A Survey of Prediction and Classification Techniques in Multicore Processor Systems

In multicore processor systems, being able to accurately predict the future provides new optimization opportunities, which otherwise could not be exploited. For example, an oracle able to predict a certain application\u27s behavior running on a smart phone could direct the power manager to switch to appropriate dynamic voltage and frequency scaling modes that would guarantee minimum levels of desired performance while saving energy consumption and thereby prolonging battery life. Using predictions enables systems to become proactive rather than continue to operate in a reactive manner. This prediction-based proactive approach has become increasingly popular in the design and optimization of integrated circuits and of multicore processor systems. Prediction transforms from simple forecasting to sophisticated machine learning based prediction and classification that learns from existing data, employs data mining, and predicts future behavior. This can be exploited by novel optimization techniques that can span across all layers of the computing stack. In this survey paper, we present a discussion of the most popular techniques on prediction and classification in the general context of computing systems with emphasis on multicore processors. The paper is far from comprehensive, but, it will help the reader interested in employing prediction in optimization of multicore processor systems

A survey of emerging architectural techniques for improving cache energy consumption

The search goes on for another ground breaking phenomenon to reduce the ever-increasing disparity between the CPU performance and storage. There are encouraging breakthroughs in enhancing CPU performance through fabrication technologies and changes in chip designs but not as much luck has been struck with regards to the computer storage resulting in material negative system performance. A lot of research effort has been put on finding techniques that can improve the energy efficiency of cache architectures. This work is a survey of energy saving techniques which are grouped on whether they save the dynamic energy, leakage energy or both. Needless to mention, the aim of this work is to compile a quick reference guide of energy saving techniques from 2013 to 2016 for engineers, researchers and students

Design and Implementation of High QoS 3D-NoC using Modified Double Particle Swarm Optimization on FPGA

One technique to overcome the exponential growth bottleneck is to increase the number of cores on a processor, although having too many cores might cause issues including chip overheating and communication blockage. The problem of the communication bottleneck on the chip is presently effectively resolved by networks-on-chip (NoC). A 3D stack of chips is now possible, thanks to recent developments in IC manufacturing techniques, enabling to reduce of chip area while increasing chip throughput and reducing power consumption. The automated process associated with mapping applications to form three-dimensional NoC architectures is a significant new path in 3D NoC research. This work proposes a 3D NoC partitioning approach that can identify the 3D NoC region that has to be mapped. A double particle swarm optimization (DPSO) inspired algorithmic technique, which may combine the characteristics having neighbourhood search and genetic architectures, also addresses the challenge of a particle swarm algorithm descending into local optimal solutions. Experimental evidence supports the claim that this hybrid optimization algorithm based on Double Particle Swarm Optimisation outperforms the conventional heuristic technique in terms of output rate and loss in energy. The findings demonstrate that in a network of the same size, the newly introduced router delivers the lowest loss on the longest path.  Three factors, namely energy, latency or delay, and throughput, are compared between the suggested 3D mesh ONoC and its 2D version. When comparing power consumption between 3D ONoC and its electronic and 2D equivalents, which both have 512 IP cores, it may save roughly 79.9% of the energy used by the electronic counterpart and 24.3% of the energy used by the latter. The network efficiency of the 3D mesh ONoC is simulated by DPSO in a variety of configurations. The outcomes also demonstrate an increase in performance over the 2D ONoC. As a flexible communication solution, Network-On-Chips (NoCs) have been frequently employed in the development of multiprocessor system-on-chips (MPSoCs). By outsourcing their communication activities, NoCs permit on-chip Intellectual Property (IP) cores to communicate with one another and function at a better level. The important components in assigning application duties, distributing the work to the IPs, and coordinating communication among them are mapping and scheduling methods. This study aims to present an entirely advanced form of research in the area of 3D NoC mapping and scheduling applications, grouping the results according to various parameters and offering several suggestions for further research

Proactive Adaptation in Self-Organizing Task-based Runtime Systems for Different Computing Classes

