Adaptive memory hierarchies for next generation tiled microarchitectures

Les últimes dècades el rendiment dels processadors i de les memòries ha millorat a diferent ritme, limitant el rendiment dels processadors i creant el conegut memory gap. Sol·lucionar aquesta diferència de rendiment és un camp d'investigació d'actualitat i que requereix de noves sol·lucions. Una sol·lució a aquest problema són les memòries “cache”, que permeten reduïr l'impacte d'unes latències de memòria creixents i que conformen la jerarquia de memòria. La majoria de d'organitzacions de les “caches” estan dissenyades per a uniprocessadors o multiprcessadors tradicionals. Avui en dia, però, el creixent nombre de transistors disponible per xip ha permès l'aparició de xips multiprocessador (CMPs). Aquests xips tenen diferents propietats i limitacions i per tant requereixen de jerarquies de memòria específiques per tal de gestionar eficientment els recursos disponibles. En aquesta tesi ens hem centrat en millorar el rendiment i la eficiència energètica de la jerarquia de memòria per CMPs, des de les “caches” fins als controladors de memòria. A la primera part d'aquesta tesi, s'han estudiat organitzacions tradicionals per les “caches” com les privades o compartides i s'ha pogut constatar que, tot i que funcionen bé per a algunes aplicacions, un sistema que s'ajustés dinàmicament seria més eficient. Tècniques com el Cooperative Caching (CC) combinen els avantatges de les dues tècniques però requereixen un mecanisme centralitzat de coherència que té un consum energètic molt elevat. És per això que en aquesta tesi es proposa el Distributed Cooperative Caching (DCC), un mecanisme que proporciona coherència en CMPs i aplica el concepte del cooperative caching de forma distribuïda. Mitjançant l'ús de directoris distribuïts s'obté una sol·lució més escalable i que, a més, disposa d'un mecanisme de marcatge més flexible i eficient energèticament. A la segona part, es demostra que les aplicacions fan diferents usos de la “cache” i que si es realitza una distribució de recursos eficient es poden aprofitar els que estan infrautilitzats. Es proposa l'Elastic Cooperative Caching (ElasticCC), una organització capaç de redistribuïr la memòria “cache” dinàmicament segons els requeriments de cada aplicació. Una de les contribucions més importants d'aquesta tècnica és que la reconfiguració es decideix completament a través del maquinari i que tots els mecanismes utilitzats es basen en estructures distribuïdes, permetent una millor escalabilitat. ElasticCC no només és capaç de reparticionar les “caches” segons els requeriments de cada aplicació, sinó que, a més a més, és capaç d'adaptar-se a les diferents fases d'execució de cada una d'elles. La nostra avaluació també demostra que la reconfiguració dinàmica de l'ElasticCC és tant eficient que gairebé proporciona la mateixa taxa de fallades que una configuració amb el doble de memòria.Finalment, la tesi es centra en l'estudi del comportament de les memòries DRAM i els seus controladors en els CMPs. Es demostra que, tot i que els controladors tradicionals funcionen eficientment per uniprocessadors, en CMPs els diferents patrons d'accés obliguen a repensar com estan dissenyats aquests sistemes. S'han presentat múltiples sol·lucions per CMPs però totes elles es veuen limitades per un compromís entre el rendiment global i l'equitat en l'assignació de recursos. En aquesta tesi es proposen els Thread Row Buffers (TRBs), una zona d'emmagatenament extra a les memòries DRAM que permetria guardar files de dades específiques per a cada aplicació. Aquest mecanisme permet proporcionar un accés equitatiu a la memòria sense perjudicar el seu rendiment global. En resum, en aquesta tesi es presenten noves organitzacions per la jerarquia de memòria dels CMPs centrades en la escalabilitat i adaptativitat als requeriments de les aplicacions. Els resultats presentats demostren que les tècniques proposades proporcionen un millor rendiment i eficiència energètica que les millors tècniques existents fins a l'actualitat.Processor performance and memory performance have improved at different rates during the last decades, limiting processor performance and creating the well known "memory gap". Solving this performance difference is an important research field and new solutions must be proposed in order to have better processors in the future. Several solutions exist, such as caches, that reduce the impact of longer memory accesses and conform the system memory hierarchy. However, most of the existing memory hierarchy organizations were designed for single processors or traditional multiprocessors. Nowadays, the increasing number of available transistors has allowed the apparition of chip multiprocessors, which have different constraints and require new ad-hoc memory systems able to efficiently manage memory resources. Therefore, in this thesis we have focused on improving the performance and energy efficiency of the memory hierarchy of chip multiprocessors, ranging from caches to DRAM memories. In the first part of this thesis we have studied traditional cache organizations such as shared or private caches and we have seen that they behave well only for some applications and that an adaptive system would be desirable. State-of-the-art techniques such as Cooperative Caching (CC) take advantage of the benefits of both worlds. This technique, however, requires the usage of a centralized coherence structure and has a high energy consumption. Therefore we propose the Distributed Cooperative Caching (DCC), a mechanism to provide coherence to chip multiprocessors and apply the concept of cooperative caching in a distributed way. Through the usage of distributed directories we obtain a more scalable solution and, in addition, has a more flexible and energy-efficient tag allocation method. We also show that applications make different uses of cache and that an efficient allocation can take advantage of unused resources. We propose Elastic Cooperative Caching (ElasticCC), an adaptive cache organization able to redistribute cache resources dynamically depending on application requirements. One of the most important contributions of this technique is that adaptivity is fully managed by hardware and that all repartitioning mechanisms are based on distributed structures, allowing a better scalability. ElasticCC not only is able to repartition cache sizes to application requirements, but also is able to dynamically adapt to the different execution phases of each thread. Our experimental evaluation also has shown that the cache partitioning provided by ElasticCC is efficient and is almost able to match the off-chip miss rate of a configuration that doubles the cache space. Finally, we focus in the behavior of DRAM memories and memory controllers in chip multiprocessors. Although traditional memory schedulers work well for uniprocessors, we show that new access patterns advocate for a redesign of some parts of DRAM memories. Several organizations exist for multiprocessor DRAM schedulers, however, all of them must trade-off between memory throughput and fairness. We propose Thread Row Buffers, an extended storage area in DRAM memories able to store a data row for each thread. This mechanism enables a fair memory access scheduling without hurting memory throughput. Overall, in this thesis we present new organizations for the memory hierarchy of chip multiprocessors which focus on the scalability and of the proposed structures and adaptivity to application behavior. Results show that the presented techniques provide a better performance and energy-efficiency than existing state-of-the-art solutions

