Rapid SoC Design: On Architectures, Methodologies and Frameworks

Modern applications like machine learning, autonomous vehicles, and 5G networking require an order of magnitude boost in processing capability. For several decades, chip designers have relied on Moore’s Law - the doubling of transistor count every two years to deliver improved performance, higher energy efficiency, and an increase in transistor density. With the end of Dennard’s scaling and a slowdown in Moore’s Law, system architects have developed several techniques to deliver on the traditional performance and power improvements we have come to expect. More recently, chip designers have turned towards heterogeneous systems comprised of more specialized processing units to buttress the traditional processing units. These specialized units improve the overall performance, power, and area (PPA) metrics across a wide variety of workloads and applications. While the GPU serves as a classical example, accelerators for machine learning, approximate computing, graph processing, and database applications have become commonplace. This has led to an exponential growth in the variety (and count) of these compute units found in modern embedded and high-performance computing platforms. The various techniques adopted to combat the slowing of Moore’s Law directly translates to an increase in complexity for modern system-on-chips (SoCs). This increase in complexity in turn leads to an increase in design effort and validation time for hardware and the accompanying software stacks. This is further aggravated by fabrication challenges (photo-lithography, tooling, and yield) faced at advanced technology nodes (below 28nm). The inherent complexity in modern SoCs translates into increased costs and time-to-market delays. This holds true across the spectrum, from mobile/handheld processors to high-performance data-center appliances. This dissertation presents several techniques to address the challenges of rapidly birthing complex SoCs. The first part of this dissertation focuses on foundations and architectures that aid in rapid SoC design. It presents a variety of architectural techniques that were developed and leveraged to rapidly construct complex SoCs at advanced process nodes. The next part of the dissertation focuses on the gap between a completed design model (in RTL form) and its physical manifestation (a GDS file that will be sent to the foundry for fabrication). It presents methodologies and a workflow for rapidly walking a design through to completion at arbitrary technology nodes. It also presents progress on creating tools and a flow that is entirely dependent on open-source tools. The last part presents a framework that not only speeds up the integration of a hardware accelerator into an SoC ecosystem, but emphasizes software adoption and usability.PHDElectrical and Computer EngineeringUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttp://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/168119/1/ajayi_1.pd

SYSTEM-ON-A-CHIP (SOC)-BASED HARDWARE ACCELERATION FOR HUMAN ACTION RECOGNITION WITH CORE COMPONENTS

Today, the implementation of machine vision algorithms on embedded platforms or in portable systems is growing rapidly due to the demand for machine vision in daily human life. Among the applications of machine vision, human action and activity recognition has become an active research area, and market demand for providing integrated smart security systems is growing rapidly. Among the available approaches, embedded vision is in the top tier; however, current embedded platforms may not be able to fully exploit the potential performance of machine vision algorithms, especially in terms of low power consumption. Complex algorithms can impose immense computation and communication demands, especially action recognition algorithms, which require various stages of preprocessing, processing and machine learning blocks that need to operate concurrently. The market demands embedded platforms that operate with a power consumption of only a few watts. Attempts have been mad to improve the performance of traditional embedded approaches by adding more powerful processors; this solution may solve the computation problem but increases the power consumption. System-on-a-chip eld-programmable gate arrays (SoC-FPGAs) have emerged as a major architecture approach for improving power eciency while increasing computational performance. In a SoC-FPGA, an embedded processor and an FPGA serving as an accelerator are fabricated in the same die to simultaneously improve power consumption and performance. Still, current SoC-FPGA-based vision implementations either shy away from supporting complex and adaptive vision algorithms or operate at very limited resolutions due to the immense communication and computation demands. The aim of this research is to develop a SoC-based hardware acceleration workflow for the realization of advanced vision algorithms. Hardware acceleration can improve performance for highly complex mathematical calculations or repeated functions. The performance of a SoC system can thus be improved by using hardware acceleration method to accelerate the element that incurs the highest performance overhead. The outcome of this research could be used for the implementation of various vision algorithms, such as face recognition, object detection or object tracking, on embedded platforms. The contributions of SoC-based hardware acceleration for hardware-software codesign platforms include the following: (1) development of frameworks for complex human action recognition in both 2D and 3D; (2) realization of a framework with four main implemented IPs, namely, foreground and background subtraction (foreground probability), human detection, 2D/3D point-of-interest detection and feature extraction, and OS-ELM as a machine learning algorithm for action identication; (3) use of an FPGA-based hardware acceleration method to resolve system bottlenecks and improve system performance; and (4) measurement and analysis of system specications, such as the acceleration factor, power consumption, and resource utilization. Experimental results show that the proposed SoC-based hardware acceleration approach provides better performance in terms of the acceleration factor, resource utilization and power consumption among all recent works. In addition, a comparison of the accuracy of the framework that runs on the proposed embedded platform (SoCFPGA) with the accuracy of other PC-based frameworks shows that the proposed approach outperforms most other approaches