Moderne Computersysteme bieten Anwendern und Anwendungsentwicklern ein hohes Maß an Parallelität und Heterogenität. Die effiziente Nutzung dieser Systeme erfordert jedoch tiefgreifende Kenntnisse, z.B. der darunterliegenden Hardware-Plattform und den notwendigen Programmiermodellen, und umfangreiche Arbeit des Entwicklers. In dieser Thesis bezieht sich die effiziente Nutzung auf die Gesamtausführungszeit der Anwendungen, den Energieverbrauch des Systems, die maximale Temperatur der Verarbeitungseinheiten und die Zuverlässigkeit des Systems. Neben den verschiedenen Optimierungszielen muss ein Anwendungsentwickler auch die spezifischen Einschränkungen und Randbedingungen des Systems berücksichtigen, wie z. B. Deadlines oder Sicherheitsgarantien, die mit bestimmten Anwendungsbereichen einhergehen. Diese Komplexität heterogener Systeme macht es unmöglich, alle potenziellen Systemzustände und Umwelteinflüsse, die zur Laufzeit auftreten können, vorherzusagen. Die System- und Anwendungsentwickler sind somit nicht in der Lage, zur Entwurfszeit festzulegen, wie das System und die Anwendungen in allen möglichen Situationen reagieren sollen. Daher ist es notwendig, die Systeme zur Laufzeit der aktuellen Situation anzupassen, um ihr Verhalten entsprechend zu optimieren. In eingebetteten Systemen mit begrenzten Kühlkapazitäten muss z.B. bei Erreichen einer bestimmten Temperaturschwelle eine Lastverteilung vorgenommen, die Frequenz verringert oder Verarbeitungseinheiten abgeschaltet werden, um die Wärmeentwicklung zu reduzieren. Normalerweise reicht es aber nicht aus, einfach nur auf einen ungünstigen Systemzustand zu reagieren. Das Ziel sollte darin bestehen, ungünstige oder fehlerhafte Systemzustände vor dem Auftreten zu vermeiden, um die Notwendigkeit des Aufrufs von Notfallfunktionen zu verringern und die Benutzerfreundlichkeit zu verbessern. Anstatt beispielsweise die Wärmeentwicklung durch eine Neuverteilung der Anwendungen zu reduzieren, könnten proaktive Mechanismen kritische Temperaturen bereits im Vorfeld vermeiden, indem sie bestimmte unkritische Aufgaben verzögern oder deren Genauigkeit oder QoS verringern. Auf diese Weise wird die Systemlast reduziert, bevor ein kritischer Punkt erreicht wird. Lösungen des aktuellen Stands der Technik wie einheitliche Programmiersprachen oder Laufzeitsysteme adressieren einige der oben genannten Herausforderungen, jedoch existiert kein Ansatz, der in der Lage ist, eine Optimierung mehrerer sich widersprechender Zielfunktionen dynamisch und vor allem proaktiv durchzuführen. Ein Konzept, das diese komplexe Aufgabe für den Entwickler übernimmt und eine Möglichkeit zur dynamischen und proaktiven Anpassung an Veränderungen bietet, ist die Selbstorganisation. Selbstorganisation ist jedoch definiert als ein Prozess ohne externe Kontrolle oder Steuerung. Im Kontext der Systemoptimierung kann dies leicht zu unerwünschten Ergebnissen führen. Ein Ansatz, der Selbstorganisation mit einem Kontrollmechanismus kombiniert, welcher auf Robustheit und Widerstandsfähigkeit gegenüber äußeren Störungen abzielt, ist Organic Computing. Das bestimmende Merkmal von Organic Computing ist eine Observer/Controller-Architektur. Das Konzept dieser Architektur besteht darin, den aktuellen Zustand des Systems und der Umgebung zu überwachen, diese Daten zu analysieren und auf der Grundlage dieser Analyse Entscheidungen über das zukünftige Systemverhalten zu treffen. Organic Computing ermöglicht es also auf der Grundlage der