Scalable directoryless shared memory coherence using execution migration

We introduce the concept of deadlock-free migration-based coherent shared memory to the NUCA family of architectures. Migration-based architectures move threads among cores to guarantee sequential semantics in large multicores. Using a execution migration (EM) architecture, we achieve performance comparable to directory-based architectures without using directories: avoiding automatic data replication significantly reduces cache miss rates, while a fast network-level thread migration scheme takes advantage of shared data locality to reduce remote cache accesses that limit traditional NUCA performance. EM area and energy consumption are very competitive, and, on the average, it outperforms a directory-based MOESI baseline by 6.8% and a traditional S-NUCA design by 9.2%. We argue that with EM scaling performance has much lower cost and design complexity than in directory-based coherence and traditional NUCA architectures: by merely scaling network bandwidth from 128 to 256 (512) bit flits, the performance of our architecture improves by an additional 8% (12%), while the baselines show negligible improvement

Dynamic hardware-assisted software-controlled page placement to manage capacity allocation and sharing within large caches

Journal ArticleIn future multi-cores, large amounts of delay and power will be spent accessing data in large L2/L3 caches. It has been recently shown that OS-based page coloring allows a non-uniform cache architecture (NUCA) to provide low latencies and not be hindered by complex data search mechanisms. In this work, we extend that concept with mechanisms that dynamically move data within caches. The key innovation is the use of a shadow address space to allow hardware control of data placement in the L2 cache while being largely transparent to the user application and off-chip world. These mechanisms allow the hardware and OS to dynamically manage cache capacity per thread as well as optimize placement of data shared by multiple threads. We show an average IPC improvement of 10-20% for multiprogrammed workloads with capacity allocation policies and an average IPC improvement of 8% for multi-threaded workloads with policies for shared page placement