Recent Advances in Embedded Computing, Intelligence and Applications

The latest proliferation of Internet of Things deployments and edge computing combined with artificial intelligence has led to new exciting application scenarios, where embedded digital devices are essential enablers. Moreover, new powerful and efficient devices are appearing to cope with workloads formerly reserved for the cloud, such as deep learning. These devices allow processing close to where data are generated, avoiding bottlenecks due to communication limitations. The efficient integration of hardware, software and artificial intelligence capabilities deployed in real sensing contexts empowers the edge intelligence paradigm, which will ultimately contribute to the fostering of the offloading processing functionalities to the edge. In this Special Issue, researchers have contributed nine peer-reviewed papers covering a wide range of topics in the area of edge intelligence. Among them are hardware-accelerated implementations of deep neural networks, IoT platforms for extreme edge computing, neuro-evolvable and neuromorphic machine learning, and embedded recommender systems

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 $3\,s$

Parallel and Distributed Computing

The 14 chapters presented in this book cover a wide variety of representative works ranging from hardware design to application development. Particularly, the topics that are addressed are programmable and reconfigurable devices and systems, dependability of GPUs (General Purpose Units), network topologies, cache coherence protocols, resource allocation, scheduling algorithms, peertopeer networks, largescale network simulation, and parallel routines and algorithms. In this way, the articles included in this book constitute an excellent reference for engineers and researchers who have particular interests in each of these topics in parallel and distributed computing

Determining Optimal Coherency Interface for Many-Accelerator SoCs Using Bayesian Optimization

The modern system-on-chip (SoC) of the current exascale computing era is complex. These SoCs not only consist of several general-purpose processing cores but also integrate many specialized hardware accelerators. Three common coherency interfaces are used to integrate the accelerators with the memory hierarchy: non-coherent,coherent with the last-level cache (LLC), and fully-coherent.However, using a single coherence interface for all the accelerators in an SoC can lead to significant overheads: in the non-coherent model, accelerators directly access the main memory, which can have considerable performance penalty; whereas in the LLC-coherent model, the accelerators access the LLC but may suffer from performance bottleneck due to contention between several accelerators; and the fully-coherent model, that relies on private caches, can incur non-trivial power/area overheads. Given the limitations of each of these interfaces, this paper proposes a novel performance-aware hybrid coherency interface, where different accelerators use different coherency models, decided at design time based on the target applications so as to optimize the overall system performance. A new Bayesian optimization based framework is also proposed to determine the optimal hybrid coherency interface, i.e., use machine learning to select the best coherency model for each of the accelerators in the SoC in terms of performance. For image processing and classification workloads, the proposed framework determined that a hybrid interface achieves up to 23 percent better performance compared to the other 'homogeneous' interfaces, where all the accelerators use a single coherency model

Parallelization Strategies for Modern Computing Platforms: Application to Illustrative Image Processing and Computer Vision Applications