vergangenen und des aktuellen Zustands proaktiv Mechanismen auszuwählen und auszulösen, die das System optimieren und unerwünschte Zustände vermeiden. Um die Vorteile des Organic Computings auf moderne heterogene Systeme zu übertragen, kombiniere ich den Organic Computing-Ansatz mit einem Laufzeitsystem. Laufzeitsysteme sind ein vielversprechender Kandidat für die Umsetzung des Organic Computing-Ansatzes, da sie bereits die Ausführung von Anwendungen überwachen und steuern. Insbesondere betrachte und bearbeite ich in dieser Dissertation die folgenden Forschungsthemen, indem ich die Konzepte des Organic Computings und der Laufzeitsysteme kombiniere: • Erfassen des aktuellen Systemzustands durch Überwachung von Sensoren und Performance Countern • Vorhersage zukünftiger Systemzustände durch Analyse des vergangenen Verhaltens • Nutzung von Zustandsinformationen zur proaktiven Anpassung des Systems Ich erweitere das Thema der Erfassung von Systemzuständen auf zwei Arten. Zunächst führe ich eine neuartige heuristische Metrik zur Berechnung der Zuverlässigkeit einer Verarbeitungseinheit ein, die auf symptombasierter Fehlererkennung basiert. Symptombasierte Fehlererkennung ist eine leichtgewichtige Methode zur dynamischen Erkennung von soften Hardware-Fehlern durch Überwachung des Ausführungsverhaltens mit Performance Countern. Die dynamische Erkennung von Fehlern ermöglicht dann die Berechnung einer heuristischen Fehlerrate einer Verarbeitungseinheit in einem bestimmten Zeitfenster. Die Fehlerrate wird verwendet, um die Anzahl der erforderlichen Ausführungen einer Anwendung zu berechnen, um eine bestimmte Ergebniszuverlässigkeit, also eine Mindestwahrscheinlichkeit für ein korrektes Ergebnis, zu gewährleisten. Ein wichtiger Aspekt der Zustandserfassung ist die Minimierung des entstehenden Overheads. Ich verringere die Anzahl der für OpenMP-Tasks notwendigen Profiling-Durchläufe durch Thread-Interpolation und Überprüfungen des Skalierungsverhaltens. Zusätzlich untersuche ich die Vorhersage von OpenCL Task-Ausführungszeiten. Die Prädiktoren der Ausführungszeiten werden mit verschiedenen maschinellen Lernalgorithmen trainiert. Als Input werden Profile der Kernel verwendet, die durch statische Codeanalyse erstellt wurden. Um in dieser Dissertation zukünftige Systemzustände vorherzusagen, sollen Anwendungen vorausgesagt werden, die in naher Zukunft im System vorkommen werden. In Kombination mit der Ausführungsdatenbank ermöglicht dies die Schätzung der anstehenden Kosten, die das System zu bewältigen hat. In dieser Arbeit werden zwei Mechanismen zur Vorhersage von Anwendungen/Tasks entwickelt. Der erste Prädiktor zielt darauf ab, neue Instanzen unabhängiger Tasks vorherzusagen. Der zweite Mechanismus betrachtet Ausführungsmuster abhängiger Anwendungen und sagt auf dieser Grundlage zukünftig auftretende Anwendungen vorher. Beide Mechanismen verwenden eine Vorhersagetabelle, die auf Markov-Prädiktoren und dem Abgleich von Mustern basiert. In dieser Arbeit wird das Wissen, das durch die Systemüberwachung und die Vorhersage zukünftiger Anwendungen gewonnen wird, verwendet, um die Optimierungsziele des Systems proaktiv in Einklang zu bringen und zu gewichten. Dies geschieht durch eine Reihe von Regeln, die eine Systemzustandsbeschreibung, bestehend aus dem aktuellen Zustand, Vorhersagen und Randbedingungen bzw. Beschränkungen, auf einen Vektor aus Gewichten abbilden. Zum Erlernen der Regelmenge wird ein Extended Classifer System (XCS) eingesetzt. Das