Enabling preemptive multiprogramming on GPUs

GPUs are being increasingly adopted as compute accelerators in many domains, spanning environments from mobile systems to cloud computing. These systems are usually running multiple applications, from one or several users. However GPUs do not provide the support for resource sharing traditionally expected in these scenarios. Thus, such systems are unable to provide key multiprogrammed workload requirements, such as responsiveness, fairness or quality of service. In this paper, we propose a set of hardware extensions that allow GPUs to efficiently support multiprogrammed GPU workloads. We argue for preemptive multitasking and design two preemption mechanisms that can be used to implement GPU scheduling policies. We extend the architecture to allow concurrent execution of GPU kernels from different user processes and implement a scheduling policy that dynamically distributes the GPU cores among concurrently running kernels, according to their priorities. We extend the NVIDIA GK110 (Kepler) like GPU architecture with our proposals and evaluate them on a set of multiprogrammed workloads with up to eight concurrent processes. Our proposals improve execution time of high-priority processes by 15.6x, the average application turnaround time between 1.5x to 2x, and system fairness up to 3.4x.We would like to thank the anonymous reviewers, Alexan- der Veidenbaum, Carlos Villavieja, Lluis Vilanova, Lluc Al- varez, and Marc Jorda on their comments and help improving our work and this paper. This work is supported by Euro- pean Commission through TERAFLUX (FP7-249013), Mont- Blanc (FP7-288777), and RoMoL (GA-321253) projects, NVIDIA through the CUDA Center of Excellence program, Spanish Government through Programa Severo Ochoa (SEV-2011-0067) and Spanish Ministry of Science and Technology through TIN2007-60625 and TIN2012-34557 projects.Peer ReviewedPostprint (author’s final draft

Pre-validation of SoC via hardware and software co-simulation

Abstract. System-on-chips (SoCs) are complex entities consisting of multiple hardware and software components. This complexity presents challenges in their design, verification, and validation. Traditional verification processes often test hardware models in isolation until late in the development cycle. As a result, cooperation between hardware and software development is also limited, slowing down bug detection and fixing. This thesis aims to develop, implement, and evaluate a co-simulation-based pre-validation methodology to address these challenges. The approach allows for the early integration of hardware and software, serving as a natural intermediate step between traditional hardware model verification and full system validation. The co-simulation employs a QEMU CPU emulator linked to a register-transfer level (RTL) hardware model. This setup enables the execution of software components, such as device drivers, on the target instruction set architecture (ISA) alongside cycle-accurate RTL hardware models. The thesis focuses on two primary applications of co-simulation. Firstly, it allows software unit tests to be run in conjunction with hardware models, facilitating early communication between device drivers, low-level software, and hardware components. Secondly, it offers an environment for using software in functional hardware verification. A significant advantage of this approach is the early detection of integration errors. Software unit tests can be executed at the IP block level with actual hardware models, a task previously only possible with costly system-level prototypes. This enables earlier collaboration between software and hardware development teams and smoothens the transition to traditional system-level validation techniques.Järjestelmäpiirin esivalidointi laitteiston ja ohjelmiston yhteissimulaatiolla. Tiivistelmä. Järjestelmäpiirit (SoC) ovat monimutkaisia kokonaisuuksia, jotka koostuvat useista laitteisto- ja ohjelmistokomponenteista. Tämä monimutkaisuus asettaa haasteita niiden suunnittelulle, varmennukselle ja validoinnille. Perinteiset varmennusprosessit testaavat usein laitteistomalleja eristyksissä kehityssyklin loppuvaiheeseen saakka. Tämän myötä myös yhteistyö laitteisto- ja ohjelmistokehityksen välillä on vähäistä, mikä hidastaa virheiden tunnistamista ja korjausta. Tämän diplomityön tavoitteena on kehittää, toteuttaa ja arvioida laitteisto-ohjelmisto-yhteissimulointiin perustuva esivalidointimenetelmä näiden haasteiden ratkaisemiseksi. Menetelmä mahdollistaa laitteiston ja ohjelmiston varhaisen integroinnin, toimien luonnollisena välietappina perinteisen laitteistomallin varmennuksen ja koko järjestelmän validoinnin välillä. Yhteissimulointi käyttää QEMU suoritinemulaattoria, joka on yhdistetty rekisterinsiirtotason (RTL) laitteistomalliin. Tämä mahdollistaa ohjelmistokomponenttien, kuten laiteajureiden, suorittamisen kohdejärjestelmän käskysarja-arkkitehtuurilla (ISA) yhdessä kellosyklitarkkojen RTL laitteistomallien kanssa. Työ keskittyy kahteen yhteissimulaation pääsovellukseen. Ensinnäkin se mahdollistaa ohjelmiston yksikkötestien suorittamisen laitteistomallien kanssa, varmistaen kommunikaation laiteajurien, matalan tason ohjelmiston ja laitteistokomponenttien välillä. Toiseksi se tarjoaa ympäristön ohjelmiston käyttämiseen toiminnallisessa laitteiston varmennuksessa. Merkittävä etu tästä lähestymistavasta on integraatiovirheiden varhainen havaitseminen. Ohjelmiston yksikkötestejä voidaan suorittaa jo IP-lohkon tasolla oikeilla laitteistomalleilla, mikä on aiemmin ollut mahdollista vain kalliilla järjestelmätason prototyypeillä. Tämä mahdollistaa aikaisemman ohjelmisto- ja laitteistokehitystiimien välisen yhteistyön ja helpottaa siirtymistä perinteisiin järjestelmätason validointimenetelmiin