Doctor of Philosophy

dissertationIn recent years, a number of trends have started to emerge, both in microprocessor and application characteristics. As per Moore's law, the number of cores on chip will keep doubling every 18-24 months. International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS) reports that wires will continue to scale poorly, exacerbating the cost of on-chip communication. Cores will have to navigate an on-chip network to access data that may be scattered across many cache banks. The number of pins on the package, and hence available off-chip bandwidth, will at best increase at sublinear rate and at worst, stagnate. A number of disruptive memory technologies, e.g., phase change memory (PCM) have begun to emerge and will be integrated into the memory hierarchy sooner than later, leading to non-uniform memory access (NUMA) hierarchies. This will make the cost of accessing main memory even higher. In previous years, most of the focus has been on deciding the memory hierarchy level where data must be placed (L1 or L2 caches, main memory, disk, etc.). However, in modern and future generations, each level is getting bigger and its design is being subjected to a number of constraints (wire delays, power budget, etc.). It is becoming very important to make an intelligent decision about where data must be placed within a level. For example, in a large non-uniform access cache (NUCA), we must figure out the optimal bank. Similarly, in a multi-dual inline memory module (DIMM) non uniform memory access (NUMA) main memory, we must figure out the DIMM that is the optimal home for every data page. Studies have indicated that heterogeneous main memory hierarchies that incorporate multiple memory technologies are on the horizon. We must develop solutions for data management that take heterogeneity into account. For these memory organizations, we must again identify the appropriate home for data. In this dissertation, we attempt to verify the following thesis statement: "Can low-complexity hardware and OS mechanisms manage data placement within each memory hierarchy level to optimize metrics such as performance and/or throughput?" In this dissertation we argue for a hardware-software codesign approach to tackle the above mentioned problems at different levels of the memory hierarchy. The proposed methods utilize techniques like page coloring and shadow addresses and are able to handle a large number of problems ranging from managing wire-delays in large, shared NUCA caches to distributing shared capacity among different cores. We then examine data-placement issues in NUMA main memory for a many-core processor with a moderate number of on-chip memory controllers. Using codesign approaches, we achieve efficient data placement by modifying the operating system's (OS) page allocation algorithm for a wide variety of main memory architectures

