A Study on Performance and Power Efficiency of Dense Non-Volatile Caches in Multi-Core Systems

In this paper, we present a novel cache design based on Multi-Level Cell Spin-Transfer Torque RAM (MLC STTRAM) that can dynamically adapt the set capacity and associativity to use efficiently the full potential of MLC STTRAM. We exploit the asymmetric nature of the MLC storage scheme to build cache lines featuring heterogeneous performances, that is, half of the cache lines are read-friendly, while the other is write-friendly. Furthermore, we propose to opportunistically deactivate ways in underutilized sets to convert MLC to Single-Level Cell (SLC) mode, which features overall better performance and lifetime. Our ultimate goal is to build a cache architecture that combines the capacity advantages of MLC and performance/energy advantages of SLC. Our experiments show an improvement of 43% in total numbers of conflict misses, 27% in memory access latency, 12% in system performance, and 26% in LLC access energy, with a slight degradation in cache lifetime (about 7%) compared to an SLC cache

Runtime-assisted optimizations in the on-chip memory hierarchy

Following Moore's Law, the number of transistors on chip has been increasing exponentially, which has led to the increasing complexity of modern processors. As a result, the efficient programming of such systems has become more difficult. Many programming models have been developed to answer this issue. Of particular interest are task-based programming models that employ simple annotations to define parallel work in an application. The information available at the level of the runtime systems associated with these programming models offers great potential for improving hardware design. Moreover, due to technological limitations, Moore's Law is predicted to eventually come to an end, so novel paradigms are necessary to maintain the current performance improvement trends. The main goal of this thesis is to exploit the knowledge about a parallel application available at the runtime system level to improve the design of the on-chip memory hierarchy. The coupling of the runtime system and the microprocessor enables a better hardware design without hurting the programmability. The first contribution is a set of insertion policies for shared last-level caches that exploit information about tasks and task data dependencies. The intuition behind this proposal revolves around the observation that parallel threads exhibit different memory access patterns. Even within the same thread, accesses to different variables often follow distinct patterns. The proposed policies insert cache lines into different logical positions depending on the dependency type and task type to which the corresponding memory request belongs. The second proposal optimizes the execution of reductions, defined as a programming pattern that combines input data to form the resulting reduction variable. This is achieved with a runtime-assisted technique for performing reductions in the processor's cache hierarchy. The proposal's goal is to be a universally applicable solution regardless of the reduction variable type, size and access pattern. On the software level, the programming model is extended to let a programmer specify the reduction variables for tasks, as well as the desired cache level where a certain reduction will be performed. The source-to-source compiler and the runtime system are extended to translate and forward this information to the underlying hardware. On the hardware level, private and shared caches are equipped with functional units and the accompanying logic to perform reductions at the cache level. This design avoids unnecessary data movements to the core and back as the data is operated at the place where it resides. The third contribution is a runtime-assisted prioritization scheme for memory requests inside the on-chip memory hierarchy. The proposal is based on the notion of a critical path in the context of parallel codes and a known fact that accelerating critical tasks reduces the execution time of the whole application. In the context of this work, task criticality is observed at a level of a task type as it enables simple annotation by the programmer. The acceleration of critical tasks is achieved by the prioritization of corresponding memory requests in the microprocessor.Siguiendo la ley de Moore, el número de transistores en los chips ha crecido exponencialmente, lo que ha comportado una mayor complejidad en los procesadores modernos y, como resultado, de la dificultad de la programación eficiente de estos sistemas. Se han desarrollado muchos modelos de programación para resolver este problema; un ejemplo particular son los modelos de programación basados en tareas, que emplean anotaciones sencillas para definir los Trabajos paralelos de una aplicación. La información de que disponen los sistemas en tiempo de ejecución (runtime systems) asociada con estos modelos de programación ofrece un enorme potencial para la mejora del diseño del hardware. Por otro lado, las limitaciones tecnológicas hacen que la ley de Moore pueda dejar de cumplirse próximamente, por lo que se necesitan paradigmas nuevos para mantener las tendencias actuales de mejora de rendimiento. El objetivo principal de esta tesis es aprovechar el conocimiento de las aplicaciones paral·leles de que dispone el runtime system para mejorar el diseño de la jerarquía de memoria del chip. El acoplamiento del runtime system junto con el microprocesador permite realizar mejores diseños hardware sin afectar Negativamente en la programabilidad de dichos sistemas. La primera contribución de esta tesis consiste en un conjunto de políticas de inserción para las memorias caché compartidas de último nivel que aprovecha la información de las tareas y las dependencias de datos entre estas. La intuición tras esta propuesta