XCS ist in eine hierarchische Architektur eingebettet, die nach den Prinzipien des Organic Computing entworfen wurde. Eine wichtige Designentscheidung ist dabei die Auslagerung der Erstellung neuer Regeln an einen Offline-Algorithmus, der einen Simulator nutzt und parallel zum normalen Systemablauf ausgeführt wird. Dadurch wird sichergestellt, dass keine ungetesteten Regeln, deren Auswirkungen noch nicht bekannt sind, dem laufenden System hinzugefügt werden. Die sich daraus ergebenden Gewichte werden schließlich verwendet, um eine Bewertungsfunktion für List Scheduling-Algorithmen zu erstellen. Diese Dissertation erweitert das Forschungsgebiet der Scheduling-Algorithmen durch zwei Mechanismen für dynamisches Scheduling. Die erste Erweiterung konzentriert sich auf nicht sicherheitskritische Systeme, die Prioritäten verwenden, um die unterschiedliche Wichtigkeit von Tasks auszudrücken. Da statische Prioritäten in stark ausgelasteten Systemen zu Starvation führen können, habe ich einen dynamischen Ageing-Mechanismus entwickelt, der dazu in der Lage ist, die Prioritäten der Tasks entsprechend der aktuellen Auslastung und ihrer Wartezeiten anzupassen. Dadurch reduziert der Mechanismus die Gesamtlaufzeit über alle Tasks und die Wartezeit für Tasks mit niedrigerer Priorität. Noch ist eine große Anzahl von Anwendungen nicht dazu bereit, den hohen Grad an Parallelität zu nutzen, den moderne Computersysteme bieten. Ein Konzept, das versucht dieses Problem zu lösen, indem es mehrere verschiedene Prozesse auf demselben Rechenknoten zur Ausführung bringt, ist das Co-Scheduling. In dieser Dissertation stelle ich einen neuartigen Co-Scheduling-Mechanismus vor, welcher die Task-Schedules mehrerer Laufzeitsysteminstanzen optimiert, die auf demselben Rechenknoten ausgeführt werden. Um die notwendigen Informationen zwischen den Laufzeitsysteminstanzen zu teilen, speichert der Mechanismus die Daten in Shared Memory. Sobald ein Laufzeitsystem neue Tasks in das System einfügt, prüft der Mechanismus, ob die Berechnung eines neuen Schedules sinnvoll ist. Wird die Entscheidung getroffen, einen neuen Schedule zu berechnen, setzt der Mechanismus Simulated Annealing ein, um alle Tasks, die bisher noch nicht mit ihrer Ausführung begonnen haben, neu auf Ausführungseinheiten abzubilden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass diese Arbeit neuartige Mechanismen und Algorithmen sowie Erweiterungen zu verschiedenen Forschungsgebieten anbietet, um ein proaktives selbst-organisierendes System zu implementieren, das sich an neue und unbekannte Situationen anpassen kann. Dabei wird die Komplexität für Benutzer und Anwendungsentwickler reduziert, indem die Entscheidungsfindung in das System selbst ausgelagert wird. Gleichzeitig sorgt dieser Ansatz für eine effiziente Nutzung der Ressourcen des Systems. Insgesamt leistet diese Arbeit die folgenden Beiträge zur Erweiterung des Stands der Forschung: • Einführung einer neuartigen heuristischen Metrik zur Messung der Zuverlässigkeit von Verarbeitungseinheiten. Die Metrik basiert auf einer leichtgewichtigen Methode zur Fehlererkennung, genannt symptombasierte Fehlererkennung. Mit der symptombasierten Fehlererkennung ist es möglich, mehrere injizierte Fehlerklassen und Interferenzen, die Soft-Hardware-Fehler simulieren, sowohl auf einer CPU als auch auf einer GPU zuverlässig zu erkennen. Darüber hinaus werden diese Ergebnisse durch Welch\u27s t-Test statistisch bestätigt. • Vorschlag eines Vorhersagemodells