Exploiting data locality in cache-coherent NUMA systems

The end of Dennard scaling has caused a stagnation of the clock frequency in computers.To overcome this issue, in the last two decades vendors have been integrating larger numbers of processing elements in the systems, interconnecting many nodes, including multiple chips in the nodes and increasing the number of cores in each chip. The speed of main memory has not evolved at the same rate as processors, it is much slower and there is a need to provide more total bandwidth to the processors, especially with the increase in the number of cores and chips. Still keeping a shared address space, where all processors can access the whole memory, solutions have come by integrating more memories: by using newer technologies like high-bandwidth memories (HBM) and non-volatile memories (NVM), by giving groups cores (like sockets, for example) faster access to some subset of the DRAM, or by combining many of these solutions. This has caused some heterogeneity in the access speed to main memory, depending on the CPU requesting access to a memory address and the actual physical location of that address, causing non-uniform memory access (NUMA) behaviours. Moreover, many of these systems are cache-coherent (ccNUMA), meaning that changes in the memory done from one CPU must be visible by the other CPUs and transparent for the programmer. These NUMA behaviours reduce the performance of applications and can pose a challenge to the programmers. To tackle this issue, this thesis proposes solutions, at the software and hardware levels, to improve the data locality in NUMA systems and, therefore, the performance of applications in these computer systems. The first contribution shows how considering hardware prefetching simultaneously with thread and data placement in NUMA systems can find configurations with better performance than considering these aspects separately. The performance results combined with performance counters are then used to build a performance model to predict, both offline and online, the best configuration for new applications not in the model. The evaluation is done using two different high performance NUMA systems, and the performance counters collected in one machine are used to predict the best configurations in the other machine. The second contribution builds on the idea that prefetching can have a strong effect in NUMA systems and proposes a NUMA-aware hardware prefetching scheme. This scheme is generic and can be applied to multiple hardware prefetchers with a low hardware cost but giving very good results. The evaluation is done using a cycle-accurate architectural simulator and provides detailed results of the performance, the data transfer reduction and the energy costs. Finally, the third and last contribution consists in scheduling algorithms for task-based programming models. These programming models help improve the programmability of applications in parallel systems and also provide useful information to the underlying runtime system. This information is used to build a task dependency graph (TDG), a directed acyclic graph that models the application where the nodes are sequential pieces of code known as tasks and the edges are the data dependencies between the different tasks. The proposed scheduling algorithms use graph partitioning techniques and provide a scheduling for the tasks in the TDG that minimises the data transfers between the different NUMA regions of the system. The results have been evaluated in real ccNUMA systems with multiple NUMA regions.La fi de la llei de Dennard ha provocat un estancament de la freqüència de rellotge dels computadors. Amb l'objectiu de superar aquest fet, durant les darreres dues dècades els fabricants han integrat més quantitat d'unitats de còmput als sistemes mitjançant la interconnexió de nodes diferents, la inclusió de múltiples xips als nodes i l'increment de nuclis de processador a cada xip. La rapidesa de la memòria principal no ha evolucionat amb el mateix factor que els processadors; és molt més lenta i hi ha la necessitat de proporcionar més ample de banda als processadors, especialment amb l'increment del nombre de nuclis i xips. Tot mantenint un adreçament compartit en el qual tots els processadors poden accedir a la memòria sencera, les solucions han estat al voltant de la integració de més memòries: amb tecnologies modernes com HBM (high-bandwidth memories) i NVM (non-volatile memories), fent que grups de nuclis (com sòcols sencers) tinguin accés més ràpid a una part de la DRAM o amb la combinació de solucions. Això ha provocat una heterogeneïtat en la velocitat d'accés a la memòria principal, en funció del nucli que sol·licita l'accés a una adreça en particular i la seva localització física, fet que provoca uns comportaments no uniformes en l'accés a la memòria (non-uniform memory access, NUMA). A més, sovint tenen memòries cau coherents (cache-coherent NUMA, ccNUMA), que implica que qualsevol canvi fet a la memòria des d'un nucli d'un processador ha de ser visible la resta de manera transparent. Aquests comportaments redueixen el rendiment de les aplicacions i suposen un repte. Per abordar el problema, a la tesi s'hi proposen solucions, a nivell de programari i maquinari, que milloren la localitat de dades als sistemes NUMA i, en conseqüència, el rendiment de les aplicacions en aquests sistemes. La primera contribució mostra que, quan es tenen en compte alhora la precàrrega d'adreces de memòria amb maquinari (hardware prefetching) i les decisions d'ubicació dels fils d'execució i les dades als sistemes NUMA, es poden trobar millors configuracions que quan es condieren per separat. Una combinació dels resultats de rendiment i dels comptadors disponibles al sistema s'utilitza per construir un model de rendiment per fer la predicció, tant per avançat com també en temps d'execució, de la millor configuració per aplicacions que no es troben al model. L'avaluació es du a terme a dos sistemes NUMA d'alt