EbbRT: Elastic Building Block Runtime - case studies

We present a new systems runtime, EbbRT, for cloud hosted applications. EbbRT takes a different approach to the role operating systems play in cloud computing. It supports stitching application functionality across nodes running commodity OSs and nodes running specialized application specific software that only execute what is necessary to accelerate core functions of the application. In doing so, it allows tradeoffs between efficiency, developer productivity, and exploitation of elasticity and scale. EbbRT, as a software model, is a framework for constructing applications as collections of standard application software and Elastic Building Blocks (Ebbs). Elastic Building Blocks are components that encapsulate runtime software objects and are implemented to exploit the raw access, scale and elasticity of IaaS resources to accelerate critical application functionality. This paper presents the EbbRT architecture, our prototype and experimental evaluation of the prototype under three different application scenarios

Cross-Layer Rapid Prototyping and Synthesis of Application-Specific and Reconfigurable Many-accelerator Platforms

Technological advances of recent years laid the foundation consolidation of informatisationof society, impacting on economic, political, cultural and socialdimensions. At the peak of this realization, today, more and more everydaydevices are connected to the web, giving the term ”Internet of Things”. The futureholds the full connection and interaction of IT and communications systemsto the natural world, delimiting the transition to natural cyber systems and offeringmeta-services in the physical world, such as personalized medical care, autonomoustransportation, smart energy cities etc. . Outlining the necessities of this dynamicallyevolving market, computer engineers are required to implement computingplatforms that incorporate both increased systemic complexity and also cover awide range of meta-characteristics, such as the cost and design time, reliabilityand reuse, which are prescribed by a conflicting set of functional, technical andconstruction constraints. This thesis aims to address these design challenges bydeveloping methodologies and hardware/software co-design tools that enable therapid implementation and efficient synthesis of architectural solutions, which specifyoperating meta-features required by the modern market. Specifically, this thesispresents a) methodologies to accelerate the design flow for both reconfigurableand application-specific architectures, b) coarse-grain heterogeneous architecturaltemplates for processing and communication acceleration and c) efficient multiobjectivesynthesis techniques both at high abstraction level of programming andphysical silicon level.Regarding to the acceleration of the design flow, the proposed methodologyemploys virtual platforms in order to hide architectural details and drastically reducesimulation time. An extension of this framework introduces the systemicco-simulation using reconfigurable acceleration platforms as co-emulation intermediateplatforms. Thus, the development cycle of a hardware/software productis accelerated by moving from a vertical serial flow to a circular interactive loop.Moreover the simulation capabilities are enriched with efficient detection and correctiontechniques of design errors, as well as control methods of performancemetrics of the system according to the desired specifications, during