RÉSUMÉ L’évolution spectaculaire des technologies dans le domaine du matériel et du logiciel a permis l’émergence des nouvelles plateformes parallèles très performantes. Ces plateformes ont marqué le début d’une nouvelle ère de la computation et il est préconisé qu’elles vont rester dans le domaine pour une bonne période de temps. Elles sont présentes déjà dans le domaine du calcul de haute performance (en anglais HPC, High Performance Computer) ainsi que dans le domaine des systèmes embarqués. Récemment, dans ces domaines le concept de calcul hétérogène a été adopté pour atteindre des performances élevées. Ainsi, plusieurs types de processeurs sont utilisés, dont les plus populaires sont les unités centrales de traitement ou CPU (de l’anglais Central Processing Unit) et les processeurs graphiques ou GPU (de l’anglais Graphics Processing Units). La programmation efficace pour ces nouvelles plateformes parallèles amène actuellement non seulement des opportunités mais aussi des défis importants pour les concepteurs. Par conséquent, l’industrie a besoin de l’appui de la communauté de recherche pour assurer le succès de ce nouveau changement de paradigme vers le calcul parallèle. Trois défis principaux présents pour les processeurs GPU massivement parallèles (ou “many-cores”) ainsi que pour les processeurs CPU multi-coeurs sont: (1) la sélection de la meilleure plateforme parallèle pour une application donnée, (2) la sélection de la meilleure stratégie de parallèlisation et (3) le réglage minutieux des performances (ou en anglais performance tuning) pour mieux exploiter les plateformes existantes. Dans ce contexte, l’objectif global de notre projet de recherche est de définir de nouvelles solutions pour aider à la programmation efficace des applications complexes sur les plateformes parallèles modernes. Les principales contributions à la recherche sont: 1. L’évaluation de l’efficacité d’accélération pour plusieurs plateformes parallèles, dans le cas des applications de calcul intensif. 2. Une analyse quantitative des stratégies de parallèlisation et implantation sur les plateformes à base de processeurs CPU multi-cœur ainsi que pour les plateformes à base de processeurs GPU massivement parallèles. 3. La définition et la mise en place d’une approche de réglage de performances (en Anglais performance tuning) pour les plateformes parallèles. Les contributions proposées ont été validées en utilisant des applications réelles illustratives et un ensemble varié de plateformes parallèles modernes.----------ABSTRACT With the technology improvement for both hardware and software, parallel platforms started a new computing era and they are here to stay. Parallel platforms may be found in High Performance Computers (HPC) or embedded computers. Recently, both HPC and embedded computers are moving toward heterogeneous computing platforms. They are employing both Central Processing Units (CPUs) and Graphics Processing Units (GPUs) to achieve the highest performance. Programming efficiently for parallel platforms brings new opportunities but also several challenges. Therefore, industry needs help from the research community to succeed in its recent dramatic shift to parallel computing. Parallel programing presents several major challenges. These challenges are equally present whether one programs on a many-core GPU or on a multi-core CPU. Three of the main challenges are: (1) Finding the best platform providing the required acceleration (2) Select the best parallelization strategy (3) Performance tuning to efficiently leverage the parallel platforms. In this context, the overall objective of our research is to propose a new solution helping designers to efficiently program complex applications on modern parallel architectures. The contributions of this thesis are: 1. The evaluation of the efficiency of several target parallel platforms to speedup compute-intensive applications. 2. The quantitative analysis for parallelization and implementation strategies on multicore CPUs and many-core GPUs. 3. The definition and implementation of a new performance tuning framework for heterogeneous parallel platforms. The contributions were validated using real computation intensive applications and modern parallel platform based on multi-core CPU and many-core GPU