se basa en la observación de que los hilos de ejecución paralelos muestran distintos patrones de acceso a memoria e, incluso dentro del mismo hilo, los accesos a diferentes variables a menudo siguen patrones distintos. Las políticas que se proponen insertan líneas de caché en posiciones lógicas diferentes en función de los tipos de dependencia y tarea a los que corresponde la petición de memoria. La segunda propuesta optimiza la ejecución de las reducciones, que se definen como un patrón de programación que combina datos de entrada para conseguir la variable de reducción como resultado. Esto se consigue mediante una técnica asistida por el runtime system para la realización de reducciones en la jerarquía de la caché del procesador, con el objetivo de ser una solución aplicable de forma universal sin depender del tipo de la variable de la reducción, su tamaño o el patrón de acceso. A nivel de software, el modelo de programación se extiende para que el programador especifique las variables de reducción de las tareas, así como el nivel de caché escogido para que se realice una determinada reducción. El compilador fuente a Fuente (compilador source-to-source) y el runtime ssytem se modifican para que traduzcan y pasen esta información al hardware subyacente, evitando así movimientos de datos innecesarios hacia y desde el núcleo del procesador, al realizarse la operación donde se encuentran los datos de la misma. La tercera contribución proporciona un esquema de priorización asistido por el runtime system para peticiones de memoria dentro de la jerarquía de memoria del chip. La propuesta se basa en la noción de camino crítico en el contexto de los códigos paralelos y en el hecho conocido de que acelerar tareas críticas reduce el tiempo de ejecución de la aplicación completa. En el contexto de este trabajo, la criticidad de las tareas se considera a nivel del tipo de tarea ya que permite que el programador las indique mediante anotaciones sencillas. La aceleración de las tareas críticas se consigue priorizando las correspondientes peticiones de memoria en el microprocesador.Seguint la llei de Moore, el nombre de transistors que contenen els xips ha patit un creixement exponencial, fet que ha provocat un augment de la complexitat dels processadors moderns i, per tant, de la dificultat de la programació eficient d’aquests sistemes. Per intentar solucionar-ho, s’han desenvolupat diversos models de programació; un exemple particular en són els models basats en tasques, que fan servir anotacions senzilles per definir treballs paral·lels dins d’una aplicació. La informació que hi ha al nivell dels sistemes en temps d’execució (runtime systems) associada amb aquests models de programació ofereix un gran potencial a l’hora de millorar el disseny del maquinari. D’altra banda, les limitacions tecnològiques fan que la llei de Moore pugui deixar de complir-se properament, per la qual cosa calen nous paradigmes per mantenir les tendències actuals en la millora de rendiment. L’objectiu principal d’aquesta tesi és aprofitar els coneixements que el runtime System té d’una aplicació paral·lela per millorar el disseny de la jerarquia de memòria dins el xip. L’acoblament del runtime system i el microprocessador permet millorar el disseny del maquinari sense malmetre la programabilitat d’aquests sistemes. La primera contribució d’aquesta tesi consisteix en un conjunt de polítiques d’inserció a les memòries cau (cache memories) compartides d’últim nivell que aprofita informació sobre tasques i les dependències de dades entre aquestes. La intuïció que hi ha al darrere d’aquesta proposta es basa en el fet que els fils d’execució paral·lels mostren diferents patrons d’accés a la memòria; fins i tot dins el mateix fil, els accessos a variables diferents sovint segueixen patrons diferents. Les polítiques que s’hi proposen insereixen línies de la memòria cau a diferents ubicacions lògiques en funció dels tipus de dependència i de tasca als quals correspon la petició de memòria. La segona proposta optimitza l’execució de les reduccions, que es defineixen com un patró de programació que combina dades d’entrada per aconseguir la variable de reducció com a resultat. Això s’aconsegueix mitjançant una tècnica assistida pel runtime system per dur a terme reduccions en la jerarquia de la memòria cau del processador, amb l’objectiu que la proposta sigui aplicable de manera universal, sense dependre del tipus de la variable a la qual es realitza la reducció, la seva mida o el patró d’accés. A nivell de programari, es realitza una extensió del model de programació per facilitar que el programador especifiqui les variables de les reduccions que usaran les tasques, així com el nivell de memòria cau desitjat on s’hauria de realitzar una certa reducció. El compilador font a font (compilador source-to-source) i el runtime system s’amplien per traduir i passar aquesta informació al maquinari subjacent. A nivell de maquinari, les memòries cau privades i compartides s’equipen amb unitats funcionals i la lògica corresponent per poder dur a terme les reduccions a la pròpia memòria cau, evitant així moviments de dades innecessaris entre el nucli del processador i la jerarquia de memòria. La tercera contribució proporciona un esquema de priorització assistit pel runtime System per peticions de memòria dins de la jerarquia de memòria del xip. La proposta es basa en la noció de camí crític en el context dels codis paral·lels i en el fet conegut que l’acceleració de les tasques que formen part del camí crític redueix el temps d’execució de l’aplicació sencera. En el context d’aquest treball, la criticitat de les tasques s’observa al nivell del seu tipus ja que permet que el programador les indiqui mitjançant anotacions senzilles. L’acceleració de les tasques crítiques s’aconsegueix prioritzant les corresponents peticions de memòria dins el microprocessador

