MULTI-SCALE SCHEDULING TECHNIQUES FOR SIGNAL PROCESSING SYSTEMS

A variety of hardware platforms for signal processing has emerged, from distributed systems such as Wireless Sensor Networks (WSNs) to parallel systems such as Multicore Programmable Digital Signal Processors (PDSPs), Multicore General Purpose Processors (GPPs), and Graphics Processing Units (GPUs) to heterogeneous combinations of parallel and distributed devices. When a signal processing application is implemented on one of those platforms, the performance critically depends on the scheduling techniques, which in general allocate computation and communication resources for competing processing tasks in the application to optimize performance metrics such as power consumption, throughput, latency, and accuracy. Signal processing systems implemented on such platforms typically involve multiple levels of processing and communication hierarchy, such as network-level, chip-level, and processor-level in a structural context, and application-level, subsystem-level, component-level, and operation- or instruction-level in a behavioral context. In this thesis, we target scheduling issues that carefully address and integrate scheduling considerations at different levels of these structural and behavioral hierarchies. The core contributions of the thesis include the following. Considering both the network-level and chip-level, we have proposed an adaptive scheduling algorithm for wireless sensor networks (WSNs) designed for event detection. Our algorithm exploits discrepancies among the detection accuracy of individual sensors, which are derived from a collaborative training process, to allow each sensor to operate in a more energy efficient manner while the network satisfies given constraints on overall detection accuracy. Considering the chip-level and processor-level, we incorporated both temperature and process variations to develop new scheduling methods for throughput maximization on multicore processors. In particular, we studied how to process a large number of threads with high speed and without violating a given maximum temperature constraint. We targeted our methods to multicore processors in which the cores may operate at different frequencies and different levels of leakage. We develop speed selection and thread assignment schedulers based on the notion of a core's steady state temperature. Considering the application-level, component-level and operation-level, we developed a new dataflow based design flow within the targeted dataflow interchange format (TDIF) design tool. Our new multiprocessor system-on-chip (MPSoC)-oriented design flow, called TDIF-PPG, is geared towards analysis and mapping of embedded DSP applications on MPSoCs. An important feature of TDIF-PPG is its capability to integrate graph level parallelism and actor level parallelism into the application mapping process. Here, graph level parallelism is exposed by the dataflow graph application representation in TDIF, and actor level parallelism is modeled by a novel model for multiprocessor dataflow graph implementation that we call the Parallel Processing Group (PPG) model. Building on the contribution above, we formulated a new type of parallel task scheduling problem called Parallel Actor Scheduling (PAS) for chip-level MPSoC mapping of DSP systems that are represented as synchronous dataflow (SDF) graphs. In contrast to traditional SDF-based scheduling techniques, which focus on exploiting graph level (inter-actor) parallelism, the PAS problem targets the integrated exploitation of both intra- and inter-actor parallelism for platforms in which individual actors can be parallelized across multiple processing units. We address a special case of the PAS problem in which all of the actors in the DSP application or subsystem being optimized can be parallelized. For this special case, we develop and experimentally evaluate a two-phase scheduling framework with three work flows --- particle swarm optimization with a mixed integer programming formulation, particle swarm optimization with a simulated annealing engine, and particle swarm optimization with a fast heuristic based on list scheduling. Then, we extend our scheduling framework to support general PAS problem which considers the actors cannot be parallelized

A Survey of Techniques For Improving Energy Efficiency in Embedded Computing Systems

Recent technological advances have greatly improved the performance and features of embedded systems. With the number of just mobile devices now reaching nearly equal to the population of earth, embedded systems have truly become ubiquitous. These trends, however, have also made the task of managing their power consumption extremely challenging. In recent years, several techniques have been proposed to address this issue. In this paper, we survey the techniques for managing power consumption of embedded systems. We discuss the need of power management and provide a classification of the techniques on several important parameters to highlight their similarities and differences. This paper is intended to help the researchers and application-developers in gaining insights into the working of power management techniques and designing even more efficient high-performance embedded systems of tomorrow

A Survey of Fault-Tolerance Techniques for Embedded Systems from the Perspective of Power, Energy, and Thermal Issues