rendiment, i els comptadors mesurats en un sistema s'usen per predir les millors configuracions a l'altre sistema. La segona contribució es basa en la idea que el prefetching pot tenir un efecte considerable als sistemes NUMA i proposa un esquema de precàrrega a nivell de maquinari que té en compte els efectes NUMA. L'esquema és genèric i es pot aplicar als algorismes de precàrrega existents amb un cost de maquinari molt baix però amb molt bons resultats. S'avalua amb un simulador arquitectural acurat a nivell de cicle i proporciona resultats detallats del rendiment, la reducció de les comunicacions de dades i els costos energètics. La tercera i darrera contribució consisteix en algorismes de planificació per models de programació basats en tasques. Aquests simplifiquen la programabilitat de les aplicacions paral·leles i proveeixen informació molt útil al sistema en temps d'execució (runtime system) que en controla el funcionament. Amb aquesta informació es construeix un graf de dependències entre tasques (task dependency graph, TDG), un graf dirigit i acíclic que modela l'aplicació i en el qual els nodes són fragments de codi seqüencial (o tasques) i els arcs són les dependències de dades entre les tasques. Els algorismes de planificació proposats fan servir tècniques de particionat de grafs i proporcionen una planificació de les tasques del TDG que minimitza la comunicació de dades entre les diferents regions NUMA del sistema. Els resultats han estat avaluats en sistemes ccNUMA reals amb múltiples regions NUMA.El final de la ley de Dennard ha provocado un estancamiento de la frecuencia de reloj de los computadores. Con el objetivo de superar este problema, durante las últimas dos décadas los fabricantes han integrado más unidades de cómputo en los sistemas mediante la interconexión de nodos diferentes, la inclusión de múltiples chips en los nodos y el incremento de núcleos de procesador en cada chip. La rapidez de la memoria principal no ha evolucionado con el mismo factor que los procesadores; es mucho más lenta y hay la necesidad de proporcionar más ancho de banda a los procesadores, especialmente con el incremento del número de núcleos y chips. Aun manteniendo un sistema de direccionamiento compartido en el que todos los procesadores pueden acceder al conjunto de la memoria, las soluciones han oscilado alrededor de la integración de más memorias: usando tecnologías modernas como las memorias de alto ancho de banda (highbandwidth memories, HBM) y memorias no volátiles (non-volatile memories, NVM), haciendo que grupos de núcleos (como zócalos completos) tengan acceso más veloz a un subconjunto de la DRAM, o con la combinación de soluciones. Esto ha provocado una heterogeneidad en la velocidad de acceso a la memoria principal, en función del núcleo que solicita el acceso a una dirección de memoria en particular y la ubicación física de esta dirección, lo que provoca unos comportamientos no uniformes en el acceso a la memoria (non-uniform memory access, NUMA). Además, muchos de estos sistemas tienen memorias caché coherentes (cache-coherent NUMA, ccNUMA), lo que implica que cualquier cambio hecho en la memoria desde un núcleo de un procesador debe ser visible por el resto de procesadores de forma transparente para los programadores. Estos comportamientos NUMA reducen el rendimiento de las aplicaciones y pueden suponer un reto para los programadores. Para abordar dicho problema, en esta tesis se proponen soluciones, a nivel de software y hardware, que mejoran la localidad de datos en los sistemas NUMA y, en consecuencia, el rendimiento de las aplicaciones en estos sistemas informáticos. La primera contribución muestra que, cuando se tienen en cuenta a la vez la precarga de direcciones de memoria mediante hardware (o hardware prefetching ) y las decisiones de la ubicación de los hilos de ejecución y los datos en los sistemas NUMA, se pueden hallar mejores configuraciones que cuando se consideran ambos aspectos por separado. Con una combinación de los resultados de rendimiento y de los contadores disponibles en el sistema se construye un modelo de rendimiento, tanto por avanzado como en en tiempo de ejecución, de la mejor configuración para aplicaciones que no están incluidas en el modelo. La evaluación se realiza en dos sistemas NUMA de alto rendimiento, y los contadores medidos en uno de los sistemas se usan para predecir las mejores configuraciones en el otro sistema. La segunda contribución se basa en la idea de que el prefetching puede tener un efecto considerable en los sistemas NUMA y propone un esquema de precarga a nivel hardware que tiene en cuenta los efectos NUMA. Este esquema es genérico y se puede aplicar a diferentes algoritmos de precarga existentes con un coste de hardware muy bajo pero que proporciona muy buenos resultados. Dichos resultados se obtienen y evalúan mediante un simulador arquitectural preciso a nivel de ciclo y proporciona resultados detallados del rendimiento, la reducción de las comunicaciones de datos y los costes energéticos. Finalmente, la tercera y última contribución consiste en algoritmos de planificación para modelos de programación basados en tareas. Estos modelos simplifican la programabilidad de las aplicaciones paralelas y proveen información muy útil al sistema en tiempo de ejecución (runtime system) que controla su funcionamiento. Esta información se utiliza para construir un grafo de dependencias entre tareas (task dependency graph, TDG), un grafo dirigido y acíclico que modela la aplicación y en el ue los nodos son fragmentos de código secuencial, conocidos como tareas, y los arcos son las dependencias de datos entre las distintas tareas. Los algoritmos de planificación que se proponen usan técnicas e particionado de grafos y proporcionan una planificación de las tareas del TDG que minimiza la comunicación de datos entre las distintas regiones NUMA del sistema. Los resultados se han evaluado en sistemas ccNUMA reales con múltiples regiones NUMA.Postprint (published version