für die Ausführungszeit von OpenCL Kerneln, das auf statischer Code-Analyse basiert. Das Modell ist in der Lage, die schnellste Verarbeitungseinheit aus einer Menge von Verarbeitungseinheiten mit einer Genauigkeit von im schlechtesten Fall $69\,\%$ auszuwählen. Zum Vergleich: eine Referenzvariante, welche immer den Prozessor vorhersagt, der die meisten Kernel am schnellsten ausführt, erzielt eine Genauigkeit von $25\,\%$. Im besten Fall erreicht das Modell eine Genauigkeit von bis zu $83\,\%$. • Bereitstellung von zwei Prädiktoren für kommende Tasks/Anwendungen. Der erste Mechanismus betrachtet unabhängige Tasks, die ständig neue Task-Instanzen erstellen, der zweite abhängige Anwendungen, die Ausführungsmuster bilden. Dabei erzielt der erste Mechanismus bei der Vorhersage der Zeitspanne zwischen zwei aufeinanderfolgenden Task-Instanzen einen maximalen\\ $sMAPE$-Wert von $4,33\,\%$ für sporadische und $0,002 \,\%$ für periodische Tasks. Darüber hinaus werden Tasks mit einem aperiodischen Ausführungsschema zuverlässig erkannt. Der zweite Mechanismus erreicht eine Genauigkeit von $77,6 \,\%$ für die Vorhersage der nächsten anstehenden Anwendung und deren Startzeit. • Einführung einer Umsetzung eines hierarchischen Organic Computing Frameworks mit dem Anwendungsgebiet Task-Scheduling. Dieses Framework enthält u.a. ein modifiziertes XCS, für dessen Design und Implementierung ein neuartiger Reward-Mechanismus entwickelt wird. Der Mechanismus bedient sich dabei eines speziell für diesen Zweck entwickelten Simulators zur Berechnung von Task-Ausführungskosten. Das XCS bildet Beschreibungen des Systemzustands auf Gewichte zur Balancierung der Optimierungsziele des Systems ab. Diese Gewichte werden in einer Bewertungsfunktion für List Scheduling-Algorithmen verwendet. Damit wird in einem Evaluationsszenario, welches aus einem fünfmal wiederholten Muster aus Anwendungen besteht, eine Reduzierung der Gesamtlaufzeit um $10,4\,\%$ bzw. $26,7\,s$, des Energieverbrauchs um $4,7\,\%$ bzw. $2061,1\,J$ und der maximalen Temperatur der GPU um $3,6\,\%$ bzw. $2,7 K$ erzielt. Lediglich die maximale Temperatur über alle CPU-Kerne erhöht sich um $6\,\%$ bzw. $2,3\,K$. • Entwicklung von zwei Erweiterungen zur Verbesserung des dynamischen Task-Schedulings für einzelne und mehrere Prozesse, z.B. mehrere Laufzeitsysteminstanzen. Der erste Mechanismus, ein Ageing-Algorithmus, betrachtet nicht sicherheitskritische Systeme, welche Task-Prioritäten verwenden, um die unterschiedliche Bedeutung von Anwendungen darzustellen. Da es in solchen Anwendungsszenarien in Kombination mit hoher Systemauslastung zu Starvation kommen kann, passt der Mechanismus die Task-Prioritäten dynamisch an die aktuelle Auslastung und die Task-Wartezeiten an. Insgesamt erreicht dieser Mechanismus in zwei Bewertungsszenarien eine durchschnittliche Laufzeitverbesserung von $3,75\,\%$ und $3,16\,\%$ bei gleichzeitiger Reduzierung der Durchlaufzeit von Tasks mit niedrigerer Priorität um bis zu $25,67\,\%$. Der zweite Mechanismus ermöglicht die Optimierung von Schedules mehrerer Laufzeitsysteminstanzen, die parallel auf demselben Rechenknoten ausgeführt werden. Dieser Co-Scheduling-Ansatz verwendet Shared Memory zum Austausch von Informationen zwischen den Prozessen und Simulated Annealing zur Berechnung neuer Task-Schedules. In zwei Evaluierungsszenarien erzielt der Mechanismus durchschnittliche Laufzeitverbesserungen von $19,74\,\%$ und $20,91\,\%$ bzw. etwa $2,7\,s$ und $3\,s$