Gestión de jerarquías de memoria híbridas a nivel de sistema

Tesis inédita de la Universidad Complutense de Madrid, Facultad de Informática, Departamento de Arquitectura de Computadoras y Automática y de Ku Leuven, Arenberg Doctoral School, Faculty of Engineering Science, leída el 11/05/2017.In electronics and computer science, the term ‘memory’ generally refers to devices that are used to store information that we use in various appliances ranging from our PCs to all hand-held devices, smart appliances etc. Primary/main memory is used for storage systems that function at a high speed (i.e. RAM). The primary memory is often associated with addressable semiconductor memory, i.e. integrated circuits consisting of silicon-based transistors, used for example as primary memory but also other purposes in computers and other digital electronic devices. The secondary/auxiliary memory, in comparison provides program and data storage that is slower to access but offers larger capacity. Examples include external hard drives, portable flash drives, CDs, and DVDs. These devices and media must be either plugged in or inserted into a computer in order to be accessed by the system. Since secondary storage technology is not always connected to the computer, it is commonly used for backing up data. The term storage is often used to describe secondary memory. Secondary memory stores a large amount of data at lesser cost per byte than primary memory; this makes secondary storage about two orders of magnitude less expensive than primary storage. There are two main types of semiconductor memory: volatile and nonvolatile. Examples of non-volatile memory are ‘Flash’ memory (sometimes used as secondary, sometimes primary computer memory) and ROM/PROM/EPROM/EEPROM memory (used for firmware such as boot programs). Examples of volatile memory are primary memory (typically dynamic RAM, DRAM), and fast CPU cache memory (typically static RAM, SRAM, which is fast but energy-consuming and offer lower memory capacity per are a unit than DRAM). Non-volatile memory technologies in Si-based electronics date back to the 1990s. Flash memory is widely used in consumer electronic products such as cellphones and music players and NAND Flash-based solid-state disks (SSDs) are increasingly displacing hard disk drives as the primary storage device in laptops, desktops, and even data centers. The integration limit of Flash memories is approaching, and many new types of memory to replace conventional Flash memories have been proposed. The rapid increase of leakage currents in Silicon CMOS transistors with scaling poses a big challenge for the integration of SRAM memories. There is also the case of susceptibility to read/write failure with low power schemes. As a result of this, over the past decade, there has been an extensive pooling of time, resources and effort towards developing emerging memory technologies like Resistive RAM (ReRAM/RRAM), STT-MRAM, Domain Wall Memory and Phase Change Memory(PRAM). Emerging non-volatile memory technologies promise new memories to store more data at less cost than the expensive-to build silicon chips used by popular consumer gadgets including digital cameras, cell phones and portable music players. These new memory technologies combine the speed of static random-access memory (SRAM), the density of dynamic random-access memory (DRAM), and the non-volatility of Flash memory and so become very attractive as another possibility for future memory hierarchies. The research and information on these Non-Volatile Memory (NVM) technologies has matured over the last decade. These NVMs are now being explored thoroughly nowadays as viable replacements for conventional SRAM based memories even for the higher levels of the memory hierarchy. Many other new