Programming models for many-core architectures: a co-design approach

Common many-core processors contain tens of cores and distributed memory. Compared to a multicore system, which only has a few tightly coupled cores sharing a single bus and memory, several complex problems arise. Notably, many cores require many parallel tasks to fully utilize the cores, and communication happens in a distributed and decentralized way. Therefore, programming such a processor requires the application to exhibit concurrency. In contrast to a single-core application, a concurrent application has to deal with memory state changes with an observable (non-deterministic) intermediate state. The complexity introduced by these problems makes programming a many-core system with a single-core-based programming approach notoriously hard.\ud \ud The central concept of this thesis is that abstractions, which are related to (many-core) programming, are structured in a single platform model. A platform is a layered view of the hardware, a memory model, a concurrency model, a model of computation, and compile-time and run-time tooling. Then, a programming model is a specific view on this platform, which is used by a programmer. In this view, some details can be hidden from the programmer's perspective, some details cannot. For example, an operating system presents an infinite number of parallel virtual execution units to the application whilst it hides details regarding scheduling. On the other hand, a programmer usually has balance workload among threads by hand.\ud \ud This thesis presents modifications to different abstraction layers of a many-core architecture, in order to make the system as a whole more efficient, and to reduce the programming complexity. These modifications influence other abstractions in the platform, and especially the programming model. Therefore, this thesis applies co-design on all models. Notably, co-design of the memory model, concurrency model, and model of computation is required for a scalable implementation of lambda-calculus. Moreover, only the combination of requirements of the many-core hardware from one side and the concurrency model from the other leads to a memory model abstraction. Hence, this thesis shows that to cope with the current trends in many-core architectures from a programming perspective, it is essential and feasible to inspect and adapt all abstractions collectively

A comprehensive approach to MPSoC security: achieving network-on-chip security : a hierarchical, multi-agent approach

Multiprocessor Systems-on-Chip (MPSoCs) are pervading our lives, acquiring ever increasing relevance in a large number of applications, including even safety-critical ones. MPSoCs, are becoming increasingly complex and heterogeneous; the Networks on Chip (NoC paradigm has been introduced to support scalable on-chip communication, and (in some cases) even with reconfigurability support. The increased complexity as well as the networking approach in turn make security aspects more critical. In this work we propose and implement a hierarchical multi-agent approach providing solutions to secure NoC based MPSoCs at different levels of design. We develop a flexible, scalable and modular structure that integrates protection of different elements in the MPSoC (e.g. memory, processors) from different attack scenarios. Rather than focusing on protection strategies specifically devised for an individual attack or a particular core, this work aims at providing a comprehensive, system-level protection strategy: this constitutes its main methodological contribution. We prove feasibility of the concepts via prototype realization in FPGA technology