Variation-Tolerant Non-Uniform 3D Cache Management in Memory Stacked Multi-Core Processors

Process variations in integrated circuits have significant impact on their performance, leakage and stability. This is particularly evident in large, regular and dense structures such as DRAMs. DRAMs are built using minimized transistors with presumably uniform speed in an organized array structure. Process variation can introduce latency disparity among different memory arrays. With the proliferation of 3D stacking technology, DRAMs become a favorable choice for stacking on top of a multi-core processor as a last level cache for large capacity, high bandwidth, and low power. Hence, variations in bank speed create a unique problem of non-uniform cache accesses in the 3D space.In this thesis, we investigate cache management techniques for tolerating process variation in a 3D DRAM stacked onto a multi-core processor. We modeled the process variation in a 4-layer DRAM memory to characterize the latency variations among different banks. As a result, the notion of fast and slow banks from the core's standpoint is no longer associated with their physical distances with the banks. They are determined by the different bank latencies due to process variation. We develop cache migration schemes that utilize fast banks while limiting the cost due to migration. Our experiments show that there is a great performance benefit in exploiting fast memory banks through migration. On average, a variation-aware management can improve the performance of a workload over the baseline (where the speed of the slowest bank is assumed for all banks) by 17.8%. We are also only 0.45% away in performance from an ideal memory where no PV is present