all phasesof the system development. In orthogonal correlation with the aforementionedmethodological framework, a new architectural template is proposed, aiming atbridging the gap between design complexity and technological productivity usingspecialized hardware accelerators in heterogeneous systems-on-chip and networkon-chip platforms. It is presented a novel co-design methodology for the hardwareaccelerators and their respective programming software, including the tasks allocationto the available resources of the system/network. The introduced frameworkprovides implementation techniques for the accelerators, using either conventionalprogramming flows with hardware description language or abstract programmingmodel flows, using techniques from high-level synthesis. In any case, it is providedthe option of systemic measures optimization, such as the processing speed,the throughput, the reliability, the power consumption and the design silicon area.Finally, on addressing the increased complexity in design tools of reconfigurablesystems, there are proposed novel multi-objective optimization evolutionary algo-rithms which exploit the modern multicore processors and the coarse-grain natureof multithreaded programming environments (e.g. OpenMP) in order to reduce theplacement time, while by simultaneously grouping the applications based on theirintrinsic characteristics, the effectively explore the design space effectively.The efficiency of the proposed architectural templates, design tools and methodologyflows is evaluated in relation to the existing edge solutions with applicationsfrom typical computing domains, such as digital signal processing, multimedia andarithmetic complexity, as well as from systemic heterogeneous environments, suchas a computer vision system for autonomous robotic space navigation and manyacceleratorsystems for HPC and workstations/datacenters. The results strengthenthe belief of the author, that this thesis provides competitive expertise to addresscomplex modern - and projected future - design challenges.Οι τεχνολογικές εξελίξεις των τελευταίων ετών έθεσαν τα θεμέλια εδραίωσης της πληροφοριοποίησης της κοινωνίας, επιδρώντας σε οικονομικές,πολιτικές, πολιτιστικές και κοινωνικές διαστάσεις. Στο απόγειο αυτής τη ςπραγμάτωσης, σήμερα, ολοένα και περισσότερες καθημερινές συσκευές συνδέονται στο παγκόσμιο ιστό, αποδίδοντας τον όρο «Ίντερνετ των πραγμάτων».Το μέλλον επιφυλάσσει την πλήρη σύνδεση και αλληλεπίδραση των συστημάτων πληροφορικής και επικοινωνιών με τον φυσικό κόσμο, οριοθετώντας τη μετάβαση στα συστήματα φυσικού κυβερνοχώρου και προσφέροντας μεταυπηρεσίες στον φυσικό κόσμο όπως προσωποποιημένη ιατρική περίθαλψη, αυτόνομες μετακινήσεις, έξυπνες ενεργειακά πόλεις κ.α. . Σκιαγραφώντας τις ανάγκες αυτής της δυναμικά εξελισσόμενης αγοράς, οι μηχανικοί υπολογιστών καλούνται να υλοποιήσουν υπολογιστικές πλατφόρμες που αφενός ενσωματώνουν αυξημένη συστημική πολυπλοκότητα και αφετέρου καλύπτουν ένα ευρύ φάσμα μεταχαρακτηριστικών, όπως λ.χ. το κόστος σχεδιασμού, ο χρόνος σχεδιασμού, η αξιοπιστία και η επαναχρησιμοποίηση, τα οποία προδιαγράφονται από ένα αντικρουόμενο σύνολο λειτουργικών, τεχνολογικών και κατασκευαστικών περιορισμών. Η παρούσα διατριβή στοχεύει στην αντιμετώπιση των παραπάνω σχεδιαστικών προκλήσεων, μέσω της ανάπτυξης μεθοδολογιών και εργαλείων συνσχεδίασης υλικού/λογισμικού που επιτρέπουν την ταχεία υλοποίηση καθώς και την αποδοτική σύνθεση αρχιτεκτονικών λύσεων, οι οποίες προδιαγράφουν τα μετα-χαρακτηριστικά λειτουργίας που απαιτεί η σύγχρονη αγορά. Συγκεκριμένα, στα πλαίσια αυτής της διατριβής, παρουσιάζονται α) μεθοδολογίες επιτάχυνσης της ροής σχεδιασμού τόσο για επαναδιαμορφούμενες όσο και για εξειδικευμένες αρχιτεκτονικές, β) ετερογενή αδρομερή αρχιτεκτονικά πρότυπα επιτάχυνσης επεξεργασίας και επικοινωνίας και γ) αποδοτικές τεχνικές πολυκριτηριακής σύνθεσης τόσο σε υψηλό αφαιρετικό επίπεδο προγραμματισμού,όσο και σε φυσικό επίπεδο πυριτίου.