Planificación consciente de la contención y gestión de recursos en arquitecturas multicore emergentes

Tesis inédita de la Universidad Complutense de Madrid, Facultad de Informática, Departamento de Arquitectura de Computadores y Automática, leída el 14-12-2021Chip multicore processors (CMPs) currently constitute the architecture of choice for mosto general-pùrpose computing systems, and they will likely continue to be dominant in the near future. Advances in technology have enabled to pack an increasing number of cores and bigger caches on the same chip. Nevertheless, contention on shared resources on CMPs -present since the advent of these architectures- still poses a big challenge. Cores in a CMP typically share a last-level cache (LLC) and other memory-related resources with the remaining cores, such as a DRAM controller and an interconnection network. This causes that co-running applications may intensively compete with each other for these shared resources, leading to substantial and uneven performance degradation...Los procesadores multinúcleo o CMPs (Chip Multicore Processors) son actualmente la arquitectura más usada por la mayoría de sistemas de computación de propósito general, y muy probablemente se mantendrían en esa posición dominante en el futuro cercano. Los avances tecnológicos han permitido integrar progresivamente en el mismo chip más cores y aumentar los tamaños de los distintos niveles de cache. No obstante, la contención de recursos compartidos en CMPs {presente desde la aparición de estas arquitecturas{ todavía representa un reto importante que afrontar. Los cores en un CMP comparten en la mayor parte de los diseños una cache de último nivel o LLC (Last-Level Cache) y otros recursos, como el controlador de DRAM o una red de interconexión. La existencia de dichos recursos compartidos provoca en ocasiones que cuando se ejecutan dos o más aplicaciones simultáneamente en el sistema, se produzca una degradación sustancial y potencialmente desigual del rendimiento entre aplicaciones...Fac. de InformáticaTRUEunpu

Evaluación de algoritmos de planificación sobre un prototipo de sistema multicore asimétrico

Los procesadores multicore asimétricos con repertorio común de instrucciones -AMPs (Asymmetric Multicore Processors)-han sido propuestos como alternativa de bajo consumo a los procesadores multicore simétricos convencionales. Los AMPs combinan cores rápidos y complejos, de alto rendimiento, con cores lentos de consumo reducido. Trabajos previos han propuesto distintos algoritmos de planificación para AMPs, que en su mayoría han sido evaluados empleando plataformas asimétricas emuladas o simuladores. En este artículo se lleva a cabo un análisis experimental de algunas de las estrategias de planificación más relevantes para AMPs sobre el Intel QuickIA, un prototipo de sistema multicore asimétrico. Para el análisis se han realizado implementaciones de estas estrategias en un sistema operativo real y se lleva a cabo una evaluación completa de las mismas empleando cargas de trabajo multiprogramadas. Un aspecto clave de la implementación de los algoritmos es la metodología que se propone para aproximar en tiempo de ejecución el beneficio relativo que una aplicación obtiene al ejecutar en un core rápido con respecto a un core lento.IX Workshop en Arquitectura, Redes y Sistemas OperativosRed de Universidades con Carreras de Informática (RedUNCI

Evaluación de algoritmos de planificación sobre un prototipo de sistema multicore asimétrico

Los procesadores multicore asimétricos con repertorio común de instrucciones -AMPs (Asymmetric Multicore Processors)-han sido propuestos como alternativa de bajo consumo a los procesadores multicore simétricos convencionales. Los AMPs combinan cores rápidos y complejos, de alto rendimiento, con cores lentos de consumo reducido. Trabajos previos han propuesto distintos algoritmos de planificación para AMPs, que en su mayoría han sido evaluados empleando plataformas asimétricas emuladas o simuladores. En este artículo se lleva a cabo un análisis experimental de algunas de las estrategias de planificación más relevantes para AMPs sobre el Intel QuickIA, un prototipo de sistema multicore asimétrico. Para el análisis se han realizado implementaciones de estas estrategias en un sistema operativo real y se lleva a cabo una evaluación completa de las mismas empleando cargas de trabajo multiprogramadas. Un aspecto clave de la implementación de los algoritmos es la metodología que se propone para aproximar en tiempo de ejecución el beneficio relativo que una aplicación obtiene al ejecutar en un core rápido con respecto a un core lento.IX Workshop en Arquitectura, Redes y Sistemas OperativosRed de Universidades con Carreras de Informática (RedUNCI

Soporte de sistema operativo para ahorro de energía en plataformas móviles con procesadores multicore asimétricos

