Mapping parallelism to heterogeneous processors

Most embedded devices are based on heterogeneous Multiprocessor System on Chips (MPSoCs). These contain a variety of processors like CPUs, micro-controllers, DSPs, GPUs and specialised accelerators. The heterogeneity of these systems helps in achieving good performance and energy efficiency but makes programming inherently difficult. There is no single programming language or runtime to program such platforms. This thesis makes three contributions to these problems. First, it presents a framework that allows code in Single Program Multiple Data (SPMD) form to be mapped to a heterogeneous platform. The mapping space is explored, and it is shown that the best mapping depends on the metric used. Next, a compiler framework is presented which bridges the gap between the high -level programming model of OpenMP and the heterogeneous resources of MPSoCs. It takes OpenMP programs and generates code which runs on all processors. It delivers programming ease while exploiting heterogeneous resources. Finally, a compiler-based approach to runtime power management for heterogeneous cores is presented. Given an externally provided budget, the approach generates heterogeneous, partitioned code that attempts to give the best performance within that budget

Resource-aware Programming in a High-level Language - Improved performance with manageable effort on clustered MPSoCs

Bis 2001 bedeutete Moores und Dennards Gesetz eine Verdoppelung der Ausführungszeit alle 18 Monate durch verbesserte CPUs. Heute ist Nebenläufigkeit das dominante Mittel zur Beschleunigung von Supercomputern bis zu mobilen Geräten. Allerdings behindern neuere Phänomene wie "Dark Silicon" zunehmend eine weitere Beschleunigung durch Hardware. Um weitere Beschleunigung zu erreichen muss sich auch die Soft­ware mehr ihrer Hardware Resourcen gewahr werden. Verbunden mit diesem Phänomen ist eine immer heterogenere Hardware. Supercomputer integrieren Beschleuniger wie GPUs. Mobile SoCs (bspw. Smartphones) integrieren immer mehr Fähigkeiten. Spezialhardware auszunutzen ist eine bekannte Methode, um den Energieverbrauch zu senken, was ein weiterer wichtiger Aspekt ist, welcher mit der reinen Geschwindigkeit abgewogen werde muss. Zum Beispiel werden Supercomputer auch nach "Performance pro Watt" bewertet. Zur Zeit sind systemnahe low-level Programmierer es gewohnt über Hardware nachzudenken, während der gemeine high-level Programmierer es vorzieht von der Plattform möglichst zu abstrahieren (bspw. Cloud). "High-level" bedeutet nicht, dass Hardware irrelevant ist, sondern dass sie abstrahiert werden kann. Falls Sie eine Java-Anwendung für Android entwickeln, kann der Akku ein wichtiger Aspekt sein. Irgendwann müssen aber auch Hochsprachen resourcengewahr werden, um Geschwindigkeit oder Energieverbrauch zu verbessern. Innerhalb des Transregio "Invasive Computing" habe ich an diesen Problemen gearbeitet. In meiner Dissertation stelle ich ein Framework vor, mit dem man Hochsprachenanwendungen resourcengewahr machen kann, um so die Leistung zu verbessern. Das könnte beispielsweise erhöhte Effizienz oder schnellerer Ausführung für das System als Ganzes bringen. Ein Kerngedanke dabei ist, dass Anwendungen sich nicht selbst optimieren. Stattdessen geben sie alle Informationen an das Betriebssystem. Das Betriebssystem hat eine globale Sicht und trifft Entscheidungen über die Resourcen. Diesen Prozess nennen wir "Invasion". Die Aufgabe der Anwendung ist es, sich an diese Entscheidungen anzupassen, aber nicht selbst welche zu fällen. Die Herausforderung besteht darin eine Sprache zu definieren, mit der Anwendungen Resourcenbedingungen und Leistungsinformationen kommunizieren. So eine Sprache muss ausdrucksstark genug für komplexe Informationen, erweiterbar für neue Resourcentypen, und angenehm für den Programmierer sein. Die zentralen Beiträge dieser Dissertation sind: Ein theoretisches Modell der Resourcen-Verwaltung, um die Essenz des resourcengewahren Frameworks zu beschreiben, die Korrektheit der Entscheidungen des Betriebssystems bezüglich der Bedingungen einer Anwendung zu begründen und zum Beweis meiner Thesen von Effizienz und Beschleunigung in der Theorie. Ein Framework und eine Übersetzungspfad resourcengewahrer Programmierung für die Hochsprache X10. Zur Bewertung des Ansatzes haben wir Anwendungen aus dem High Performance Computing implementiert. Eine Beschleunigung von 5x konnte gemessen werden. Ein Speicherkonsistenzmodell für die X10 Programmiersprache, da dies ein notwendiger Schritt zu einer formalen Semantik ist, die das theoretische Modell und die konkrete Implementierung verknüpft. Zusammengefasst zeige ich, dass resourcengewahre Programmierung in Hoch\-sprachen auf zukünftigen Architekturen mit vielen Kernen mit vertretbarem Aufwand machbar ist und die Leistung verbessert