Machine Learning for Resource-Constrained Computing Systems

Die verfügbaren Ressourcen in Informationsverarbeitungssystemen wie Prozessoren sind in der Regel eingeschränkt. Das umfasst z. B. die elektrische Leistungsaufnahme, den Energieverbrauch, die Wärmeabgabe oder die Chipfläche. Daher ist die Optimierung der Verwaltung der verfügbaren Ressourcen von größter Bedeutung, um Ziele wie maximale Performanz zu erreichen. Insbesondere die Ressourcenverwaltung auf der Systemebene hat über die (dynamische) Zuweisung von Anwendungen zu Prozessorkernen und über die Skalierung der Spannung und Frequenz (dynamic voltage and frequency scaling, DVFS) einen großen Einfluss auf die Performanz, die elektrische Leistung und die Temperatur während der Ausführung von Anwendungen. Die wichtigsten Herausforderungen bei der Ressourcenverwaltung sind die hohe Komplexität von Anwendungen und Plattformen, unvorhergesehene (zur Entwurfszeit nicht bekannte) Anwendungen oder Plattformkonfigurationen, proaktive Optimierung und die Minimierung des Laufzeit-Overheads. Bestehende Techniken, die auf einfachen Heuristiken oder analytischen Modellen basieren, gehen diese Herausforderungen nur unzureichend an. Aus diesem Grund ist der Hauptbeitrag dieser Dissertation der Einsatz maschinellen Lernens (ML) für Ressourcenverwaltung. ML-basierte Lösungen ermöglichen die Bewältigung dieser Herausforderungen durch die Vorhersage der Auswirkungen potenzieller Entscheidungen in der Ressourcenverwaltung, durch Schätzung verborgener (unbeobachtbarer) Eigenschaften von Anwendungen oder durch direktes Lernen einer Ressourcenverwaltungs-Strategie. Diese Dissertation entwickelt mehrere neuartige ML-basierte Ressourcenverwaltung-Techniken für verschiedene Plattformen, Ziele und Randbedingungen. Zunächst wird eine auf Vorhersagen basierende Technik zur Maximierung der Performanz von Mehrkernprozessoren mit verteiltem Last-Level Cache und limitierter Maximaltemperatur vorgestellt. Diese verwendet ein neuronales Netzwerk (NN) zur Vorhersage der Auswirkungen potenzieller Migrationen von Anwendungen zwischen Prozessorkernen auf die Performanz. Diese Vorhersagen erlauben die Bestimmung der bestmöglichen Migration und ermöglichen eine proaktive Verwaltung. Das NN ist so trainiert, dass es mit unbekannten Anwendungen und verschiedenen Temperaturlimits zurechtkommt. Zweitens wird ein Boosting-Verfahren zur Maximierung der Performanz homogener Mehrkernprozessoren mit limitierter Maximaltemperatur mithilfe von DVFS vorgestellt. Dieses basiert auf einer neuartigen {Boostability}-Metrik, die die Abhängigkeiten von Performanz, elektrischer Leistung und Temperatur auf Spannungs/Frequenz-Änderungen in einer Metrik vereint. % ignorerepeated Die Abhängigkeiten von Performanz und elektrischer Leistung hängen von der Anwendung ab und können zur Laufzeit nicht direkt beobachtet (gemessen) werden. Daher wird ein NN verwendet, um diese Werte für unbekannte Anwendungen zu schätzen und so die Komplexität der Boosting-Optimierung zu bewältigen. Drittens wird eine Technik zur Temperaturminimierung von heterogenen Mehrkernprozessoren mit Quality of Service-Zielen vorgestellt. Diese verwendet Imitationslernen, um eine Migrationsstrategie von Anwendungen aus optimalen Orakel-Demonstrationen zu lernen. Dafür wird ein NN eingesetzt, um die Komplexität der Plattform und des Anwendungsverhaltens zu bewältigen. Die Inferenz des NNs wird mit Hilfe eines vorhandenen generischen Beschleunigers, einer Neural Processing Unit (NPU), beschleunigt. Auch die ML Algorithmen selbst müssen auch mit begrenzten Ressourcen ausgeführt werden. Zuletzt wird eine Technik für ressourcenorientiertes Training auf verteilten Geräten vorgestellt, um einen konstanten Trainingsdurchsatz bei sich schnell ändernder Verfügbarkeit von Rechenressourcen aufrechtzuerhalten, wie es z.~B.~aufgrund von Konflikten bei gemeinsam genutzten Ressourcen der Fall ist. Diese Technik verwendet Structured Dropout, welches beim Training zufällige Teile des NNs auslässt. Dadurch können die erforderlichen Ressourcen für das Training dynamisch angepasst werden -- mit vernachlässigbarem Overhead, aber auf Kosten einer langsameren Trainingskonvergenz. Die Pareto-optimalen Dropout-Parameter pro Schicht des NNs werden durch eine Design Space Exploration bestimmt. Evaluierungen dieser Techniken werden sowohl in Simulationen als auch auf realer Hardware durchgeführt und zeigen signifikante Verbesserungen gegenüber dem Stand der Technik, bei vernachlässigbarem Laufzeit-Overhead. Zusammenfassend zeigt diese Dissertation, dass ML eine Schlüsseltechnologie zur Optimierung der Verwaltung der limitierten Ressourcen auf Systemebene ist, indem die damit verbundenen Herausforderungen angegangen werden

Scalable Task Schedulers for Many-Core Architectures

This thesis develops schedulers for many-cores with different optimization objectives. The proposed schedulers are designed to be scale up as the number of cores in many-cores increase while continuing to provide guarantees on the quality of the schedule

Improving heterogeneous system efficiency : architecture, scheduling, and machine learning

