Energy Aware Runtime Systems for Elastic Stream Processing Platforms

Following an invariant growth in the required computational performance of processors, the multicore revolution started around 20 years ago. This revolution was mainly an answer to power dissipation constraints restricting the increase of clock frequency in single-core processors. The multicore revolution not only brought in the challenge of parallel programming, i.e. being able to develop software exploiting the entire capabilities of manycore architectures, but also the challenge of programming heterogeneous platforms. The question of “on which processing element to map a specific computational unit?”, is well known in the embedded community. With the introduction of general-purpose graphics processing units (GPGPUs), digital signal processors (DSPs) along with many-core processors on different system-on-chip platforms, heterogeneous parallel platforms are nowadays widespread over several domains, from consumer devices to media processing platforms for telecom operators. Finding mapping together with a suitable hardware architecture is a process called design-space exploration. This process is very challenging in heterogeneous many-core architectures, which promise to offer benefits in terms of energy efficiency. The main problem is the exponential explosion of space exploration. With the recent trend of increasing levels of heterogeneity in the chip, selecting the parameters to take into account when mapping software to hardware is still an open research topic in the embedded area. For example, the current Linux scheduler has poor performance when mapping tasks to computing elements available in hardware. The only metric considered is CPU workload, which as was shown in recent work does not match true performance demands from the applications. Doing so may produce an incorrect allocation of resources, resulting in a waste of energy. The origin of this research work comes from the observation that these approaches do not provide full support for the dynamic behavior of stream processing applications, especially if these behaviors are established only at runtime. This research will contribute to the general goal of developing energy-efficient solutions to design streaming applications on heterogeneous and parallel hardware platforms. Streaming applications are nowadays widely spread in the software domain. Their distinctive characiteristic is the retrieving of multiple streams of data and the need to process them in real time. The proposed work will develop new approaches to address the challenging problem of efficient runtime coordination of dynamic applications, focusing on energy and performance management.Efter en oföränderlig tillväxt i prestandakrav hos processorer, började den flerkärniga processor-revolutionen för ungefär 20 år sedan. Denna revolution skedde till största del som en lösning till begränsningar i energieffekten allt eftersom klockfrekvensen kontinuerligt höjdes i en-kärniga processorer. Den flerkärniga processor-revolutionen medförde inte enbart utmaningen gällande parallellprogrammering, m.a.o. förmågan att utveckla mjukvara som använder sig av alla delelement i de flerkärniga processorerna, men också utmaningen med programmering av heterogena plattformar. Frågeställningen ”på vilken processorelement skall en viss beräkning utföras?” är väl känt inom ramen för inbyggda datorsystem. Efter introduktionen av grafikprocessorer för allmänna beräkningar (GPGPU), signalprocesserings-processorer (DSP) samt flerkärniga processorer på olika system-on-chip plattformar, är heterogena parallella plattformar idag omfattande inom många domäner, från konsumtionsartiklar till mediaprocesseringsplattformar för telekommunikationsoperatörer. Processen att placera beräkningarna på en passande hårdvaruplattform kallas för utforskning av en designrymd (design-space exploration). Denna process är mycket utmanande för heterogena flerkärniga arkitekturer, och kan medföra fördelar när det gäller energieffektivitet. Det största problemet är att de olika valmöjligheterna i designrymden kan växa exponentiellt. Enligt den nuvarande trenden som förespår ökad heterogeniska aspekter i processorerna är utmaningen att hitta den mest passande placeringen av beräkningarna på hårdvaran ännu en forskningsfråga inom ramen för inbyggda datorsystem. Till exempel, den nuvarande schemaläggaren i Linux operativsystemet är inkapabel att hitta en effektiv placering av beräkningarna på den underliggande hårdvaran. Det enda mätsättet som används är processorns belastning vilket, som visats i tidigare forskning, inte motsvarar den verkliga prestandan i applikationen. Användning av detta mätsätt vid resursallokering resulterar i slöseri med energi. Denna forskning härstammar från observationerna att dessa tillvägagångssätt inte stöder det dynamiska beteendet hos ström-processeringsapplikationer (stream processing applications), speciellt om beteendena bara etableras vid körtid. Denna forskning kontribuerar till det allmänna målet att utveckla energieffektiva lösningar för ström-applikationer (streaming applications) på heterogena flerkärniga hårdvaruplattformar. Ström-applikationer är numera mycket vanliga i mjukvarudomän. Deras distinkta karaktär är inläsning av flertalet dataströmmar, och behov av att processera dem i realtid. Arbetet i denna forskning understöder utvecklingen av nya sätt för att lösa det utmanade problemet att effektivt koordinera dynamiska applikationer i realtid och fokus på energi- och prestandahantering