classes of emerging memory technologies such as transparent and plastic, three-dimensional(3-D), and quantum dot memory technologies have also gained tremendous popularity in recent years...En el campo de la informática, el término ‘memoria’ se refiere generalmente a dispositivos que son usados para almacenar información que posteriormente será usada en diversos dispositivos, desde computadoras personales (PC), móviles, dispositivos inteligentes, etc. La memoria principal del sistema se utiliza para almacenar los datos e instrucciones de los procesos que se encuentre en ejecución, por lo que se requiere que funcionen a alta velocidad (por ejemplo, DRAM). La memoria principal está implementada habitualmente mediante memorias semiconductoras direccionables, siendo DRAM y SRAM los principales exponentes. Por otro lado, la memoria auxiliar o secundaria proporciona almacenaje(para ficheros, por ejemplo); es más lenta pero ofrece una mayor capacidad. Ejemplos típicos de memoria secundaria son discos duros, memorias flash portables, CDs y DVDs. Debido a que estos dispositivos no necesitan estar conectados a la computadora de forma permanente, son muy utilizados para almacenar copias de seguridad. La memoria secundaria almacena una gran cantidad de datos aun coste menor por bit que la memoria principal, siendo habitualmente dos órdenes de magnitud más barata que la memoria primaria. Existen dos tipos de memorias de tipo semiconductor: volátiles y no volátiles. Ejemplos de memorias no volátiles son las memorias Flash (algunas veces usadas como memoria secundaria y otras veces como memoria principal) y memorias ROM/PROM/EPROM/EEPROM (usadas para firmware como programas de arranque). Ejemplos de memoria volátil son las memorias DRAM (RAM dinámica), actualmente la opción predominante a la hora de implementar la memoria principal, y las memorias SRAM (RAM estática) más rápida y costosa, utilizada para los diferentes niveles de cache. Las tecnologías de memorias no volátiles basadas en electrónica de silicio se remontan a la década de1990. Una variante de memoria de almacenaje por carga denominada como memoria Flash es mundialmente usada en productos electrónicos de consumo como telefonía móvil y reproductores de música mientras NAND Flash solid state disks(SSDs) están progresivamente desplazando a los dispositivos de disco duro como principal unidad de almacenamiento en computadoras portátiles, de escritorio e incluso en centros de datos. En la actualidad, hay varios factores que amenazan la actual predominancia de memorias semiconductoras basadas en cargas (capacitivas). Por un lado, se está alcanzando el límite de integración de las memorias Flash, lo que compromete su escalado en el medio plazo. Por otra parte, el fuerte incremento de las corrientes de fuga de los transistores de silicio CMOS actuales, supone un enorme desafío para la integración de memorias SRAM. Asimismo, estas memorias son cada vez más susceptibles a fallos de lectura/escritura en diseños de bajo consumo. Como resultado de estos problemas, que se agravan con cada nueva generación tecnológica, en los últimos años se han intensificado los esfuerzos para desarrollar nuevas tecnologías que reemplacen o al menos complementen a las actuales. Los transistores de efecto campo eléctrico ferroso (FeFET en sus siglas en inglés) se consideran una de las alternativas más prometedores para sustituir tanto a Flash (por su mayor densidad) como a DRAM (por su mayor velocidad), pero aún está en una fase muy inicial de su desarrollo. Hay otras tecnologías algo más maduras, en el ámbito de las memorias RAM resistivas, entre las que cabe destacar ReRAM (o RRAM), STT-RAM, Domain Wall Memory y Phase Change Memory (PRAM)...Depto. de Arquitectura de Computadores y AutomáticaFac. de InformáticaTRUEunpu