The relentless technology scaling has provided a significant increase in processor performance, but on the other hand, it has led to adverse impacts on system reliability. In particular, technology scaling increases the processor susceptibility to radiation-induced transient faults. Moreover, technology scaling with the discontinuation of Dennard scaling increases the power densities, thereby temperatures, on the chip. High temperature, in turn, accelerates transistor aging mechanisms, which may ultimately lead to permanent faults on the chip. To assure a reliable system operation, despite these potential reliability concerns, fault-tolerance techniques have emerged. Specifically, fault-tolerance techniques employ some kind of redundancies to satisfy specific reliability requirements. However, the integration of fault-tolerance techniques into real-time embedded systems complicates preserving timing constraints. As a remedy, many task mapping/scheduling policies have been proposed to consider the integration of fault-tolerance techniques and enforce both timing and reliability guarantees for real-time embedded systems. More advanced techniques aim additionally at minimizing power and energy while at the same time satisfying timing and reliability constraints. Recently, some scheduling techniques have started to tackle a new challenge, which is the temperature increase induced by employing fault-tolerance techniques. These emerging techniques aim at satisfying temperature constraints besides timing and reliability constraints. This paper provides an in-depth survey of the emerging research efforts that exploit fault-tolerance techniques while considering timing, power/energy, and temperature from the real-time embedded systems’ design perspective. In particular, the task mapping/scheduling policies for fault-tolerance real-time embedded systems are reviewed and classified according to their considered goals and constraints. Moreover, the employed fault-tolerance techniques, application models, and hardware models are considered as additional dimensions of the presented classification. Lastly, this survey gives deep insights into the main achievements and shortcomings of the existing approaches and highlights the most promising ones

Thermal aware task assignment for multicore processors using genetic algorithm

Microprocessor power and thermal density are increasing exponentially. The reliability of the processor declined, cooling costs rose, and the processor's lifespan was shortened due to an overheated processor and poor thermal management like thermally unbalanced processors. Thus, the thermal management and balancing of multi-core processors are extremely crucial. This work mostly focuses on a compact temperature model of multicore processors. In this paper, a novel task assignment is proposed using a genetic algorithm to maintain the thermal balance of the cores, by considering the energy expended by each task that the core performs. And expecting the cores’ temperature using the hotspot simulator. The algorithm assigns tasks to the processors depending on the task parameters and current cores’ temperature in such a way that none of the tasks’ deadlines are lost for the earliest deadline first (EDF) scheduling algorithm. The mathematical model was derived, and the simulation results showed that the highest temperature difference between the cores is 8 °C for approximately 14 seconds of simulation. These results validate the effectiveness of the proposed algorithm in managing the hotspot and reducing both temperature and energy consumption in multicore processors

Energy-aware Successor Tree Consistent EDF Scheduling for PCTGs on MPSoCs

Multiprocessor System-on-Chips (MPSoCs) computing architectures are gaining popularity due to their high-performance capabilities and exceptional Quality-of-Service (QoS), making them a particularly well-suited computing platform for computationally intensive workloads and applications.} Nonetheless, The scheduling and allocation of a single task set with precedence restrictions on MPSoCs have presented a persistent research challenge in acquiring energy-efficient solutions. The complexity of this scheduling problem escalates when subject to conditional precedence constraints between the tasks, creating what is known as a Conditional Task Graph (CTG). Scheduling sets of Periodic Conditional Task Graphs (PCTGs) on MPSoC platforms poses even more challenges. This paper focuses on tackling the scheduling challenge for a group of PCTGs on MPSoCs equipped with shared memory. The primary goal is to minimize the overall anticipated energy usage, considering two distinct power models: dynamic and static power models. To address this challenge, this paper introduces an innovative scheduling method named Energy Efficient Successor Tree Consistent Earliest Deadline First (EESEDF). The EESEDF approach is primarily designed to maximize the worst-case processor utilization. Once the tasks are assigned to processors, it leverages the earliest successor tree consistent deadline-first strategy to arrange tasks on each processor. To minimize the overall expected energy consumption, EESEDF solves a convex Non-Linear Program (NLP) to determine the optimal speed for each task. Additionally, the paper presents a highly efficient online Dynamic Voltage Scaling (DVS) heuristic, which operates in O(1) time complexity and dynamically adjusts the task speeds in real-time}. We achieved the average improvement, maximum improvement, and minimum improvement of EESEDF+Online-DVS 15%, 17%, and 12%, respectively compared to EESEDF alone. Furthermore, in the second set of experiments, we compared EESEDF against state-of-the-art techniques LESA and NCM. The results showed that EESEDF+Online-DVS outperformed these existing approaches, achieving notable energy efficiency improvements of 25% and 20% over LESA and NCM, respectively. \hl{Our proposed scheduler, EESEDF+Online-DVS, also achieves significant energy efficiency gains compared to existing methods. It outperforms IOETCS-Heuristic by approximately 13% while surpassing BESS and CAP-Online by impressive margins of 25% and 35%, respectively

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 $3\,s$