Planificación consciente de la contención y gestión de recursos en arquitecturas multicore emergentes

Tesis inédita de la Universidad Complutense de Madrid, Facultad de Informática, Departamento de Arquitectura de Computadores y Automática, leída el 14-12-2021Chip multicore processors (CMPs) currently constitute the architecture of choice for mosto general-pùrpose computing systems, and they will likely continue to be dominant in the near future. Advances in technology have enabled to pack an increasing number of cores and bigger caches on the same chip. Nevertheless, contention on shared resources on CMPs -present since the advent of these architectures- still poses a big challenge. Cores in a CMP typically share a last-level cache (LLC) and other memory-related resources with the remaining cores, such as a DRAM controller and an interconnection network. This causes that co-running applications may intensively compete with each other for these shared resources, leading to substantial and uneven performance degradation...Los procesadores multinúcleo o CMPs (Chip Multicore Processors) son actualmente la arquitectura más usada por la mayoría de sistemas de computación de propósito general, y muy probablemente se mantendrían en esa posición dominante en el futuro cercano. Los avances tecnológicos han permitido integrar progresivamente en el mismo chip más cores y aumentar los tamaños de los distintos niveles de cache. No obstante, la contención de recursos compartidos en CMPs {presente desde la aparición de estas arquitecturas{ todavía representa un reto importante que afrontar. Los cores en un CMP comparten en la mayor parte de los diseños una cache de último nivel o LLC (Last-Level Cache) y otros recursos, como el controlador de DRAM o una red de interconexión. La existencia de dichos recursos compartidos provoca en ocasiones que cuando se ejecutan dos o más aplicaciones simultáneamente en el sistema, se produzca una degradación sustancial y potencialmente desigual del rendimiento entre aplicaciones...Fac. de InformáticaTRUEunpu