Αναφορικά προς την επιτάχυνση της ροής σχεδιασμού, προτείνεται μια μεθοδολογία που χρησιμοποιεί εικονικές πλατφόρμες, οι οποίες αφαιρώντας τις αρχιτεκτονικές λεπτομέρειες καταφέρνουν να μειώσουν σημαντικά το χρόνο εξομοίωσης. Παράλληλα, εισηγείται η συστημική συν-εξομοίωση με τη χρήση επαναδιαμορφούμενων πλατφορμών, ως μέσων επιτάχυνσης. Με αυτόν τον τρόπο, ο κύκλος ανάπτυξης ενός προϊόντος υλικού, μετατεθειμένος από την κάθετη σειριακή ροή σε έναν κυκλικό αλληλεπιδραστικό βρόγχο, καθίσταται ταχύτερος, ενώ οι δυνατότητες προσομοίωσης εμπλουτίζονται με αποδοτικότερες μεθόδους εντοπισμού και διόρθωσης σχεδιαστικών σφαλμάτων, καθώς και μεθόδους ελέγχου των μετρικών απόδοσης του συστήματος σε σχέση με τις επιθυμητές προδιαγραφές, σε όλες τις φάσεις ανάπτυξης του συστήματος. Σε ορθογώνια συνάφεια με το προαναφερθέν μεθοδολογικό πλαίσιο, προτείνονται νέα αρχιτεκτονικά πρότυπα που στοχεύουν στη γεφύρωση του χάσματος μεταξύ της σχεδιαστικής πολυπλοκότητας και της τεχνολογικής παραγωγικότητας, με τη χρήση συστημάτων εξειδικευμένων επιταχυντών υλικού σε ετερογενή συστήματα-σε-ψηφίδα καθώς και δίκτυα-σε-ψηφίδα. Παρουσιάζεται κατάλληλη μεθοδολογία συν-σχεδίασης των επιταχυντών υλικού και του λογισμικού προκειμένου να αποφασισθεί η κατανομή των εργασιών στους διαθέσιμους πόρους του συστήματος/δικτύου. Το μεθοδολογικό πλαίσιο προβλέπει την υλοποίηση των επιταχυντών είτε με συμβατικές μεθόδους προγραμματισμού σε γλώσσα περιγραφής υλικού είτε με αφαιρετικό προγραμματιστικό μοντέλο με τη χρήση τεχνικών υψηλού επιπέδου σύνθεσης. Σε κάθε περίπτωση, δίδεται η δυνατότητα στο σχεδιαστή για βελτιστοποίηση συστημικών μετρικών, όπως η ταχύτητα επεξεργασίας, η ρυθμαπόδοση, η αξιοπιστία, η κατανάλωση ενέργειας και η επιφάνεια πυριτίου του σχεδιασμού. Τέλος, προκειμένου να αντιμετωπισθεί η αυξημένη πολυπλοκότητα στα σχεδιαστικά εργαλεία επαναδιαμορφούμενων συστημάτων, προτείνονται νέοι εξελικτικοί αλγόριθμοι πολυκριτηριακής βελτιστοποίησης, οι οποίοι εκμεταλλευόμενοι τους σύγχρονους πολυπύρηνους επεξεργαστές και την αδρομερή φύση των πολυνηματικών περιβαλλόντων προγραμματισμού (π.χ. OpenMP), μειώνουν το χρόνο επίλυσης του προβλήματος της τοποθέτησης των λογικών πόρων σε φυσικούς,ενώ ταυτόχρονα, ομαδοποιώντας τις εφαρμογές βάση των εγγενών χαρακτηριστικών τους, διερευνούν αποτελεσματικότερα το χώρο σχεδίασης.Η αποδοτικότητά των προτεινόμενων αρχιτεκτονικών προτύπων και μεθοδολογιών επαληθεύτηκε σε σχέση με τις υφιστάμενες λύσεις αιχμής τόσο σε αυτοτελής εφαρμογές, όπως η ψηφιακή επεξεργασία σήματος, τα πολυμέσα και τα προβλήματα αριθμητικής πολυπλοκότητας, καθώς και σε συστημικά ετερογενή περιβάλλοντα, όπως ένα σύστημα όρασης υπολογιστών για αυτόνομα διαστημικά ρομποτικά οχήματα και ένα σύστημα πολλαπλών επιταχυντών υλικού για σταθμούς εργασίας και κέντρα δεδομένων, στοχεύοντας εφαρμογές υψηλής υπολογιστικής απόδοσης (HPC). Τα αποτελέσματα ενισχύουν την πεποίθηση του γράφοντα, ότι η παρούσα διατριβή παρέχει ανταγωνιστική τεχνογνωσία για την αντιμετώπιση των πολύπλοκων σύγχρονων και προβλεπόμενα μελλοντικών σχεδιαστικών προκλήσεων