Reliability-aware and energy-efficient system level design for networks-on-chip

2015 Spring.Includes bibliographical references.With CMOS technology aggressively scaling into the ultra-deep sub-micron (UDSM) regime and application complexity growing rapidly in recent years, processors today are being driven to integrate multiple cores on a chip. Such chip multiprocessor (CMP) architectures offer unprecedented levels of computing performance for highly parallel emerging applications in the era of digital convergence. However, a major challenge facing the designers of these emerging multicore architectures is the increased likelihood of failure due to the rise in transient, permanent, and intermittent faults caused by a variety of factors that are becoming more and more prevalent with technology scaling. On-chip interconnect architectures are particularly susceptible to faults that can corrupt transmitted data or prevent it from reaching its destination. Reliability concerns in UDSM nodes have in part contributed to the shift from traditional bus-based communication fabrics to network-on-chip (NoC) architectures that provide better scalability, performance, and utilization than buses. In this thesis, to overcome potential faults in NoCs, my research began by exploring fault-tolerant routing algorithms. Under the constraint of deadlock freedom, we make use of the inherent redundancy in NoCs due to multiple paths between packet sources and sinks and propose different fault-tolerant routing schemes to achieve much better fault tolerance capabilities than possible with traditional routing schemes. The proposed schemes also use replication opportunistically to optimize the balance between energy overhead and arrival rate. As 3D integrated circuit (3D-IC) technology with wafer-to-wafer bonding has been recently proposed as a promising candidate for future CMPs, we also propose a fault-tolerant routing scheme for 3D NoCs which outperforms the existing popular routing schemes in terms of energy consumption, performance and reliability. To quantify reliability and provide different levels of intelligent protection, for the first time, we propose the network vulnerability factor (NVF) metric to characterize the vulnerability of NoC components to faults. NVF determines the probabilities that faults in NoC components manifest as errors in the final program output of the CMP system. With NVF aware partial protection for NoC components, almost 50% energy cost can be saved compared to the traditional approach of comprehensively protecting all NoC components. Lastly, we focus on the problem of fault-tolerant NoC design, that involves many NP-hard sub-problems such as core mapping, fault-tolerant routing, and fault-tolerant router configuration. We propose a novel design-time (RESYN) and a hybrid design and runtime (HEFT) synthesis framework to trade-off energy consumption and reliability in the NoC fabric at the system level for CMPs. Together, our research in fault-tolerant NoC routing, reliability modeling, and reliability aware NoC synthesis substantially enhances NoC reliability and energy-efficiency beyond what is possible with traditional approaches and state-of-the-art strategies from prior work

Predictive power management for multi-core processors

textEnergy consumption by computing systems is rapidly increasing due to the growth of data centers and pervasive computing. In 2006 data center energy usage in the United States reached 61 billion kilowatt-hours (KWh) at an annual cost of 4.5 billion USD [Pl08]. It is projected to reach 100 billion KWh by 2011 at a cost of 7.4 billion USD. The nature of energy usage in these systems provides an opportunity to reduce consumption. Specifically, the power and performance demand of computing systems vary widely in time and across workloads. This has led to the design of dynamically adaptive or power managed systems. At runtime, these systems can be reconfigured to provide optimal performance and power capacity to match workload demand. This causes the system to frequently be over or under provisioned. Similarly, the power demand of the system is difficult to account for. The aggregate power consumption of a system is composed of many heterogeneous systems, each with a unique power consumption characteristic. This research addresses the problem of when to apply dynamic power management in multi-core processors by accounting for and predicting power and performance demand at the core-level. By tracking performance events at the processor core or thread-level, power consumption can be accounted for at each of the major components of the computing system through empirical, power models. This also provides accounting for individual components within a shared resource such as a power plane or top-level cache. This view of the system exposes the fundamental performance and power phase behavior, thus making prediction possible. This dissertation also presents an extensive analysis of complete system power accounting for systems and workloads ranging from servers to desktops and laptops. The analysis leads to the development of a simple, effective prediction scheme for controlling power adaptations. The proposed Periodic Power Phase Predictor (PPPP) identifies patterns of activity in multi-core systems and predicts transitions between activity levels. This predictor is shown to increase performance and reduce power consumption compared to reactive, commercial power management schemes by achieving higher average frequency in active phases and lower average frequency in idle phases.Electrical and Computer Engineerin

Predictive Dynamic Thermal and Power Management for Heterogeneous Mobile Platforms

abstract: Heterogeneous multiprocessor systems-on-chip (MPSoCs) powering mobile platforms integrate multiple asymmetric CPU cores, a GPU, and many specialized processors. When the MPSoC operates close to its peak performance, power dissipation easily increases the temperature, hence adversely impacts reliability. Since using a fan is not a viable solution for hand-held devices, there is a strong need for dynamic thermal and power management (DTPM) algorithms that can regulate temperature with minimal performance impact. This abstract presents a DTPM algorithm based on a practical temperature prediction methodology using system identification. The DTPM algorithm dynamically computes a power budget using the predicted temperature, and controls the types and number of active processors as well as their frequencies. Experiments on an octa-core big.LITTLE processor and common Android apps demonstrate that the proposed technique predicts temperature within 3% accuracy, while the DTPM algorithm provides around 6x reduction in temperature variance, and as large as 16% reduction in total platform power compared to using a fan.Dissertation/ThesisMasters Thesis Electrical Engineering 201

