that leverages the heterogeneous SoCs paradigm, achieving DVFS tracking with a mean deviation within 3% the plant's thermal design power (TDP) against a software-equivalent model-in-the-loop approach. Finally, we show that the proposed PCF compares favorably with an industry-grade control algorithm under computational-intensive workloads.Comment: 33 pages, 11 figure

On-Chip-Netzwerk-Architekturen für eingebettete hierarchische Multiprozessoren

Ax J. On-Chip-Netzwerk-Architekturen für eingebettete hierarchische Multiprozessoren. Bielefeld: Universität Bielefeld; 2019.Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Realisierung und Analyse einer skalierbaren Verbindungsstruktur für ein Multi-Prozessorsystem auf einem Chip (MPSoC). Durch die zunehmende Digitalisierung werden in immer mehr Geräten des täglichen Lebens und der Industrie mikroelektronische Systeme eingesetzt. Hierbei handelt es sich häufig um energiebeschränkte Systeme, die zusätzlich einen stetig steigenden Bedarf an Rechenleistung aufweisen. Ein Trend, diesen Bedarf zu decken ist die Integration von zunehmend mehr Prozessorkernen auf einem einzelnen Mikrochip. Many-Core-Systeme mit vielen hunderten bis tausenden ressourceneffizienten CPU-Kernen versprechen hierbei eine besonders hohe Energieeffizienz. Im Vergleich zu Systemen mit wenigen leistungsfähigen, jedoch auch komplexeren CPUs, wird bei Many-Cores die Rechenleistung durch massive Parallelität erzielt. In der AG Kognitronik und Sensorik der Universität Bielefeld wird dazu das CoreVA-MPSoC entwickelt. Um hunderte von CPUs auf einen Chip zu integrieren, verfügt das CoreVA-MPSoC über eine hierarchische Verbindungsstruktur. Diese besteht aus einem On-Chip-Netzwerk (NoC), welches eine Vielzahl von CPU-Cluster koppelt. In jedem CPU-Cluster sind mehrere ressourceneffiziente VLIW-Prozessorkerne über eine eng gekoppelte Bus-Struktur verbunden. Der Fokus dieser Arbeit ist die Entwicklung und Entwurfsraumexploration einer ressourceneffizienten NoC-Architektur für den Einsatz im CoreVA-MPSoC. Die Entwurfsraumexploration findet dazu auf verschiedenen Ebenen statt. Auf der Ebene der Verbindungsstruktur des NoCs werden verschiedene Topologien und Mechanismen der Flusskontrolle untersucht. Des Weiteren wird die Entwicklung und Analyse eines synchronen, mesochronen und asynchronen NoCs vorgestellt, um die Skalierbarkeit und Energieeffizienz dieser Methoden zu untersuchen. Eine weitere Ebene bildet die Schnittstelle zum Prozessorsystem bzw. CPU-Cluster, die einen maßgeblichen Einfluss auf die Softwareentwicklung und Gesamtperformanz des Systems hat. Auf Systemebene wird schließlich die Anbindung verschiedener Speicherarchitekturen an das NoC vorgestellt und deren Auswirkung auf Performanz und Energiebedarf analysiert. Ein abstraktes Modell des CoreVA-MPSoCs mit Fokus auf dem NoC erlaubt die Abschätzung von Fläche, Performanz und Energie des Systems, bzw. der Ausführung von Streaming-Anwendungen. Dieses Modell kann im CoreVA-MPSoC-Compiler für die automatische Abbildung von Anwendungen auf dem MPSoC eingesetzt werden. Zehn Streaming-Anwendungen, vorwiegend aus dem Bereich der Signal- und Bildverarbeitung, zeigen bei der Abbildung auf einem CoreVA-MPSoC mit 32 CPUs eine durchschnittliche Beschleunigung um den Faktor 24 gegenüber der Ausführung auf einer CPU. Ein CoreVA-MPSoC mit 64 CPUs und insgesamt 3MB Speicher besitzt bei einer prototypischen Implementierung in einer 28-nm-FD-SOI-Standardzellenbibliothek einen Flächenbedarf von 14,4mm2. Bei einer Taktfrequenz von 700MHz liegt die durchschnittliche Leistungsaufnahme bei 2W. Eine FPGA-basierte Emulation auf einem FPGA-Cluster aus Xilinx Virtex-5-FPGAs erlaubt zudem eine skalierbare Verifikation eines CoreVA-MPSoCs mit nahezu beliebig vielen CPUs