Adaptive Computing Systems for Aerospace

RÉSUMÉ En raison de leur complexité croissante, les systèmes informatiques modernes nécessitent de nouvelles méthodologies permettant d’automatiser leur conception et d’améliorer leurs performances. L’espace, en particulier, constitue un environnement très défavorable au maintien de la performance de ces systèmes : sans protection des rayonnements ionisants et des particules, l’électronique basée sur CMOS peut subir des erreurs transitoires, une dégradation des performances et une usure accélérée causant ultimement une défaillance du système. Les approches traditionnellement adoptees pour garantir la fiabilité du système et prolonger sa durée de vie sont basées sur la redondance, généralement établie durant la conception. En revanche, ces solutions sont coûteuses et parfois inefficaces, puisqu'elles augmentent la taille et la complexité du système, l'exposant à des risques plus élevés de surchauffe et d'erreurs. Les conséquences de ces limites sont d'autant plus importantes lorsqu'elles s’appliquent aux systèmes critiques (e.g., contraintes par le temps ou dont l’accès est limité) qui doivent être en mesure de prendre des décisions sans intervention humaine. Sur la base de ces besoins et limites, le développement en aérospatial de systèmes informatiques avec capacités adaptatives peut être considéré comme la solution la plus appropriée pour les dispositifs intégrés à haute performance. L’informatique auto-adaptative offre un potentiel sans égal pour assurer la création d’une génération d’ordinateurs plus intelligents et fiables. Qui plus est, elle répond aux besoins modernes de concevoir et programmer des systèmes informatiques capables de répondre à des objectifs en conflit. En nous inspirant des domaines de l’intelligence artificielle et des systèmes reconfigurables, nous aspirons à développer des systèmes informatiques auto-adaptatifs pour l’aérospatiale qui répondent aux enjeux et besoins actuels. Notre objectif est d’améliorer l’efficacité de ces systèmes, leur tolerance aux pannes et leur capacité de calcul. Afin d’atteindre cet objectif, une analyse expérimentale et comparative des algorithmes les plus populaires pour l’exploration multi-objectifs de l’espace de conception est d’abord effectuée. Les algorithmes ont été recueillis suite à une revue de la plus récente littérature et comprennent des méthodes heuristiques, évolutives et statistiques. L’analyse et la comparaison de ceux-ci permettent de cerner les forces et limites de chacun et d'ainsi définir des lignes directrices favorisant un choix optimal d’algorithmes d’exploration. Pour la création d’un système d’optimisation autonome—permettant le compromis entre plusieurs objectifs—nous exploitons les capacités des modèles graphiques probabilistes. Nous introduisons une méthodologie basée sur les modèles de Markov cachés dynamiques, laquelle permet d’équilibrer la disponibilité et la durée de vie d’un système multiprocesseur. Ceci est obtenu en estimant l'occurrence des erreurs permanentes parmi les erreurs transitoires et en migrant dynamiquement le calcul sur les ressources supplémentaires en cas de défaillance. La nature dynamique du modèle rend celui-ci adaptable à différents profils de mission et taux d’erreur. Les résultats montrent que nous sommes en mesure de prolonger la durée de vie du système tout en conservant une disponibilité proche du cas idéal. En raison des contraintes de temps rigoureuses imposées par les systèmes aérospatiaux, nous étudions aussi l’optimisation de la tolérance aux pannes en présence d'exigences d’exécution en temps réel. Nous proposons une méthodologie pour améliorer la fiabilité du calcul en présence d’erreurs transitoires pour les tâches en temps réel d’un système multiprocesseur homogène avec des capacités de réglage de tension et de fréquence. Dans ce cadre, nous définissons un nouveau compromis probabiliste entre la consommation d’énergie et la tolérance aux erreurs. Comme nous reconnaissons que la résilience est une propriété d’intérêt omniprésente (par exemple, pour la conception et l’analyse de systems complexes génériques), nous adaptons une définition formelle de celle-ci à un cadre probabiliste dérivé à nouveau de modèles de Markov cachés. Ce cadre nous permet de modéliser de façon réaliste l’évolution stochastique et l’observabilité partielle des phénomènes du monde réel. Nous proposons un algorithme permettant le calcul exact efficace de l’étape essentielle d’inférence laquelle est requise pour vérifier des propriétés génériques. Pour démontrer la flexibilité de cette approche, nous la validons, entre autres, dans le contexte d’un système informatisé reconfigurable pour l’aérospatiale. Enfin, nous étendons la portée de nos recherches vers la robotique et les systèmes multi-agents, deux sujets dont la popularité est croissante en exploration spatiale. Nous abordons le problème de l’évaluation et de l’entretien de la connectivité dans le context distribué et auto-adaptatif de la robotique en essaim. Nous examinons les limites des solutions existantes et proposons une nouvelle méthodologie pour créer des géométries complexes connectées gérant plusieurs tâches simultanément. Des contributions additionnelles dans plusieurs domaines sont résumés dans les annexes, nommément : (i) la conception de CubeSats, (ii) la modélisation des rayonnements spatiaux pour l’injection d’erreur dans FPGA et (iii) l’analyse temporelle probabiliste pour les systèmes en temps réel. À notre avis, cette recherche constitue un tremplin utile vers la création d’une nouvelle génération de systèmes informatiques qui exécutent leurs tâches d’une façon autonome et fiable, favorisant une exploration spatiale plus simple et moins coûteuse.