Low Power Processor Architectures and Contemporary Techniques for Power Optimization – A Review

The technological evolution has increased the number of transistors for a given die area significantly and increased the switching speed from few MHz to GHz range. Such inversely proportional decline in size and boost in performance consequently demands shrinking of supply voltage and effective power dissipation in chips with millions of transistors. This has triggered substantial amount of research in power reduction techniques into almost every aspect of the chip and particularly the processor cores contained in the chip. This paper presents an overview of techniques for achieving the power efficiency mainly at the processor core level but also visits related domains such as buses and memories. There are various processor parameters and features such as supply voltage, clock frequency, cache and pipelining which can be optimized to reduce the power consumption of the processor. This paper discusses various ways in which these parameters can be optimized. Also, emerging power efficient processor architectures are overviewed and research activities are discussed which should help reader identify how these factors in a processor contribute to power consumption. Some of these concepts have been already established whereas others are still active research areas. © 2009 ACADEMY PUBLISHER

Enabling High-Level Application Development for the Internet of Things

Application development in the Internet of Things (IoT) is challenging because it involves dealing with a wide range of related issues such as lack of separation of concerns, and lack of high-level of abstractions to address both the large scale and heterogeneity. Moreover, stakeholders involved in the application development have to address issues that can be attributed to different life-cycles phases. when developing applications. First, the application logic has to be analyzed and then separated into a set of distributed tasks for an underlying network. Then, the tasks have to be implemented for the specific hardware. Apart from handling these issues, they have to deal with other aspects of life-cycle such as changes in application requirements and deployed devices. Several approaches have been proposed in the closely related fields of wireless sensor network, ubiquitous and pervasive computing, and software engineering in general to address the above challenges. However, existing approaches only cover limited subsets of the above mentioned challenges when applied to the IoT. This paper proposes an integrated approach for addressing the above mentioned challenges. The main contributions of this paper are: (1) a development methodology that separates IoT application development into different concerns and provides a conceptual framework to develop an application, (2) a development framework that implements the development methodology to support actions of stakeholders. The development framework provides a set of modeling languages to specify each development concern and abstracts the scale and heterogeneity related complexity. It integrates code generation, task-mapping, and linking techniques to provide automation. Code generation supports the application development phase by producing a programming framework that allows stakeholders to focus on the application logic, while our mapping and linking techniques together support the deployment phase by producing device-specific code to result in a distributed system collaboratively hosted by individual devices. Our evaluation based on two realistic scenarios shows that the use of our approach improves the productivity of stakeholders involved in the application development

Investigating data throughput and partial dynamic reconfiguration in a commodity FPGA cluster framework

There are many computational kernels where parallelism can be exploited in applica- tion specific hardware, yielding significant speedup over a general purpose processor based solution. Commodity cluster computing technologies have been combined with FPGA co- processors, resulting in even greater performance capability through the exploitation of multiple levels of parallelism. One particularly economic solution both in terms of cost and power consumption is to cluster hybrid FPGAs with commodity network intercon- nects. Hybrid FPGAs combine embedded microprocessors with reconfigurable hardware resources on a single chip offering lower power consumption and cost compared to a tra- ditional I/O bus FPGA coprocessor solution. While there is a lot of promise in using com- modity hybrid FPGAs in a cluster configuration, the design flow and performance char- acteristics of such systems are currently a limiting factor to the range of applications that could benefit from such a system. The contribution of this thesis is a framework for clustering commodity FPGAs which integrates high speed DMA data transfers with a flexible FPGA resource sharing scheme enabled through partial reconfiguration. The framework includes an embedded Linux op- erating system, with a custom device driver to manage data transfers and hardware recon- figuration. User space tools for cluster computing including ssh and MPI are deployed allowing tasks to be split among nodes in the cluster. Performance analysis is performed with a homogeneous cluster composed of four Virtex-5 FXT based FPGA boards. The results demonstrate the advantages over previous work in terms of data throughput and reconfiguration, as well as promote future research efforts