DAMOV: A New Methodology and Benchmark Suite for Evaluating Data Movement Bottlenecks

Data movement between the CPU and main memory is a first-order obstacle against improving performance, scalability, and energy efficiency in modern systems. Computer systems employ a range of techniques to reduce overheads tied to data movement, spanning from traditional mechanisms (e.g., deep multi-level cache hierarchies, aggressive hardware prefetchers) to emerging techniques such as Near-Data Processing (NDP), where some computation is moved close to memory. Our goal is to methodically identify potential sources of data movement over a broad set of applications and to comprehensively compare traditional compute-centric data movement mitigation techniques to more memory-centric techniques, thereby developing a rigorous understanding of the best techniques to mitigate each source of data movement. With this goal in mind, we perform the first large-scale characterization of a wide variety of applications, across a wide range of application domains, to identify fundamental program properties that lead to data movement to/from main memory. We develop the first systematic methodology to classify applications based on the sources contributing to data movement bottlenecks. From our large-scale characterization of 77K functions across 345 applications, we select 144 functions to form the first open-source benchmark suite (DAMOV) for main memory data movement studies. We select a diverse range of functions that (1) represent different types of data movement bottlenecks, and (2) come from a wide range of application domains. Using NDP as a case study, we identify new insights about the different data movement bottlenecks and use these insights to determine the most suitable data movement mitigation mechanism for a particular application. We open-source DAMOV and the complete source code for our new characterization methodology at https://github.com/CMU-SAFARI/DAMOV.Comment: Our open source software is available at https://github.com/CMU-SAFARI/DAMO

Power-constrained aware and latency-aware microarchitectural optimizations in many-core processors