Los procesadores multicore asimétricos con repertorio común de instrucciones (AMPsAsymmetric Multicore Processors) han sido propuestos recientemente como alternativa de bajo consumo a los procesadores multicore simétricos convencionales. Los AMPs combinan, en un mismo chip, cores rápidos de alto rendimiento, con cores más lentos y sencillos de consumo reducido. Uno de los ejemplos más destacados de procesador multicore asimétrico es el procesador big.LITTLE de ARM, que incorporan algunos modelos de teléfonos móviles y tablets disponibles en la actualidad. Trabajos previos han demostrado que para explotar los beneficios potenciales de los procesadores multicore asimétricos, el sistema operativo debe tener en cuenta el beneficio relativo (speedup) que cada aplicación experimenta al ejecutar en un core rápido frente a un core lento. Actualmente, los planificadores por defecto de los sistemas operativos de propósito general no tienen en cuenta la diversidad de speedups entre aplicaciones que puede estar presente en una carga de trabajo multiprogramada. En consecuencia, la asignación de aplicaciones a cores que hacen estos planificadores no extrae el máximo rendimiento por vatio de la plataforma. Recientemente se han realizado extensiones en el kernel Linux para ofrecer un mejor soporte de planificación en multicore asimétricos. Sin embargo, estas extensiones del planificador, utilizadas fundamentalmente en dispositivos móviles con el sistema operativo Android, tampoco tienen en cuenta la diversidad de speedups en las aplicaciones de la carga de trabajo. Por lo tanto estas extensiones no constituyen una aproximación robusta desde el punto de vista de la eficiencia energética. En este proyecto se lleva a cabo la evaluación exhaustiva de distintos algoritmos de planificación para multicore asimétricos sobre una plataforma provista de un procesador ARM big.LITTLE. El principal objetivo del estudio es cuantificar el grado de eficiencia energética y el rendimiento global proporcionado por implementaciones de estos algoritmos en el kernel Linux sobre hardware multicore asimétrico real

QoS Management on Heterogeneous Architecture for Parallel Applications

Abstract-Quality of service (QoS) management is widely employed to provide differentiable performance to programs with distinctive priorities on conventional chip multi-processor (CMP) platforms. Recently, heterogeneous architecture integrating diverse processor cores on the same silicon has been proposed to better serve various application domains and it is expected to be an important design paradigm of future processors. Therefore, the QoS management on emerging heterogeneous systems will be of great significance. On the other hand, parallel applications are becoming increasingly important in modern computing community in order to explore the benefit of thread-level parallelism on CMPs. However, considering the diverse characteristics of thread synchronization, data sharing, and parallelization pattern, governing the execution of multiple parallel programs with different performance requirements becomes a complicated yet significant problem. In this paper, we study QoS management for parallel applications running on heterogeneous CMP systems. We comprehensively assess a series of task-to-core mapping policies on a real heterogeneous hardware (QuickIA) by characterizing their impacts on performance of individual applications. Our evaluation results show that the proposed QoS policies are effective to improve the performance of programs with highest priority while striking good tradeoff with system fairness

Operating System Contribution to Composable Timing Behaviour in High-Integrity Real-Time Systems

The development of High-Integrity Real-Time Systems has a high footprint in terms of human, material and schedule costs. Factoring functional, reusable logic in the application favors incremental development and contains costs. Yet, achieving incrementality in the timing behavior is a much harder problem. Complex features at all levels of the execution stack, aimed to boost average-case performance, exhibit timing behavior highly dependent on execution history, which wrecks time composability and incrementaility with it. Our goal here is to restitute time composability to the execution stack, working bottom up across it. We first characterize time composability without making assumptions on the system architecture or the software deployment to it. Later, we focus on the role played by the real-time operating system in our pursuit. Initially we consider single-core processors and, becoming less permissive on the admissible hardware features, we devise solutions that restore a convincing degree of time composability. To show what can be done for real, we developed TiCOS, an ARINC-compliant kernel, and re-designed ORK+, a kernel for Ada Ravenscar runtimes. In that work, we added support for limited-preemption to ORK+, an absolute premiere in the landscape of real-word kernels. Our implementation allows resource sharing to co-exist with limited-preemptive scheduling, which extends state of the art. We then turn our attention to multicore architectures, first considering partitioned systems, for which we achieve results close to those obtained for single-core processors. Subsequently, we shy away from the over-provision of those systems and consider less restrictive uses of homogeneous multiprocessors, where the scheduling algorithm is key to high schedulable utilization. To that end we single out RUN, a promising baseline, and extend it to SPRINT, which supports sporadic task sets, hence matches real-world industrial needs better. To corroborate our results we present findings from real-world case studies from avionic industry

Dynamic Thermal and Power Management: From Computers to Buildings

Thermal and power management have become increasingly important for both computing and physical systems. Computing systems from real-time embedded systems to data centers require effective thermal and power management to prevent overheating and save energy. In the mean time, as a major consumer of energy buildings face challenges to reduce the energy consumption for air conditioning while maintaining comfort of occupants. In this dissertation we investigate dynamic thermal and power management for computer systems and buildings. (1) We present thermal control under utilization bound (TCUB), a novel control-theoretic thermal management algorithm designed for single core real-time embedded systems. A salient feature of TCUB is to maintain both desired processor temperature and real-time performance. (2) To address unique challenges posed by multicore processors, we develop the real-time multicore thermal control (RT-MTC) algorithm. RT-MTC employs a feedback control loop to enforce the desired temperature and CPU utilization of the multicore platform via dynamic frequency and voltage scaling. (3) We research dynamic thermal management for real-time services running on server clusters. We develop the control-theoretic thermal balancing (CTB) to dynamically balance temperature of servers via distributing clients\u27 service requests to servers. Next, (4) we propose CloudPowerCap, a power cap management system for virtualized cloud computing infrastructure. The novelty of CloudPowerCap lies in an integrated approach to coordinate power budget management and resource management in a cloud computing environment. Finally we expand our research to physical environment by exploring several fundamental problems of thermal and power management on buildings. We analyze spatial and temporal data acquired from an real-world auditorium instrumented by a multi-modal sensor network. We propose a data mining technique to determine the appropriate number and location of temperature sensors for estimating the spatiotemporal temperature distribution of the auditorium. Furthermore, we explore the potential energy savings that can be achieved through occupancy-based HVAC scheduling based on real occupancy data of the auditorium