DORY: Automatic End-to-End Deployment of Real-World DNNs on Low-Cost IoT MCUs

The deployment of Deep Neural Networks (DNNs) on end-nodes at the extreme edge of the Internet-of-Things is a critical enabler to support pervasive Deep Learning-enhanced applications. Low-Cost MCU-based end-nodes have limited on-chip memory and often replace caches with scratchpads, to reduce area overheads and increase energy efficiency -- requiring explicit DMA-based memory transfers between different levels of the memory hierarchy. Mapping modern DNNs on these systems requires aggressive topology-dependent tiling and double-buffering. In this work, we propose DORY (Deployment Oriented to memoRY) - an automatic tool to deploy DNNs on low cost MCUs with typically less than 1MB of on-chip SRAM memory. DORY abstracts tiling as a Constraint Programming (CP) problem: it maximizes L1 memory utilization under the topological constraints imposed by each DNN layer. Then, it generates ANSI C code to orchestrate off- and on-chip transfers and computation phases. Furthermore, to maximize speed, DORY augments the CP formulation with heuristics promoting performance-effective tile sizes. As a case study for DORY, we target GreenWaves Technologies GAP8, one of the most advanced parallel ultra-low power MCU-class devices on the market. On this device, DORY achieves up to 2.5x better MAC/cycle than the GreenWaves proprietary software solution and 18.1x better than the state-of-the-art result on an STM32-F746 MCU on single layers. Using our tool, GAP-8 can perform end-to-end inference of a 1.0-MobileNet-128 network consuming just 63 pJ/MAC on average @ 4.3 fps - 15.4x better than an STM32-F746. We release all our developments - the DORY framework, the optimized backend kernels, and the related heuristics - as open-source software.Comment: 14 pages, 12 figures, 4 tables, 2 listings. Accepted for publication in IEEE Transactions on Computers (https://ieeexplore.ieee.org/document/9381618

