Code optimizations for narrow bitwidth architectures

This thesis takes a HW/SW collaborative approach to tackle the problem of computational inefficiency in a holistic manner. The hardware is redesigned by restraining the datapath to merely 16-bit datawidth (integer datapath only) to provide an extremely simple, low-cost, low-complexity execution core which is best at executing the most common case efficiently. This redesign, referred to as the Narrow Bitwidth Architecture, is unique in that although the datapath is squeezed to 16-bits, it continues to offer the advantage of higher memory addressability like the contemporary wider datapath architectures. Its interface to the outside (software) world is termed as the Narrow ISA. The software is responsible for efficiently mapping the current stack of 64-bit applications onto the 16-bit hardware. However, this HW/SW approach introduces a non-negligible penalty both in dynamic code-size and performance-impact even with a reasonably smart code-translator that maps the 64- bit applications on to the 16-bit processor. The goal of this thesis is to design a software layer that harnesses the power of compiler optimizations to assuage this negative performance penalty of the Narrow ISA. More specifically, this thesis focuses on compiler optimizations targeting the problem of how to compile a 64-bit program to a 16-bit datapath machine from the perspective of Minimum Required Computations (MRC). Given a program, the notion of MRC aims to infer how much computation is really required to generate the same (correct) output as the original program. Approaching perfect MRC is an intrinsically ambitious goal and it requires oracle predictions of program behavior. Towards this end, the thesis proposes three heuristic-based optimizations to closely infer the MRC. The perspective of MRC unfolds into a definition of productiveness - if a computation does not alter the storage location, it is non-productive and hence, not necessary to be performed. In this research, the definition of productiveness has been applied to different granularities of the data-flow as well as control-flow of the programs. Three profile-based, code optimization techniques have been proposed : 1. Global Productiveness Propagation (GPP) which applies the concept of productiveness at the granularity of a function. 2. Local Productiveness Pruning (LPP) applies the same concept but at a much finer granularity of a single instruction. 3. Minimal Branch Computation (MBC) is an profile-based, code-reordering optimization technique which applies the principles of MRC for conditional branches. The primary aim of all these techniques is to reduce the dynamic code footprint of the Narrow ISA. The first two optimizations (GPP and LPP) perform the task of speculatively pruning the non-productive (useless) computations using profiles. Further, these two optimization techniques perform backward traversal of the optimization regions to embed checks into the nonspeculative slices, hence, making them self-sufficient to detect mis-speculation dynamically. The MBC optimization is a use case of a broader concept of a lazy computation model. The idea behind MBC is to reorder the backslices containing narrow computations such that the minimal necessary computations to generate the same (correct) output are performed in the most-frequent case; the rest of the computations are performed only when necessary. With the proposed optimizations, it can be concluded that there do exist ways to smartly compile a 64-bit application to a 16- bit ISA such that the overheads are considerably reduced.Esta tesis deriva su motivación en la inherente ineficiencia computacional de los procesadores actuales: a pesar de que muchas aplicaciones contemporáneas tienen unos requisitos de ancho de bits estrechos (aplicaciones de enteros, de red y multimedia), el hardware acaba utilizando el camino de datos completo, utilizando más recursos de los necesarios y consumiendo más energía. Esta tesis utiliza una aproximación HW/SW para atacar, de forma íntegra, el problema de la ineficiencia computacional. El hardware se ha rediseñado para restringir el ancho de bits del camino de datos a sólo 16 bits (únicamente el de enteros) y ofrecer así un núcleo de ejecución simple, de bajo consumo y baja complejidad, el cual está diseñado para ejecutar de forma eficiente el caso común. El rediseño, llamado en esta tesis Arquitectura de Ancho de Bits Estrecho (narrow bitwidth en inglés), es único en el sentido que aunque el camino de datos se ha estrechado a 16 bits, el sistema continúa ofreciendo las ventajas de direccionar grandes cantidades de memoria tal como procesadores con caminos de datos más anchos (64 bits actualmente). Su interface con el mundo exterior se denomina ISA estrecho. En nuestra propuesta el software es responsable de mapear eficientemente la actual pila software de las aplicaciones de 64 bits en el hardware de 16 bits. Sin embargo, esta aproximación HW/SW introduce penalizaciones no despreciables tanto en el tamaño del código dinámico como en el rendimiento, incluso con un traductor de código inteligente que mapea las aplicaciones de 64 bits en el procesador de 16 bits. El objetivo de esta tesis es el de diseñar una capa software que aproveche la capacidad de las optimizaciones para reducir el efecto negativo en el rendimiento del ISA estrecho. Concretamente, esta tesis se centra en optimizaciones que tratan el problema de como compilar programas de 64 bits para una máquina de 16 bits desde la perspectiva de las Mínimas Computaciones Requeridas (MRC en inglés). Dado un programa, la noción de MRC intenta deducir la cantidad de cómputo que realmente se necesita para generar la misma (correcta) salida que el programa original. Aproximarse al MRC perfecto es una meta intrínsecamente ambiciosa y que requiere predicciones perfectas de comportamiento del programa. Con este fin, la tesis propone tres heurísticas basadas en optimizaciones que tratan de inferir el MRC. La utilización de MRC se desarrolla en la definición de productividad: si un cálculo no altera el dato que ya había almacenado, entonces no es productivo y por lo tanto, no es necesario llevarlo a cabo. Se han propuesto tres optimizaciones del código basadas en profile: 1. Propagación Global de la Productividad (GPP en inglés) aplica el concepto de productividad a la granularidad de función. 2. Poda Local de Productividad (LPP en inglés) aplica el mismo concepto pero a una granularidad mucho más fina, la de una única instrucción. 3. Computación Mínima del Salto (MBC en inglés) es una técnica de reordenación de código que aplica los principios de MRC a los saltos condicionales. El objetivo principal de todas esta técnicas es el de reducir el tamaño dinámico del código estrecho. Las primeras dos optimizaciones (GPP y LPP) realizan la tarea de podar especulativamente las computaciones no productivas (innecesarias) utilizando profiles. Además, estas dos optimizaciones realizan un recorrido hacia atrás de las regiones a optimizar para añadir chequeos en el código no especulativo, haciendo de esta forma la técnica autosuficiente para detectar, dinámicamente, los casos de fallo en la especulación. La idea de la optimización MBC es reordenar las instrucciones que generan el salto condicional tal que las mínimas computaciones que general la misma (correcta) salida se ejecuten en la mayoría de los casos; el resto de las computaciones se ejecutarán sólo cuando sea necesario