Entwurfsraumexploration eng gekoppelter paralleler Rechnerarchitekturen

Sievers G. Entwurfsraumexploration eng gekoppelter paralleler Rechnerarchitekturen. Bielefeld: Universität Bielefeld; 2016.Eingebettete mikroelektronische Systeme finden in vielen Bereichen des täglichen Lebens Anwendung. Die Integration von zunehmend mehr Prozessorkernen auf einem einzelnen Mikrochip (On-Chip-Multiprozessor, MPSoC) erlaubt eine Steigerung der Rechenleistung und der Ressourceneffizienz dieser Systeme. In der AG Kognitronik und Sensorik der Universität Bielefeld wird das CoreVA-MPSoC entwickelt, welches ressourceneffiziente VLIW-Prozessorkerne über eine hierarchische Verbindungsstruktur koppelt. Eine enge Kopplung mehrerer Prozessorkerne in einem Cluster ermöglicht hierbei eine breitbandige Kommunikation mit geringer Latenz. Der Hauptbeitrag der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung und Entwurfsraumexploration eines ressourceneffizienten CPU-Clusters für den Einsatz im CoreVA-MPSoC. Eine abstrakte Modellierung der Hardware- und Softwarekomponenten des CPU-Clusters sowie ein hoch automatisierter Entwurfsablauf ermöglichen die schnelle Analyse eines großen Entwurfsraums. Im Rahmen der Entwurfsraumexploration werden verschiedene Topologien, Busstandards und Speicherarchitekturen untersucht. Insbesondere das Zusammenspiel der Hardware-Architektur mit Programmiermodell und Synchronisierung ist evident für eine hohe Ressourceneffizienz und eine gute Ausnutzung der verfügbaren Rechenleistung durch den Anwendungsentwickler. Dazu wird ein an die Hardwarearchitektur angepasstes blockbasiertes Synchronisierungsverfahren vorgestellt. Dieses Verfahren wird von Compilern für die Sprachen StreamIt, C sowie OpenCL verwendet, um Anwendungen auf verschiedenen Konfigurationen des CPU-Clusters abzubilden. Neun repräsentative Streaming-Anwendungen zeigen bei der Abbildung auf einem Cluster mit 16 CPUs eine durchschnittliche Beschleunigung um den Faktor 13,3 gegenüber der Ausführung auf einer CPU. Zudem wird ein eng gekoppelter gemeinsamer L1-Datenspeicher mit mehreren Speicherbänken in den CPU-Cluster integriert, der allen CPUs einen Zugriff mit geringer Latenz erlaubt. Des Weiteren wird die Verwendung verschiedener Instruktionsspeicher und -caches evaluiert sowie der Energiebedarf für Kommunikation und Synchronisierung im CPU-Cluster betrachtet. Es wird in dieser Arbeit gezeigt, dass ein CPU-Cluster mit 16 CPU-Kernen einen guten Kompromiss in Bezug auf den Flächenbedarf der Cluster-Verbindungsstruktur sowie die Leistungsfähigkeit des Clusters darstellt. Ein CPU-Cluster mit 16 2-Slot-VLIW-CPUs und insgesamt 512 kB Speicher besitzt bei einer prototypischen Implementierung in einer 28-nm-FD-SOI-Standardzellenbibliothek einen Flächenbedarf von 2,63 mm². Bei einer Taktfrequenz von 760 MHz liegt die durchschnittliche Leistungsaufnahme bei 440 mW. Eine FPGA-basierte Emulation auf einem Xilinx Virtex-7-FPGA erlaubt die Evaluierung eines CoreVA-MPSoCs mit bis zu 24 CPUs bei einer maximalen Taktfrequenz von bis zu 124 MHz. Als weiteres Anwendungsszenario wird ein CoreVA-MPSoC mit bis zu vier CPUs auf das FPGA des autonomen Miniroboters AMiRo abgebildet

Comparison of Shared and Private L1 Data Memories for an Embedded MPSoC in 28nm FD-SOI

Sievers G, Daberkow J, Ax J, et al. Comparison of Shared and Private L1 Data Memories for an Embedded MPSoC in 28nm FD-SOI. In: International Symposium on Embedded Multicore/Many-core Systems-on-Chip (MCSoC). IEEE; 2015: 175-181

GPU devices for safety-critical systems: a survey

Graphics Processing Unit (GPU) devices and their associated software programming languages and frameworks can deliver the computing performance required to facilitate the development of next-generation high-performance safety-critical systems such as autonomous driving systems. However, the integration of complex, parallel, and computationally demanding software functions with different safety-criticality levels on GPU devices with shared hardware resources contributes to several safety certification challenges. This survey categorizes and provides an overview of research contributions that address GPU devices’ random hardware failures, systematic failures, and independence of execution.This work has been partially supported by the European Research Council with Horizon 2020 (grant agreements No. 772773 and 871465), the Spanish Ministry of Science and Innovation under grant PID2019-107255GB, the HiPEAC Network of Excellence and the Basque Government under grant KK-2019-00035. The Spanish Ministry of Economy and Competitiveness has also partially supported Leonidas Kosmidis with a Juan de la Cierva Incorporación postdoctoral fellowship (FJCI-2020- 045931-I).Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Optimization Techniques for Parallel Programming of Embedded Many-Core Computing Platforms

Nowadays many-core computing platforms are widely adopted as a viable solution to accelerate compute-intensive workloads at different scales, from low-cost devices to HPC nodes. It is well established that heterogeneous platforms including a general-purpose host processor and a parallel programmable accelerator have the potential to dramatically increase the peak performance/Watt of computing architectures. However the adoption of these platforms further complicates application development, whereas it is widely acknowledged that software development is a critical activity for the platform design. The introduction of parallel architectures raises the need for programming paradigms capable of effectively leveraging an increasing number of processors, from two to thousands. In this scenario the study of optimization techniques to program parallel accelerators is paramount for two main objectives: first, improving performance and energy efficiency of the platform, which are key metrics for both embedded and HPC systems; second, enforcing software engineering practices with the aim to guarantee code quality and reduce software costs. This thesis presents a set of techniques that have been studied and designed to achieve these objectives overcoming the current state-of-the-art. As a first contribution, we discuss the use of OpenMP tasking as a general-purpose programming model to support the execution of diverse workloads, and we introduce a set of runtime-level techniques to support fine-grain tasks on high-end many-core accelerators (devices with a power consumption greater than 10W). Then we focus our attention on embedded computer vision (CV), with the aim to show how to achieve best performance by exploiting the characteristics of a specific application domain. To further reduce the power consumption of parallel accelerators beyond the current technological limits, we describe an approach based on the principles of approximate computing, which implies modification to the program semantics and proper hardware support at the architectural level