Evaluation of STT-MRAM main memory for HPC and real-time systems

It is questionable whether DRAM will continue to scale and will meet the needs of next-generation systems. Therefore, significant effort is invested in research and development of novel memory technologies. One of the candidates for nextgeneration memory is Spin-Transfer Torque Magnetic Random Access Memory (STT-MRAM). STT-MRAM is an emerging non-volatile memory with a lot of potential that could be exploited for various requirements of different computing systems. Being a novel technology, STT-MRAM devices are already approaching DRAM in terms of capacity, frequency and device size. Special STT-MRAM features such as intrinsic radiation hardness, non-volatility, zero stand-by power and capability to function in extreme temperatures also make it particularly suitable for aerospace, avionics and automotive applications. Despite of being a conceivable alternative for main memory technology, to this day, academic research of STT-MRAM main memory remains marginal. This is mainly due to the unavailability of publicly available detailed timing parameters of this novel technology, which are required to perform a cycle accurate main memory simulation. Some researchers adopt simplistic memory models to simulate main memory, but such models can introduce significant errors in the analysis of the overall system performance. Therefore, detailed timing parameters are a must-have for any evaluation or architecture exploration study of STT-MRAM main memory. These detailed parameters are not publicly available because STT-MRAM manufacturers are reluctant to release any delicate information on the technology. This thesis demonstrates an approach to perform a cycle accurate simulation of STT-MRAM main memory, being the first to release detailed timing parameters of this technology from academia, essentially enabling researchers to conduct reliable system level simulation of STT-MRAM using widely accepted existing simulation infrastructure. Our results show that, in HPC domain STT-MRAM provide performance comparable to DRAM. Results from the power estimation indicates that STT-MRAM power consumption increases significantly for Activation/Precharge power while Burst power increases moderately and Background power does not deviate much from DRAM. The thesis includes detailed STT-MRAM main memory timing parameters to the main repositories of DramSim2 and Ramulator, two of the most widely used and accepted state-of-the-art main memory simulators. The STT-MRAM timing parameters that has been originated as a part of this thesis, are till date the only reliable and publicly available timing information on this memory technology published from academia. Finally, the thesis analyzes the feasibility of using STT-MRAM in real-time embedded systems by investigating STT-MRAM main memory impact on average system performance and WCET. STT-MRAM's suitability for the real-time embedded systems is validated on benchmarks provided by the European Space Agency (ESA), EEMBC Autobench and MediaBench suite by analyzing performance and WCET impact. In quantitative terms, our results show that STT-MRAM main memory in real-time embedded systems provides performance and WCET comparable to conventional DRAM, while opening up opportunities to exploit various advantages.Es cuestionable si DRAM continuará escalando y cumplirá con las necesidades de los sistemas de la próxima generación. Por lo tanto, se invierte un esfuerzo significativo en la investigación y el desarrollo de nuevas tecnologías de memoria. Uno de los candidatos para la memoria de próxima generación es la Spin-Transfer Torque Magnetic Random Access Memory (STT-MRAM). STT-MRAM es una memoria no volátil emergente con un gran potencial que podría ser explotada para diversos requisitos de diferentes sistemas informáticos. Al ser una tecnología novedosa, los dispositivos STT-MRAM ya se están acercando a la DRAM en términos de capacidad, frecuencia y tamaño del dispositivo. Las características especiales de STTMRAM, como la dureza intrínseca a la radiación, la no volatilidad, la potencia de reserva cero y la capacidad de funcionar en temperaturas extremas, también lo hacen especialmente adecuado para aplicaciones aeroespaciales, de aviónica y automotriz. A pesar de ser una alternativa concebible para la tecnología de memoria principal, hasta la fecha, la investigación académica de la memoria principal de STT-MRAM sigue siendo marginal. Esto se debe principalmente a la falta de disponibilidad de los parámetros de tiempo detallados públicamente disponibles de esta nueva tecnología, que se requieren para realizar un ciclo de simulación de memoria principal precisa. Algunos investigadores adoptan modelos de memoria simplistas para simular la memoria principal, pero tales modelos pueden introducir errores significativos en el análisis del rendimiento general del sistema. Por lo tanto, los parámetros de tiempo detallados son indispensables para cualquier evaluación o estudio de exploración de la arquitectura de la memoria principal de STT-MRAM. Estos parámetros detallados no están disponibles públicamente porque los fabricantes de STT-MRAM son reacios a divulgar información delicada sobre la tecnología. Esta tesis demuestra un enfoque para realizar un ciclo de simulación precisa de la memoria principal de STT-MRAM, siendo el primero en lanzar parámetros de tiempo detallados de esta tecnología desde la academia, lo que esencialmente permite a los investigadores realizar una simulación confiable a nivel de sistema de STT-MRAM utilizando una simulación existente ampliamente aceptada infraestructura. Nuestros resultados muestran que, en el dominio HPC, STT-MRAM proporciona un rendimiento comparable al de la DRAM. Los resultados de la estimación de potencia indican que el consumo de potencia de STT-MRAM aumenta significativamente para la activation/Precharge power, mientras que la Burst power aumenta moderadamente y la Background power no se desvía mucho de la DRAM. La tesis incluye parámetros detallados de temporización memoria principal de STT-MRAM a los repositorios principales de DramSim2 y Ramulator, dos de los simuladores de memoria principal más avanzados y más utilizados y aceptados. Los parámetros de tiempo de STT-MRAM que se han originado como parte de esta tesis, son hasta la fecha la única información de tiempo confiable y disponible al público sobre esta tecnología de memoria publicada desde la academia. Finalmente, la tesis analiza la viabilidad de usar STT-MRAM en real-time embedded systems mediante la investigación del impacto de la memoria principal de STT-MRAM en el rendimiento promedio del sistema y WCET. La idoneidad de STTMRAM para los real-time embedded systems se valida en los applicaciones proporcionados por la European Space Agency (ESA), EEMBC Autobench y MediaBench, al analizar el rendimiento y el impacto de WCET. En términos cuantitativos, nuestros resultados muestran que la memoria principal de STT-MRAM en real-time embedded systems proporciona un desempeño WCET comparable al de una memoria DRAM convencional, al tiempo que abre oportunidades para explotar varias ventajas