Towards Efficient Resource Allocation for Embedded Systems

Das Hauptthema ist die dynamische Ressourcenverwaltung in eingebetteten Systemen, insbesondere die Verwaltung von Rechenzeit und Netzwerkverkehr auf einem MPSoC. Die Idee besteht darin, eine Pipeline für die Verarbeitung von Mobiler Kommunikation auf dem Chip dynamisch zu schedulen, um die Effizienz der Hardwareressourcen zu verbessern, ohne den Ressourcenverbrauch des dynamischen Schedulings dramatisch zu erhöhen. Sowohl Software- als auch Hardwaremodule werden auf Hotspots im Ressourcenverbrauch untersucht und optimiert, um diese zu entfernen. Da Applikationen im Bereich der Signalverarbeitung normalerweise mit Hilfe von SDF-Diagrammen beschrieben werden können, wird deren dynamisches Scheduling optimiert, um den Ressourcenverbrauch gegenüber dem üblicherweise verwendeten statischen Scheduling zu verbessern. Es wird ein hybrider dynamischer Scheduler vorgestellt, der die Vorteile von Processing-Networks und der Planung von Task-Graphen kombiniert. Es ermöglicht dem Scheduler, ein Gleichgewicht zwischen der Parallelisierung der Berechnung und der Zunahme des dynamischen Scheduling-Aufands optimal abzuwägen. Der resultierende dynamisch erstellte Schedule reduziert den Ressourcenverbrauch um etwa 50%, wobei die Laufzeit im Vergleich zu einem statischen Schedule nur um 20% erhöht wird. Zusätzlich wird ein verteilter dynamischer SDF-Scheduler vorgeschlagen, der das Scheduling in verschiedene Teile zerlegt, die dann zu einer Pipeline verbunden werden, um mehrere parallele Prozessoren einzubeziehen. Jeder Scheduling-Teil wird zu einem Cluster mit Load-Balancing erweitert, um die Anzahl der parallel laufenden Scheduling-Jobs weiter zu erhöhen. Auf diese Weise wird dem vorhandene Engpass bei dem dynamischen Scheduling eines zentralisierten Schedulers entgegengewirkt, sodass 7x mehr Prozessoren mit dem Pipelined-Clustered-Dynamic-Scheduler für eine typische Signalverarbeitungsanwendung verwendet werden können. Das neue dynamische Scheduling-System setzt das Vorhandensein von drei verschiedenen Kommunikationsmodi zwischen den Verarbeitungskernen voraus. Bei der Emulation auf Basis des häufig verwendeten RDMA-Protokolls treten Leistungsprobleme auf. Sehr gut kann RDMA für einmalige Punkt-zu-Punkt-Datenübertragungen verwendet werden, wie sie bei der Ausführung von Task-Graphen verwendet werden. Process-Networks verwenden normalerweise Datenströme mit hohem Volumen und hoher Bandbreite. Es wird eine FIFO-basierte Kommunikationslösung vorgestellt, die einen zyklischen Puffer sowohl im Sender als auch im Empfänger implementiert, um diesen Bedarf zu decken. Die Pufferbehandlung und die Datenübertragung zwischen ihnen erfolgen ausschließlich in Hardware, um den Software-Overhead aus der Anwendung zu entfernen. Die Implementierung verbessert die Zugriffsverwaltung mehrerer Nutzer auf flächen-effiziente Single-Port Speichermodule. Es werden 0,8 der theoretisch möglichen Bandbreite, die normalerweise nur mit flächenmäßig teureren Dual-Port-Speichern erreicht wird. Der dritte Kommunikationsmodus definiert eine einfache Message-Passing-Implementierung, die ohne einen Verbindungszustand auskommt. Dieser Modus wird für eine effiziente prozessübergreifende Kommunikation des verteilten Scheduling-Systems und der engen Ansteuerung der restlichen Prozessoren benötigt. Eine Flusskontrolle in Hardware stellt sicher, dass eine große Anzahl von Sendern Nachrichten an denselben Empfänger senden kann. Dabei wird garantiert, dass alle Nachrichten korrekt empfangen werden, ohne dass eine Verbindung hergestellt werden muss und die Nachrichtenlaufzeit gering bleibt. Die Arbeit konzentriert sich auf die Optimierung des Codesigns von Hardware und Software, um die kompromisslose Ressourceneffizienz der dynamischen SDF-Graphen-Planung zu erhöhen. Besonderes Augenmerk wird auf die Abhängigkeiten zwischen den Ebenen eines verteilten Scheduling-Systems gelegt, das auf der Verfügbarkeit spezifischer hardwarebeschleunigter Kommunikationsmethoden beruht.:1 Introduction 1.1 Motivation 1.2 The Multiprocessor System on Chip Architecture 1.3 Concrete MPSoC Architecture 1.4 Representing LTE/5G baseband processing as Static Data Flow 1.5 Compuation Stack 1.6 Performance Hotspots Addressed 1.7 State of the Art 1.8 Overview of the Work 2 Hybrid SDF Execution 2.1 Addressed Performance Hotspot 2.2 State of the Art 2.3 Static Data Flow Graphs 2.4 Runtime Environment 2.5 Overhead of Deloying Tasks to a MPSoC 2.6 Interpretation of SDF Graphs as Task Graphs 2.7 Interpreting SDF Graphs as Process Networks 2.8 Hybrid Interpretation 2.9 Graph Topology Considerations 2.10 Theoretic Impact of Hybrid Interpretation 2.11 Simulating Hybrid Execution 2.12 Pipeline SDF Graph Example 2.13 Random SDF Graphs 2.14 LTE-like SDF Graph 2.15 Key Lernings 3 Distribution of Management 3.1 Addressed Performance Hotspot 3.2 State of the Art 3.3 Revising Deployment Overhead 3.4 Distribution of Overhead 3.5 Impact of Management Distribution to Resource Utilization 3.6 Reconfigurability 3.7 Key Lernings 4 Sliced FIFO Hardware 4.1 Addressed Performance Hotspot 4.2 State of the Art 4.3 System Environment 4.4 Sliced Windowed FIFO buffer 4.5 Single FIFO Evaluation 4.6 Multiple FIFO Evalutaion 4.7 Hardware Implementation 4.8 Key Lernings 5 Message Passing