As the transistor budgets outpace the power envelope (the power-wall issue), new architectural and microarchitectural techniques are needed to improve, or at least maintain, the power efficiency of next-generation processors. Run-time adaptation, including core, cache and DVFS adaptations, has recently emerged as a promising area to keep the pace for acceptable power efficiency. However, none of the adaptation techniques proposed so far is able to provide good results when we consider the stringent power budgets that will be common in the next decades, so new techniques that attack the problem from several fronts using different specialized mechanisms are necessary. The combination of different power management mechanisms, however, bring extra levels of complexity, since other factors such as workload behavior and run-time conditions must also be considered to properly allocate power among cores and threads. To address the power issue, this thesis first proposes Chrysso, an integrated and scalable model-driven power management that quickly selects the best combination of adaptation methods out of different core and uncore micro-architecture adaptations, per-core DVFS, or any combination thereof. Chrysso can quickly search the adaptation space by making performance/power projections to identify Pareto-optimal configurations, effectively pruning the search space. Chrysso achieves 1.9x better chip performance over core-level gating for multi-programmed workloads, and 1.5x higher performance for multi-threaded workloads. Most existing power management schemes use a centralized approach to regulate power dissipation. Unfortunately, the complexity and overhead of centralized power management increases significantly with core count rendering it in-viable at fine-grain time slices. The work leverages a two-tier hierarchical power manager. This solution is highly scalable with low overhead on a tiled many-core architecture with shared LLC and per-tile DVFS at fine-grain time slices. The global power is first distributed across tiles using GPM and then within a tile (in parallel across all tiles). Additionally, this work also proposes DVFS and cache-aware thread migration (DCTM) to ensure optimum per-tile co-scheduling of compatible threads at runtime over the two-tier hierarchical power manager. DCTM outperforms existing solutions by up to 12% on adaptive many-core tile processor. With the advancements in the core micro-architectural techniques and technology scaling, the performance gap between the computational component and memory component is increasing significantly (the memory-wall issue). To bridge this gap, the architecture community is pushing forward towards multi-core architecture with on-die near-memory DRAM cache memory (faster than conventional DRAM). Gigascale DRAM Caches poses a problem of how to efficiently manage the tags. The Tags-in-DRAM designs aims at efficiently co-locate tags with data, but it still suffer from high latency especially in multi-way associativity. The thesis finally proposes Tag Cache mechanism, an on-chip distributed tag caching mechanism with limited space and latency overhead to bypass the tag read operation in multi-way DRAM Caches, thereby reducing hit latency. Each Tag Cache, stored in L2, stores tag information of the most recently used DRAM Cache ways. The Tag Cache is able to exploit temporal locality of the DRAM Cache, thereby contributing to on average 46% of the DRAM Cache hits.A mesura que el consum dels transistors supera el nivell de potència desitjable es necessiten noves tècniques arquitectòniques i microarquitectòniques per millorar, o almenys mantenir, l'eficiència energètica dels processadors de les pròximes generacions. L'adaptació en temps d'execució, tant de nuclis com de les cachés, així com també adaptacions DVFS són idees que han sorgit recentment que fan preveure que sigui un àrea prometedora per mantenir un ritme d'eficiència energètica acceptable. Tanmateix, cap de les tècniques d'adaptació proposades fins ara és capaç d'oferir bons resultats si tenim en compte les restriccions estrictes de potència que seran comuns a les pròximes dècades. És convenient definir noves tècniques que ataquin el problema des de diversos fronts utilitzant diferents mecanismes especialitzats. La combinació de diferents mecanismes de gestió d'energia porta aparellada nivells addicionals de complexitat, ja que altres factors com ara el comportament de la càrrega de treball així com condicions específiques de temps d'execució també han de ser considerats per assignar adequadament la potència entre els nuclis del sistema computador. Per tractar el tema de la potència, aquesta tesi proposa en primer lloc Chrysso, una administració d'energia integrada i escalable que selecciona ràpidament la millor combinació entre diferents adaptacions microarquitectòniques. Chrysso pot buscar ràpidament l'adaptació adequada al fer projeccions òptimes de rendiment i potència basades en configuracions de Pareto, permetent així reduir de manera efectiva l'espai de cerca. Chrysso arriba a un rendiment de 1,9 sobre tècniques convencionals d'inhibició de portes amb una càrrega d'aplicacions seqüencials; i un rendiment de 1,5 quan les aplicacions corresponen a programes parla·lels. La majoria dels sistemes de gestió d'energia existents utilitzen un enfocament centralitzat per regular la dissipació d'energia. Malauradament, la complexitat i el temps d'administració s'incrementen significativament amb una gran quantitat de nuclis. En aquest treball es defineix un gestor jeràrquic de potència basat en dos nivells. Aquesta solució és altament escalable amb baix cost operatiu en una arquitectura de múltiples nuclis integrats en clústers, amb memòria caché de darrer nivell compartida a nivell de cluster, i DVFS establert en intervals de temps de gra fi a nivell de clúster. La potència global es distribueix en primer lloc a través dels clústers utilitzant GPM i després es distribueix dins un clúster (en paral·lel si es consideren tots els clústers). A més, aquest treball també proposa DVFS i migració de fils conscient de la memòria caché (DCTM) que garanteix una òptima distribució de tasques entre els nuclis. DCTM supera les solucions existents fins a un 12%. Amb els avenços en la tecnologia i les tècniques de micro-arquitectura de nuclis, la diferència de rendiment entre el component computacional i la memòria està augmentant significativament. Per omplir aquest buit, s'està avançant cap a arquitectures de múltiples nuclis amb memòries caché integrades basades en DRAM. Aquestes memòries caché DRAM a gran escala plantegen el problema de com gestionar de forma eficaç les etiquetes. Els dissenys de cachés amb dades i etiquetes juntes són un primer pas, però encara pateixen per tenir una alta latència, especialment en cachés amb un grau alt d'associativitat. En aquesta tesi es proposa l'estudi d'una tècnica anomenada Tag Cache, un mecanisme distribuït d'emmagatzematge d'etiquetes, que redueix la latència de les operacions de lectura d'etiquetes en les memòries caché DRAM. Cada Tag Cache, que resideix a L2, emmagatzema la informació de les vies que s'han accedit recentment de les memòries caché DRAM. D'aquesta manera es pot aprofitar la localitat temporal d'una caché DRAM, fet que contribueix en promig en un 46% dels encerts en les caché DRAM