CROSS-LAYER CUSTOMIZATION FOR LOW POWER AND HIGH PERFORMANCE EMBEDDED MULTI-CORE PROCESSORS

Due to physical limitations and design difficulties, computer processor architecture has shifted to multi-core and even many-core based approaches in recent years. Such architectures provide potentials for sustainable performance scaling into future peta-scale/exa-scale computing platforms, at affordable power budget, design complexity, and verification efforts. To date, multi-core processor products have been replacing uni-core processors in almost every market segment, including embedded systems, general-purpose desktops and laptops, and super computers. However, many issues still remain with multi-core processor architectures that need to be addressed before their potentials could be fully realized. People in both academia and industry research community are still seeking proper ways to make efficient and effective use of these processors. The issues involve hardware architecture trade-offs, the system software service, the run-time management, and user application design, which demand more research effort into this field. Due to the architectural specialties with multi-core based computers, a Cross-Layer Customization framework is proposed in this work, which combines application specific information and system platform features, along with necessary operating system service support, to achieve exceptional power and performance efficiency for targeted multi-core platforms. Several topics are covered with specific optimization goals, including snoop cache coherence protocol, inter-core communication for producer-consumer applications, synchronization mechanisms, and off-chip memory bandwidth limitations. Analysis of benchmark program execution with conventional mechanisms is made to reveal the overheads in terms of power and performance. Specific customizations are proposed to eliminate such overheads with support from hardware, system software, compiler, and user applications. Experiments show significant improvement on system performance and power efficiency

Many-Core Architectures: Hardware-Software Optimization and Modeling Techniques

During the last few decades an unprecedented technological growth has been at the center of the embedded systems design paramount, with Moore’s Law being the leading factor of this trend. Today in fact an ever increasing number of cores can be integrated on the same die, marking the transition from state-of-the-art multi-core chips to the new many-core design paradigm. Despite the extraordinarily high computing power, the complexity of many-core chips opens the door to several challenges. As a result of the increased silicon density of modern Systems-on-a-Chip (SoC), the design space exploration needed to find the best design has exploded and hardware designers are in fact facing the problem of a huge design space. Virtual Platforms have always been used to enable hardware-software co-design, but today they are facing with the huge complexity of both hardware and software systems. In this thesis two different research works on Virtual Platforms are presented: the first one is intended for the hardware developer, to easily allow complex cycle accurate simulations of many-core SoCs. The second work exploits the parallel computing power of off-the-shelf General Purpose Graphics Processing Units (GPGPUs), with the goal of an increased simulation speed. The term Virtualization can be used in the context of many-core systems not only to refer to the aforementioned hardware emulation tools (Virtual Platforms), but also for two other main purposes: 1) to help the programmer to achieve the maximum possible performance of an application, by hiding the complexity of the underlying hardware. 2) to efficiently exploit the high parallel hardware of many-core chips in environments with multiple active Virtual Machines. This thesis is focused on virtualization techniques with the goal to mitigate, and overtake when possible, some of the challenges introduced by the many-core design paradigm