Computer architects are beginning to embrace heterogeneous systems as an effective method to utilize increases in transistor densities for executing a diverse range of workloads under varying performance and energy constraints. As heterogeneous systems become more ubiquitous, architects will need to develop novel CPU scheduling techniques capable of exploiting the diversity of computational resources. In recognizing hardware diversity, state-of-the-art heterogeneous schedulers are able to produce significant performance improvements over their predecessors and enable more flexible system designs. Nearly all of these, however, are unable to efficiently identify the mapping schemes which will result in the highest system performance. Accurately estimating the performance of applications on different heterogeneous resources can provide a significant advantage to heterogeneous schedulers for identifying a performance maximizing mapping scheme to improve system performance. Recent advances in machine learning techniques including artificial neural networks have led to the development of powerful and practical prediction models for a variety of fields. As of yet, however, no significant leaps have been taken towards employing machine learning for heterogeneous scheduling in order to maximize system throughput. The core issue we approach is how to understand and utilize the rise of heterogeneous architectures, benefits of heterogeneous scheduling, and the promise of machine learning techniques with respect to maximizing system performance. We present studies that promote a future computing model capable of supporting massive hardware diversity, discuss the constraints faced by heterogeneous designers, explore the advantages and shortcomings of conventional heterogeneous schedulers, and pioneer applying machine learning to optimize mapping and system throughput. The goal of this thesis is to highlight the importance of efficiently exploiting heterogeneity and to validate the opportunities that machine learning can offer for various areas in computer architecture.Arquitectos de computadores estan empesando a diseñar systemas heterogeneos como una manera efficiente de usar los incrementos en densidades de transistors para ejecutar una gran diversidad de programas corriendo debajo de differentes condiciones y requisitos de energia y rendimiento (performance). En cuanto los sistemas heterogeneos van ganando popularidad de uso, arquitectos van a necesitar a diseñar nuevas formas de hacer el scheduling de las applicaciones en los cores distintos de los CPUs. Schedulers nuevos que tienen en cuenta la heterogeniedad de los recursos en el hardware logran importantes beneficios en terminos de rendimiento en comparacion con schedulers hecho para sistemas homogenios. Pero, casi todos de estos schedulers heterogeneos no son capaz de poder identificar la esquema de mapping que produce el rendimiento maximo dado el estado de los cores y las applicaciones. Estimando con precision el rendimiento de los programas ejecutando sobre diferentes cores de un CPU es un a gran ventaja para poder identificar el mapping para lograr el mejor rendimiento posible para el proximo scheduling quantum. Desarollos nuevos en la area de machine learning, como redes neurales, han producido predictores muy potentes y con gran precision in disciplinas numerosas. Pero en estos momentos, la aplicacion de metodos de machine learning no se han casi explorados para poder mejorar la eficiencia de los CPUs y menos para mejorar los schedulers para sistemas heterogeneos. El tema de enfoque en esta tesis es como poder entender y utilizar los sistemas heterogeneos, los beneficios de scheduling para estos sistemas, y como aprovechar las promesas de los metodos de machine learning con respeto a maximizer el redimiento de el Sistema. Presentamos estudios que dan una esquema para un modelo de computacion para el futuro capaz de dar suporte a recursos heterogeneos en gran escala, discutimos las restricciones enfrentados por diseñadores de sistemas heterogeneos, exploramos las ventajas y desventajas de las ultimas schedulers heterogeneos, y abrimos el camino de usar metodos de machine learning para optimizer el mapping y rendimiento de un sistema heterogeneo. El objetivo de esta tesis es destacar la imporancia de explotando eficientemente la heterogenidad de los recursos y tambien validar las oportunidades para mejorar la eficiencia en diferente areas de arquitectura de computadoras que pueden ser realizadas gracias a machine learning.Postprint (published version

Cost-Effective Design of Mesh-of-Tree Interconnect for Multi-Core Clusters with 3-D Stacked L2 Scratchpad Memory

3-D integrated circuits (3-D ICs) offer a promising solution to overcome the scaling limitations of 2-D ICs. However, using too many through-silicon-vias (TSVs) pose a negative impact on 3-D ICs due to the large overhead of TSV (e.g., large footprint and low yield). In this paper, we propose a new TSV sharing method for a circuit-switched 3-D mesh-of-tree (MoT) interconnect, which supports high-throughput and low-latency communication between processing cores and 3-D stacked multibanked L2 scratchpad memory. The proposed method supports traffic balancing and TSV-failure tolerant routing. The proposed method advocates a modular design strategy to allow stacking multiple identical memory dies without the need for different masks for dies at different levels in the memory stack. We also investigate various parameters of 3-D memory stacking (e.g., fabrication technology, TSV bonding technique, number of memory tiers, and TSV sharing scheme) that affect interconnect latency, system performance, and fabrication cost. Compared to conventional MoT interconnect that is straightforwardly adapted to 3-D integration, the proposed method yields up to (times 2.11) and (times 1.11) improvements in terms of cost efficiency (i.e., performance/cost) for microbump TSV bonding and direct Cu–Cu TSV bonding techniques, respectively