Simulation Native des Systèmes Multiprocesseurs sur Puce à l'aide de la Virtualisation Assistée par le Matériel

L'intégration de plusieurs processeurs hétérogènes en un seul système sur puce (SoC) est une tendance claire dans les systèmes embarqués. La conception et la vérification de ces systèmes nécessitent des plateformes rapides de simulation, et faciles à construire. Parmi les approches de simulation de logiciels, la simulation native est un bon candidat grâce à l'exécution native de logiciel embarqué sur la machine hôte, ce qui permet des simulations à haute vitesse, sans nécessiter le développement de simulateurs d'instructions. Toutefois, les techniques de simulation natives existantes exécutent le logiciel de simulation dans l'espace de mémoire partagée entre le matériel modélisé et le système d'exploitation hôte. Il en résulte de nombreux problèmes, par exemple les conflits l'espace d'adressage et les chevauchements de mémoire ainsi que l'utilisation des adresses de la machine hôte plutôt des celles des plates-formes matérielles cibles. Cela rend pratiquement impossible la simulation native du code existant fonctionnant sur la plate-forme cible. Pour surmonter ces problèmes, nous proposons l'ajout d'une couche transparente de traduction de l'espace adressage pour séparer l'espace d'adresse cible de celui du simulateur de hôte. Nous exploitons la technologie de virtualisation assistée par matériel (HAV pour Hardware-Assisted Virtualization) à cet effet. Cette technologie est maintenant disponibles sur plupart de processeurs grande public à usage général. Les expériences montrent que cette solution ne dégrade pas la vitesse de simulation native, tout en gardant la possibilité de réaliser l'évaluation des performances du logiciel simulé. La solution proposée est évolutive et flexible et nous fournit les preuves nécessaires pour appuyer nos revendications avec des solutions de simulation multiprocesseurs et hybrides. Nous abordons également la simulation d'exécutables cross- compilés pour les processeurs VLIW (Very Long Instruction Word) en utilisant une technique de traduction binaire statique (SBT) pour généré le code natif. Ainsi il n'est pas nécessaire de faire de traduction à la volée ou d'interprétation des instructions. Cette approche est intéressante dans les situations où le code source n'est pas disponible ou que la plate-forme cible n'est pas supporté par les compilateurs reciblable, ce qui est généralement le cas pour les processeurs VLIW. Les simulateurs générés s'exécutent au-dessus de notre plate-forme basée sur le HAV et modélisent les processeurs de la série C6x de Texas Instruments (TI). Les résultats de simulation des binaires pour VLIW montrent une accélération de deux ordres de grandeur par rapport aux simulateurs précis au cycle près.Integration of multiple heterogeneous processors into a single System-on-Chip (SoC) is a clear trend in embedded systems. Designing and verifying these systems require high-speed and easy-to-build simulation platforms. Among the software simulation approaches, native simulation is a good candidate since the embedded software is executed natively on the host machine, resulting in high speed simulations and without requiring instruction set simulator development effort. However, existing native simulation techniques execute the simulated software in memory space shared between the modeled hardware and the host operating system. This results in many problems, including address space conflicts and overlaps as well as the use of host machine addresses instead of the target hardware platform ones. This makes it practically impossible to natively simulate legacy code running on the target platform. To overcome these issues, we propose the addition of a transparent address space translation layer to separate the target address space from that of the host simulator. We exploit the Hardware-Assisted Virtualization (HAV) technology for this purpose, which is now readily available on almost all general purpose processors. Experiments show that this solution does not degrade the native simulation speed, while keeping the ability to accomplish software performance evaluation. The proposed solution is scalable as well as flexible and we provide necessary evidence to support our claims with multiprocessor and hybrid simulation solutions. We also address the simulation of cross-compiled Very Long Instruction Word (VLIW) executables, using a Static Binary Translation (SBT) technique to generated native code that does not require run-time translation or interpretation support. This approach is interesting in situations where either the source code is not available or the target platform is not supported by any retargetable compilation framework, which is usually the case for VLIW processors. The generated simulators execute on top of our HAV based platform and model the Texas Instruments (TI) C6x series processors. Simulation results for VLIW binaries show a speed-up of around two orders of magnitude compared to the cycle accurate simulators.SAVOIE-SCD - Bib.électronique (730659901) / SudocGRENOBLE1/INP-Bib.électronique (384210012) / SudocGRENOBLE2/3-Bib.électronique (384219901) / SudocSudocFranceF