Efficient Power Management for Heterogeneous Multi-Core Architectures

Ph.DDOCTOR OF PHILOSOPH

Génération dynamique de code pour l'optimisation énergétique

In computing systems, energy consumption is limiting the performance growth experienced in the last decades. Consequently, computer architecture and software development paradigms will have to change if we want to avoid a performance stagnation in the next decades.In this new scenario, new architectural and micro-architectural designs can offer the possibility to increase the energy efficiency of hardware, thanks to hardware specialization, such as heterogeneous configurations of cores, new computing units and accelerators. On the other hand, with this new trend, software development should cope with the lack of performance portability to ever changing hardware and with the increasing gap between the performance that programmers can extract and the maximum achievable performance of the hardware. To address this issue, this thesis contributes by proposing a methodology and proof of concept of a run-time auto-tuning framework for embedded systems. The proposed framework can both adapt code to a micro-architecture unknown prior compilation and explore auto-tuning possibilities that are input-dependent.In order to study the capability of the proposed approach to adapt code to different micro-architectural configurations, I developed a simulation framework of heterogeneous in-order and out-of-order ARM cores. Validation experiments demonstrated average absolute timing errors around 7 % when compared to real ARM Cortex-A8 and A9, and relative energy/performance estimations within 6 % for the Dhrystone 2.1 benchmark when compared to Cortex-A7 and A15 (big.LITTLE) CPUs.An important component of the run-time auto-tuning framework is a run-time code generation tool, called deGoal. It defines a low-level dynamic DSL for computing kernels. During this thesis, I ported deGoal to the ARM Thumb-2 ISA and added new features for run-time auto-tuning. A preliminary validation in ARM processors showed that deGoal can in average generate equivalent or higher quality machine code compared to programs written in C, including manually vectorized codes.The methodology and proof of concept of run-time auto-tuning in embedded processors were developed around two kernel-based applications, extracted from the PARSEC 3.0 suite and its hand vectorized version PARVEC. In the favorable application, average speedups of 1.26 and 1.38 were obtained in real and simulated cores, respectively, going up to 1.79 and 2.53 (all run-time overheads included). I also demonstrated through simulations that run-time auto-tuning of SIMD instructions to in-order cores can outperform the reference vectorized code run in similar out-of-order cores, with an average speedup of 1.03 and energy efficiency improvement of 39 %. The unfavorable application was chosen to show that the proposed approach has negligible overheads when better kernel versions can not be found. When both applications run in real hardware, the run-time auto-tuning performance is in average only 6 % way from the performance obtained by the best statically found kernel implementations.Dans les systèmes informatiques, la consommation énergétique est devenue le facteur le plus limitant de la croissance de performance observée pendant les décennies précédentes. Conséquemment, les paradigmes d'architectures d'ordinateur et de développement logiciel doivent changer si nous voulons éviter une stagnation de la performance durant les décennies à venir.Dans ce nouveau scénario, des nouveaux designs architecturaux et micro-architecturaux peuvent offrir des possibilités d'améliorer l'efficacité énergétique des ordinateurs, grâce à la spécialisation matérielle, comme par exemple les configurations de cœurs hétérogènes, des nouvelles unités de calcul et des accélérateurs. D'autre part, avec cette nouvelle tendance, le développement logiciel devra faire face au manque de portabilité de la performance entre les matériels toujours en évolution et à l'écart croissant entre la performance exploitée par les programmeurs et la performance maximale exploitable du matériel. Pour traiter ce problème, la contribution de cette thèse est une méthodologie et la preuve de concept d'un cadriciel d'auto-tuning à la volée pour les systèmes embarqués. Le cadriciel proposé peut à la fois adapter du code à une micro-architecture inconnue avant la compilation et explorer des possibilités d'auto-tuning qui dépendent des données d'entrée d'un programme.Dans le but d'étudier la capacité de l'approche proposée à adapter du code à des différentes configurations micro-architecturales, j'ai développé un cadriciel de simulation de processeurs hétérogènes ARM avec exécution dans l'ordre ou dans le désordre, basé sur les simulateurs gem5 et McPAT. Les expérimentations de validation ont démontré en moyenne des erreurs absolues temporels autour de 7 % comparé aux ARM Cortex-A8 et A9, et une estimation relative d'énergie et de performance à 6 % près pour le benchmark Dhrystone 2.1 comparée à des CPUs Cortex-A7 et A15 (big.LITTLE). Les résultats de validation temporelle montrent que gem5 est beaucoup plus précis que les simulateurs similaires existants, dont les erreurs moyennes sont supérieures à 15 %.Un composant important du cadriciel d'auto-tuning à la volée proposé est un outil de génération dynamique de code, appelé deGoal. Il définit un langage dédié dynamique et bas-niveau pour les noyaux de calcul. Pendant cette thèse, j'ai porté deGoal au jeu d'instructions ARM Thumb-2 et créé des nouvelles fonctionnalités pour l'auto-tuning à la volée. Une validation préliminaire dans des processeurs ARM ont montré que deGoal peut en moyenne générer du code machine avec une qualité équivalente ou supérieure comparé aux programmes de référence écrits en C, et même par rapport à du code vectorisé à la main.La méthodologie et la preuve de concept de l'auto-tuning à la volée dans des processeurs embarqués ont été développées autour de deux applications basées sur noyau de calcul, extraits de la suite de benchmark PARSEC 3.0 et de sa version vectorisée à la main PARVEC.Dans l'application favorable, des accélérations de 1.26 et de 1.38 ont été observées sur des cœurs réels et simulés, respectivement, jusqu'à 1.79 et 2.53 (toutes les surcharges dynamiques incluses).J'ai aussi montré par la simulation que l'auto-tuning à la volée d'instructions SIMD aux cœurs d'exécution dans l'ordre peut surpasser le code de référence vectorisé exécuté par des cœurs d'exécution dans le désordre similaires, avec une accélération moyenne de 1.03 et une amélioration de l'efficacité énergétique de 39 %.L'application défavorable a été choisie pour montrer que l'approche proposée a une surcharge négligeable lorsque des versions de noyau plus performantes ne peuvent pas être trouvées.En faisant tourner les deux applications sur les processeurs réels, la performance de l'auto-tuning à la volée est en moyenne seulement 6 % en dessous de la performance obtenue par la meilleure implémentation de noyau trouvée statiquement

Optimisation énergétique de processus de traitement du signal et ses applications au décodage vidéo