----------ABSTRACT Today's computer systems are growing more and more complex at a pace that requires the development of novel and more effective methodologies to automate their design. Space, in particular, represents a challenging environment: without protection from ionizing and particle radiation, CMOS-based electronics are subject to transients faults, performance degradation, accelerated wear, and, ultimately, system failure. Traditional approaches adopted to guarantee reliability and extended lifetime are based on redundancy that is established at design-time. These solutions are expensive and sometimes inefficient, as they increase the complexity and size of a system, exposing it to higher risks of overheating and incurring in radiation-induced errors. Moreover, critical systems---e.g., time-constrained ones and those where access is limited---must be able to cope with pivotal situations without relying on human intervention. Hence, the emerging interest in computer systems with adaptive capabilities as the most suitable solution for novel high-performance embedded devices for aerospace. Self-adaptive computing carries unmatched potential and great promises for the creation of a new generation of smart, more reliable computers, and it addresses the challenge of designing and programming modern and future computer systems that must meet conflicting goals. Drawing from the fields of artificial intelligence and reconfigurable systems, we aim at developing self-adaptive computer systems for aerospace. Our goal is to improve their efficiency, fault-tolerance, and computational capabilities. The first step in this research is the experimental analysis of the most popular multi-objective design-space exploration algorithms for high-level design. These algorithms were collected from the recent literature and include heuristic, evolutionary, and statistical methods. Their comparison provides insights that we use to define guidelines for the choice of the most appropriate optimization algorithms, given the features of the design space. For the creation of a self-managing optimization framework---enabling the adaptive trade-off of multiple objectives---we leverage the tools of probabilistic graphical models. We introduce a mechanism based on dynamic hidden Markov models that balances the availability and lifetime of multiprocessor systems. This is achieved by estimating the occurrence of permanent faults amid transient faults, and by dynamically migrating the computation on excess resources, when failure occurs. The dynamic nature of the model makes it adjustable to different mission profiles and fault rates. The results show that we are able to lead systems to extended lifetimes, while keeping their availability close to ideal. On account of the stringent timing constraints imposed by aerospace systems, we then investigate the optimization of fault-tolerance under real-time requirements. We propose a methodology to improve the reliability of computation in the presence of transient errors when considering the mapping of real-time tasks on a homogeneous multiprocessor system with voltage and frequency scaling capabilities. In this framework, we take advantage of probability theory to define a novel trade-off between power consumption and fault-tolerance. As we recognize that resilience is a pervasive property of interest (e.g., for the design and analysis of generic complex systems), we adapt a formal definition of it to one more probabilistic framework derived from hidden Markov models. This allows us to realistically model the stochastic evolution and partial observability of complex real-world environments. Within this framework, we propose an efficient algorithm for the exact computation of the essential inference step required to construct generic property checking. To demonstrate the flexibility of this approach, we validate it in the context, among others, of a self-aware, reconfigurable computing system for aerospace. Finally, we move the scope of our research towards robotics and multi-agent systems: a topic of thriving popularity for space exploration. We tackle the problem of connectivity assessment and maintenance in the distributed and self-adaptive context of swarm robotics. We review the limitations of existing solutions and propose a novel methodology to create connected complex geometries for multiple task coverage. Additional contributions in the areas of (i) CubeSat design, (ii) the modelling of space radiation for FPGA fault-injection, and (iii) probabilistic timing analysis for real-time systems are summarized in the appendices. In the author's opinion, this research provides a number of useful stepping stones for the creation of a new generation of computing systems that autonomously---and reliably---perform their tasks for longer periods of time, fostering simpler and cheaper space exploration