Measurement, Modeling, and Characterization for Power-Aware Computing

Society’s increasing dependence on information technology has resulted in the deployment of vast compute resources. The energy costs of operating these resources coupled with environmental concerns have made power-aware computingone of the primary challenges for the IT sector. Making energy-efficient computing a rule rather than an exception requires that researchers and system designers use the right set of techniques and tools. These involve measuring,modeling, and characterizing the energy consumption of computers at varying degrees of granularity.In this thesis, we present techniques to measure power consumption of computer systems at various levels. We compare them for accuracy and sensitivityand discuss their effectiveness. We test Intel’s hardware power model for estimation accuracy and show that it is fairly accurate for estimating energy consumption when sampled at the temporal granularity of more than tens ofmilliseconds.We present a methodology to estimate per-core processor power consumption using performance counter and temperature-based power modeling and validate it across multiple platforms. We show our model exhibits negligible computationoverhead, and the median estimation errors ranges from 0.3% to 10.1% for applications from SPEC2006, SPEC-OMP and NAS benchmarks. We test the usefulness of the model in a meta-scheduler to enforce power constraint on a system.Finally, we perform a detailed performance and energy characterization of Intel’s Restricted Transactional Memory (RTM). We use TinySTM software transactional memory (STM) system to benchmark RTM’s performance against competing STM alternatives. We use microbenchmarks and STAMP benchmarksuite to compare RTM versus STM performance and energy behavior. We quantify the RTM hardware limitations that affect its success rate. We show that RTM performs better than TinySTM when working-set fits inside the cache and that RTM is better at handling high contention workloads

Instrumenting and analyzing platform-independent communication in applications

The performance of microprocessors is limited by communication. This limitation, sometimes alluded to as the memory wall, refers to the hardware-level cost of communicating with memory. Recent studies have found that the promise of speedup from transistor scaling, or employing heterogeneous processors, such as GPUs, is diminished when such hardware communication costs are included. Based on the insight that hardware communication at run-time is a manifestation of communication in software, this dissertation proposes that automatically capturing and classifying software-level communication is the first step in performing fast, early-stage design space exploration of future multicore systems. Software-level communication refers to the exchange of data between software entities such as functions, threads or basic blocks. Communication classification helps differentiate the first-time use from the reuse of communicated data, and distinguishes between communication external to a software entity and local communication within a software entity. We present Sigil, a novel tool that automatically captures and classifies software-level communication in an efficient way. Due to its platform-independent nature, software-level communication can be useful during the early-stage design of future multicore systems. Using the two different representations of output data that Sigil produces, we show that the measurement of software-level communication can be used to analyze i) function-level interaction in single-threaded programs to determine which specialized logic can be included in future heterogeneous multicore systems, and ii) thread-level interaction in multi-threaded programs to aid in chip multi-processor(CMP) design space exploration.Ph.D., Electrical Engineering -- Drexel University, 201