Hardware 5.1 Addressed Performance Hotspot 5.2 State of the Art 5.3 Message Passing Regarded as Queueing 5.4 A Remote Direct Memory Access Based Implementation 5.5 Hardware Implementation Concept 5.6 Evalutation of Performance 5.7 Key Lernings 6 SummaryThe main topic is the dynamic resource allocation in embedded systems, especially the allocation of computing time and network traffic on an multi processor system on chip (MPSoC). The idea is to dynamically schedule a mobile communication signal processing pipeline on the chip to improve hardware resource efficiency while not dramatically improve resource consumption because of dynamic scheduling overhead. Both software and hardware modules are examined for resource consumption hotspots and optimized to remove them. Since signal processing can usually be described with the help of static data flow (SDF) graphs, the dynamic handling of those is optimized to improve resource consumption over the commonly used static scheduling approach. A hybrid dynamic scheduler is presented that combines benefits from both processing networks and task graph scheduling. It allows the scheduler to optimally balance parallelization of computation and addition of dynamic scheduling overhead. The resulting dynamically created schedule reduces resource consumption by about 50%, with a runtime increase of only 20% compared to a static schedule. Additionally, a distributed dynamic SDF scheduler is proposed that splits the scheduling into different parts, which are then connected to a scheduling pipeli ne to incorporate multiple parallel working processors. Each scheduling stage is reworked into a load-balanced cluster to increase the number of parallel scheduling jobs further. This way, the still existing dynamic scheduling bottleneck of a centralized scheduler is widened, allowing handling 7x more processors with the pipelined, clustered dynamic scheduler for a typical signal processing application. The presented dynamic scheduling system assumes the presence of three different communication modes between the processing cores. When emulated on top of the commonly used remote direct memory access (RDMA) protocol, performance issues are encountered. Firstly, RDMA can neatly be used for single-shot point-to-point data transfers, like used in task graph scheduling. Process networks usually make use of high-volume and high-bandwidth data streams. A first in first out (FIFO) communication solution is presented that implements a cyclic buffer on both sender and receiver to serve this need. The buffer handling and data transfer between them are done purely in hardware to remove software overhead from the application. The implementation improves the multi-user access to area-efficient single port on-chip memory modules. It achieves 0.8 of the theoretically possible bandwidth, usually only achieved with area expensive dual-port memories. The third communication mode defines a lightweight message passing (MP) implementation that is truly connectionless. It is needed for efficient inter-process communication of the distributed and clustered scheduling system and the worker processing units’ tight coupling. A hardware flow control assures that an arbitrary number of senders can spontaneously start sending messages to the same receiver. Yet, all messages are guaranteed to be correctly received while eliminating the need for connection establishment and keeping a low message delay. The work focuses on the hardware-software codesign optimization to increase the uncompromised resource efficiency of dynamic SDF graph scheduling. Special attention is paid to the inter-level dependencies in developing a distributed scheduling system, which relies on the availability of specific hardwareaccelerated communication methods.:1 Introduction 1.1 Motivation 1.2 The Multiprocessor System on Chip Architecture 1.3 Concrete MPSoC Architecture 1.4 Representing LTE/5G baseband processing as Static Data Flow 1.5 Compuation Stack 1.6 Performance Hotspots Addressed 1.7 State of the Art 1.8 Overview of the Work 2 Hybrid SDF Execution 2.1 Addressed Performance Hotspot 2.2 State of the Art 2.3 Static Data Flow Graphs 2.4 Runtime Environment 2.5 Overhead of Deloying Tasks to a MPSoC 2.6 Interpretation of SDF Graphs as Task Graphs 2.7 Interpreting SDF Graphs as Process Networks 2.8 Hybrid Interpretation 2.9 Graph Topology Considerations 2.10 Theoretic Impact of Hybrid Interpretation 2.11 Simulating Hybrid Execution 2.12 Pipeline SDF Graph Example 2.13 Random SDF Graphs 2.14 LTE-like SDF Graph 2.15 Key Lernings 3 Distribution of Management 3.1 Addressed Performance Hotspot 3.2 State of the Art 3.3 Revising Deployment Overhead 3.4 Distribution of Overhead 3.5 Impact of Management Distribution to Resource Utilization 3.6 Reconfigurability 3.7 Key Lernings 4 Sliced FIFO Hardware 4.1 Addressed Performance Hotspot 4.2 State of the Art 4.3 System Environment 4.4 Sliced Windowed FIFO buffer 4.5 Single FIFO Evaluation 4.6 Multiple FIFO Evalutaion 4.7 Hardware Implementation 4.8 Key Lernings 5 Message Passing Hardware 5.1 Addressed Performance Hotspot 5.2 State of the Art 5.3 Message Passing Regarded as Queueing 5.4 A Remote Direct Memory Access Based Implementation 5.5 Hardware Implementation Concept 5.6 Evalutation of Performance 5.7 Key Lernings 6 Summar