Consumer electronics offer today more and more features (video, audio, GPS, Internet) and connectivity means (multi-radio systems with WiFi, Bluetooth, UMTS, HSPA, LTE-advanced ... ). The power demand of these devices is growing for the digital part especially for the processing chip. To support this ever increasing computing demand, processor architectures have evolved with multicore processors, graphics processors (GPU) and ether dedicated hardware accelerators. However, the evolution of battery technology is itself slower. Therefore, the autonomy of embedded systems is now under a great pressure. Among the new functionalities supported by mobile devices, video services take a prominent place. lndeed, recent analyzes show that they will represent 70% of mobile Internet traffic by 2016. Accompanying this growth, new technologies are emerging for new services and applications. Among them HEVC (High Efficiency Video Coding) can double the data compression while maintaining a subjective quality equivalent to its predecessor, the H.264 standard. ln a digital circuit, the total power consumption is made of static power and dynamic power. Most of modern hardware architectures implement means to control the power consumption of the system. Dynamic Voltage and Frequency Scaling (DVFS) mainly reduces the dynamic power of the circuit. This technique aims to adapt the power of the processor (and therefore its consumption) to the actual load needed by the application. To control the static power, Dynamic Power Management (DPM or sleep modes) aims to stop the voltage supplies associated with specific areas of the chip. ln this thesis, we first present a model of the energy consumed by the circuit integrating DPM and DVFS modes. This model is generalized to multi-core integrated circuits and to a rapid prototyping tool. Thus, the optimal operating point of a circuit, i.e. the operating frequency and the number of active cores, is identified. Secondly, the HEVC application is integrated to a multicore architecture coupled with a sophisticated DVFS mechanism. We show that this application can be implemented efficiently on general purpose processors (GPP) while minimizing the power consumption. Finally, and to get further energy gain, we propose a modified HEVC decoder that is capable to tune its energy gains together with a decoding quality trade-off.Aujourd'hui, les appareils électroniques offrent de plus en plus de fonctionnalités (vidéo, audio, GPS, internet) et des connectivités variées (multi-systèmes de radio avec WiFi, Bluetooth, UMTS, HSPA, LTE-advanced ... ). La demande en puissance de ces appareils est donc grandissante pour la partie numérique et notamment le processeur de calcul. Pour répondre à ce besoin sans cesse croissant de nouvelles fonctionnalités et donc de puissance de calcul, les architectures des processeurs ont beaucoup évolué : processeurs multi-coeurs, processeurs graphiques (GPU) et autres accélérateurs matériels dédiés. Cependant, alors que de nouvelles architectures matérielles peinent à répondre aux exigences de performance, l'évolution de la technologie des batteries est quant à elle encore plus lente. En conséquence, l'autonomie des systèmes embarqués est aujourd'hui sous pression. Parmi les nouveaux services supportés par les terminaux mobiles, la vidéo prend une place prépondérante. En effet, des analyses récentes de tendance montrent qu'elle représentera 70 % du trafic internet mobile dès 2016. Accompagnant cette croissance, de nouvelles technologies émergent permettant de nouveaux services et applications. Parmi elles, HEVC (High Efficiency Video Coding) permet de doubler la compression de données tout en garantissant une qualité subjective équivalente à son prédécesseur, la norme H.264. Dans un circuit numérique, la consommation provient de deux éléments: la puissance statique et la puissance dynamique. La plupart des architectures matérielles récentes mettent en oeuvre des procédés permettant de contrôler la puissance du système. Le changement dynamique du couple tension/fréquence appelé Dynamic Voltage and Frequency Scaling (DVFS) agit principalement sur la puissance dynamique du circuit. Cette technique permet d'adapter la puissance du processeur (et donc sa consommation) à la charge réelle nécessaire pour une application. Pour contrôler la puissance statique, le Dynamic Power Management (DPM, ou modes de veille) consistant à arrêter les alimentations associées à des zones spécifiques de la puce. Dans cette thèse, nous présentons d'abord une modélisation de l'énergie consommée par le circuit intégrant les modes DVFS et DPM. Cette modélisation est généralisée au circuit multi-coeurs et intégrée à un outil de prototypage rapide. Ainsi le point de fonctionnement optimal d'un circuit, la fréquence de fonctionnement et le nombre de coeurs actifs, est identifié. Dans un second temps, l'application HEVC est intégrée à une architecture multi-coeurs avec une adaptation dynamique de la fréquence de développement. Nous montrons que cette application peut être implémentée efficacement sur des processeurs généralistes (GPP) tout en minimisant la puissance consommée. Enfin, et pour aller plus loin dans les gains en énergie, nous proposons une modification du décodeur HEVC qui permet à un décodeur de baisser encore plus sa consommation en fonction du budget énergétique disponible localement