Multi-core architectures with coarse-grained dynamically reconfigurable processors for broadband wireless access technologies

Broadband Wireless Access technologies have significant market potential, especially the WiMAX protocol which can deliver data rates of tens of Mbps. Strong demand for high performance WiMAX solutions is forcing designers to seek help from multi-core processors that offer competitive advantages in terms of all performance metrics, such as speed, power and area. Through the provision of a degree of flexibility similar to that of a DSP and performance and power consumption advantages approaching that of an ASIC, coarse-grained dynamically reconfigurable processors are proving to be strong candidates for processing cores used in future high performance multi-core processor systems. This thesis investigates multi-core architectures with a newly emerging dynamically reconfigurable processor – RICA, targeting WiMAX physical layer applications. A novel master-slave multi-core architecture is proposed, using RICA processing cores. A SystemC based simulator, called MRPSIM, is devised to model this multi-core architecture. This simulator provides fast simulation speed and timing accuracy, offers flexible architectural options to configure the multi-core architecture, and enables the analysis and investigation of multi-core architectures. Meanwhile a profiling-driven mapping methodology is developed to partition the WiMAX application into multiple tasks as well as schedule and map these tasks onto the multi-core architecture, aiming to reduce the overall system execution time. Both the MRPSIM simulator and the mapping methodology are seamlessly integrated with the existing RICA tool flow. Based on the proposed master-slave multi-core architecture, a series of diverse homogeneous and heterogeneous multi-core solutions are designed for different fixed WiMAX physical layer profiles. Implemented in ANSI C and executed on the MRPSIM simulator, these multi-core solutions contain different numbers of cores, combine various memory architectures and task partitioning schemes, and deliver high throughputs at relatively low area costs. Meanwhile a design space exploration methodology is developed to search the design space for multi-core systems to find suitable solutions under certain system constraints. Finally, laying a foundation for future multithreading exploration on the proposed multi-core architecture, this thesis investigates the porting of a real-time operating system – Micro C/OS-II to a single RICA processor. A multitasking version of WiMAX is implemented on a single RICA processor with the operating system support

Performanzanalyse für Multi-Core Multi-Mode Systeme mit gemeinsam genutzten Ressourcen - Verfahren und Anwendung auf AUTOSAR -