A Scalable and Adaptive Network on Chip for Many-Core Architectures

In this work, a scalable network on chip (NoC) for future many-core architectures is proposed and investigated. It supports different QoS mechanisms to ensure predictable communication. Self-optimization is introduced to adapt the energy footprint and the performance of the network to the communication requirements. A fault tolerance concept allows to deal with permanent errors. Moreover, a template-based automated evaluation and design methodology and a synthesis flow for NoCs is introduced

Automated Hardware Prototyping for 3D Network on Chips

Vor mehr als 50 Jahren stellte Intel® Mitbegründer Gordon Moore eine Prognose zum Entwicklungsprozess der Transistortechnologie auf. Er prognostizierte, dass sich die Zahl der Transistoren in integrierten Schaltungen alle zwei Jahre verdoppeln wird. Seine Aussage ist immer noch gültig, aber ein Ende von Moores Gesetz ist in Sicht. Mit dem Ende von Moore’s Gesetz müssen neue Aspekte untersucht werden, um weiterhin die Leistung von integrierten Schaltungen zu steigern. Zwei mögliche Ansätze für "More than Moore” sind 3D-Integrationsverfahren und heterogene Systeme. Gleichzeitig entwickelt sich ein Trend hin zu Multi-Core Prozessoren, basierend auf Networks on chips (NoCs). Neben dem Ende des Mooreschen Gesetzes ergeben sich bei immer kleiner werdenden Technologiegrößen, vor allem jenseits der 60 nm, neue Herausforderungen. Eine Schwierigkeit ist die Wärmeableitung in großskalierten integrierten Schaltkreisen und die daraus resultierende Überhitzung des Chips. Um diesem Problem in modernen Multi-Core Architekturen zu begegnen, muss auch die Verlustleistung der Netzwerkressourcen stark reduziert werden. Diese Arbeit umfasst eine durch Hardware gesteuerte Kombination aus Frequenzskalierung und Power Gating für 3D On-Chip Netzwerke, einschließlich eines FPGA Prototypen. Dafür wurde ein Takt-synchrones 2D Netzwerk auf ein dreidimensionales asynchrones Netzwerk mit mehreren Frequenzbereichen erweitert. Zusätzlich wurde ein skalierbares Online-Power-Management System mit geringem Ressourcenaufwand entwickelt. Die Verifikation neuer Hardwarekomponenten ist einer der zeitaufwendigsten Schritte im Entwicklungsprozess hochintegrierter digitaler Schaltkreise. Um diese Aufgabe zu beschleunigen und um eine parallele Softwareentwicklung zu ermöglichen, wurde im Rahmen dieser Arbeit ein automatisiertes und benutzerfreundliches Tool für den Entwurf neuer Hardware Projekte entwickelt. Eine grafische Benutzeroberfläche zum Erstellen des gesamten Designablaufs, vom Erstellen der Architektur, Parameter Deklaration, Simulation, Synthese und Test ist Teil dieses Werkzeugs. Zudem stellt die Größe der Architektur für die Erstellung eines Prototypen eine besondere Herausforderung dar. Frühere Arbeiten haben es versäumt, eine schnelles und unkompliziertes Prototyping, insbesondere von Architekturen mit mehr als 50 Prozessorkernen, zu realisieren. Diese Arbeit umfasst eine Design Space Exploration und FPGA-basierte Prototypen von verschiedenen 3D-NoC Implementierungen mit mehr als 80 Prozessoren

Portable Memory Consistency for Software Managed Distributed Memory in Many-Core SoC

Porting software to different platforms can require modifications of the application. One of the issues is that the targeted hardware supports another memory consistency model. As a consequence, the completion order of reads and writes in a multi-threaded application can change, which may result in improper synchronization. For example, a processor with out-of-order execution could break synchronization if proper fence instructions are missing. Such a bug can cause sporadic errors, which are hard to debug. This paper presents an approach that makes applications independent of the memory model of the hardware, hence they can be compiled to hardware with any memory architecture. The key is having a memory model that only guarantees the most fundamental orderings of reads and writes, and annotations to specify additional ordering constraints. As a result, tooling can transparently and properly implement fences, cache flushes, etc. when appropriate, without losing flexibility of the hardware design. In a case study, several SPLASH-2 applications are run on a 32-core software cache coherent MicroBlaze system in FPGA. Moreover, this approach also allows mapping to scratch-pad memories and a distributed shared memory architecture

Satellite Networks: Architectures, Applications, and Technologies

Since global satellite networks are moving to the forefront in enhancing the national and global information infrastructures due to communication satellites' unique networking characteristics, a workshop was organized to assess the progress made to date and chart the future. This workshop provided the forum to assess the current state-of-the-art, identify key issues, and highlight the emerging trends in the next-generation architectures, data protocol development, communication interoperability, and applications. Presentations on overview, state-of-the-art in research, development, deployment and applications and future trends on satellite networks are assembled