In order to implement multi-core systems for single-mode and multi-mode real-time applications, as can be found in modern automobiles, their development process requires appropriate methods and tools for timing and performance verification. In this context, this thesis proposes first novel approaches for the analysis of worst-case blocking-times and response-times for single-mode real-time applications that share resources in partitioned multi-core systems. For this purpose a compositional performance analysis methodology is adopted and extended to take into account the contention of tasks on the processor cores and on the shared resources under different combinations of processor scheduling policies and shared resource arbitration strategies. Highly relevant is the compatibility of the proposed analysis methods with the specifications of the automotive AUTOSAR standard, which defines the combination of (1) preemptive, non-preemptive and cooperative core local scheduling with (2) lock-based arbitration of core local shared resources and spinlock-based arbitration of inter-core shared resources. Further, this thesis proposes novel timing analysis solutions for multi-mode distributed real-time systems. For such systems, the settling time of a mode change, called mode change transition latency, is identified as an important system parameter that has been neglected before. This thesis contributes a novel analysis algorithm which gives a maximum bound on each mode change transition latency of multi-mode distributed applications. Knowing the settling time of each mode change, the impact of multiple mode changes and of the possible overload situations can be handled in the early development phases of real-time systems. Finally, an approach for safely handling shared resources across mode changes is presented and a corresponding timing analysis method is contributed. The new analysis solution combines modeling and analysis elements of the multi-core and multi-mode related analysis solutions and focuses on the specification of the AUTOSAR standard. This enables system designers to handle the timing behavior of more complex systems in which the problems of mode management, multi-core scheduling and shared resource arbitration coexist. The applicability and usefulness of the contributed analysis solutions are highlighted by experimental evaluations, which are enabled by the implementation of the proposed analysis methods in a performance analysis tool framework.Um Multicore-Systeme für die Umsetzung zeitkritischer Single- und Multi-Mode Anwendungen in sicherheitskritischen Umgebungen einsetzen zu können, werden in dem Entwicklungsprozess geeignete Analysemethoden und Tools zur Bestimmung des Zeitverhaltens und der Performanz benötigt. Als erster Beitrag dieser Dissertation werden neue Analyseverfahren eingeführt, um die Worst-Case-Antwortzeiten und -Blockierungszeiten für statische Echtzeitanwendungen in Single-Mode eingebetteten Multicore-Systemen mit gemeinsam genutzten Ressourcen zu bestimmen. Die entwickelten Verfahren nutzen einen existierenden kompositionellen Performanzanalyseansatz und erweitern diesen, um verschiedene Kombinationen von partitionierenden Multiprozessor-Schedulingverfahren und –Synchronisationsmechanismen behandeln zu können. Besonders praxisrelevant ist die Möglichkeit, die Kombination von (1) preemptives, nicht-preemptives sowie kooperatives Prozessor-Scheduling und (2) Spinlock-basierten Synchronisationsmechanismen zu analysieren, die heute in AUTOSAR-konformen Automotive-Softwarearchitekturen standardisiert sind. Als zweiter Beitrag wird in dieser Dissertation ein neuer Ansatz für die Analyse der zeitlichen Auswirkungen von mehreren Szenarienübergängen in vernetzten Multi-Mode eingebetteten Systemen eingeführt. Als erste konstruktive Maßnahme ermöglicht das in dieser Arbeit präsentierte Verfahren die Berechnung der Einschwingzeit jedes Szenarioübergangs und leistet dadurch eine wichtige Hilfestellung beim Systementwurf. Auf diese Weise können die Auswirkungen der Szenarienübergänge, einschließlich der zeitlich begrenzten Überlastsituationen, kontrolliert und in den Systementwurf frühzeitig einbezogen werden. Als letzter Beitrag dieser Dissertation wird ein Ansatz für die Handhabung der Zugriffskonflikte auf gemeinsam genutzten Ressourcen in Multi-Mode eingebetteten Multicore-Systemen präsentiert und eine entsprechende Analysemethode eingeführt. Die neue Analyse kombiniert Modellierungs- und Analyse-Elemente der vorher in dieser Arbeit eingeführten Analyseansätze, und ermöglicht die Untersuchung des ungünstigsten Zeitverhaltens viel komplexer eingebetteten Multicore-Systemen. Dabei werden erneut Spezifikationen der AUTOSAR-Standards berücksichtigt. Nicht zuletzt werden alle Analysemethoden in eine Toolumgebung implementiert und für verschiedene Experimente, die deren praktische Anwendbarkeit hervorheben, angewendet

Effizientes Programmiermodell für OpenMP auf einem Cluster-basierten Many-Core-System

Da die Komplexität „System-on-Chip“ (SoC) auch weiterhin zunimmt, wird man die Herausforderungen aufgrund der Konvergenz der Software- und Hardwareentwicklung nicht ignorieren können. Dies gilt auch für den Umgang mit dem hierarchischen Design, in dem die Prozessorkerne in Clustern oder sogenannten „Tiles“ angeordnet werden, um mittels eines schnellen lokalen Speicherzugriffs eine geringe Latenz und eine hohe Bandbreite der lokalen Kommunikation zu gewährleisten. Aus der Sicht eines Programmierers ist es wünschenswert, sich diese Eigenheiten der Hardware zunutze zu machen und sie bei der Ausgestaltung der abstrakten Parallel-Programmierung gewissenhaft und zielführend zu berücksichtigen. Diese Dissertation überwindet viele Engpässe in Bezug auf die Skalierbarkeit Cluster-basierter Many-Core-Systeme und führt das Programmiermodell OpenMP zur Vereinfachung der Anwendungsentwicklung ein. OpenMP abstrahiert von der Sichtweise des Programmierers – und es werden Richtlinien eingeführt, mit denen Schleifen in Programmsequenzen eingeteilt werden, als Basis für die parallele Programmierung. In dieser Arbeit wird das OpenMP-Modell bespielhaft in einem konkreten Cluster-basierten Many-Core-System umgesetzt; dem Intel Single-Chip Cloud Computer (SCC). Es wird eine schlanke und hoch-optimierte Laufzeitschicht für die Ausführung von OpenMP sowie ein Speichermodell vorgestellt. Auf Basis dieser Laufzeitschicht wird der parallele Code automatisch von einem nativen Backend-Compiler (GCC 4.6) erzeugt, der mit der Laufzeitbibliothek verknüpft ist. Im Rahmen der Arbeit wird auf einen effizienten Designansatz für die OpenMP-Programmierung eingegangen, wobei der Intel SCC als Beispiel für Cluster-basierte Systeme zum Einsatz kommt. In nicht-Cache-kohärenten Systemen dient die SCC OpenMP Laufzeitbibliothek primär dazu, die folgenden Herausforderungen zu bewältigen: 1. Die Ausführung von unmodifizierten, bestehenden OpenMP Programmen auf solchen Systemen. 2. Die Portierung des OpenMP-Speichermodells auf den SCC. 3. Die Synchronisation der parallelen Threads, auf die ein beträchtlicher Anteil der Ausführungszeit einer Anwendung entfällt. Eine Reihe weiterer Beispiele, basierend auf verschiedenen gebräuchlichen Kernen und realen Anwendungen, untermauert die Tauglichkeit von OpenMP – und eine Reihe von Experimenten zeigt, wie dieses Modell zu einer deutlichen Beschleunigung (bis zu 48-fach) in verschiedenen parallelen Anwendungen führt.As the complexity of systems-on-chip (SoCs) continues to increase, it is no longer possible to ignore the challenges caused by the convergence of software and hardware development. This involves attempts to deal with the hierarchical design – in which several cores are grouped in clusters or tiles – to ensure low-latency, high-bandwidth local communication by relying on fast local memories. From a programmer’s perspec- tive, it is desirable to make use of these peculiarities of the hardware, which must be clearly and carefully taken into account when designing the support for high-level parallel programming models. This dissertation overcomes many scalability bottlenecks in cluster-based many-core systems and introduces the OpenMP programming model as a means of simplifying application development. OpenMP represents an abstraction of the programmer’s view by providing abundant directives that decompose loops in sequential programs and lead to parallel programs. In this work, the full OpenMP model is implemented on a specific instance of a cluster-based many-core system: the Intel Single-chip Cloud Computer (SCC). In this thesis, a lightweight and highly optimized runtime layer for OpenMP execution and memory model by generating the parallel code that is automatically compiled by native back-end compiler (GCC 4.6) that linked with the runtime library. In this dissertation, I will address an efficient design approach of the OpenMP pro- gramming model for the Intel SCC as an example for cluster-based systems. The SCC OpenMP runtime library is designed to cope with three main challenges in a non-cache coherent system: 1. Executing unmodified legacy OpenMP programs on such system. 2. Landing OpenMP memory model on the SCC. 3. Synchronization in the work of parallel threads accounts for a sizeable fraction of an application’s execution time. Furthermore, the effectiveness of OpenMP is demonstrated on a set of widely used kernels and real-world applications. An extensive set of experiments shows how this model achieves significant parallel speedups up to 48x in several applications