Enabling Program Analysis Through Deterministic Replay and Optimistic Hybrid Analysis

As software continues to evolve, software systems increase in complexity. With software systems composed of many distinct but interacting components, today’s system programmers, users, and administrators find themselves requiring automated ways to find, understand, and handle system mis-behavior. Recent information breaches such as the Equifax breach of 2017, and the Heartbleed vulnerability of 2014 show the need to understand and debug prior states of computer systems. In this thesis I focus on enabling practical entire-system retroactive analysis, allowing programmers, users, and system administrators to diagnose and understand the impact of these devastating mishaps. I focus primarly on two techniques. First, I discuss a novel deterministic record and replay system which enables fast, practical recollection of entire systems of computer state. Second, I discuss optimistic hybrid analysis, a novel optimization method capable of dramatically accelerating retroactive program analysis. Record and replay systems greatly aid in solving a variety of problems, such as fault tolerance, forensic analysis, and information providence. These solutions, however, assume ubiquitous recording of any application which may have a problem. Current record and replay systems are forced to trade-off between disk space and replay speed. This trade-off has historically made it impractical to both record and replay large histories of system level computation. I present Arnold, a novel record and replay system which efficiently records years of computation on a commodity hard-drive, and can efficiently replay any recorded information. Arnold combines caching with a unique process-group granularity of recording to produce both small, and quickly recalled recordings. My experiments show that under a desktop workload, Arnold could store 4 years of computation on a commodity 4TB hard drive. Dynamic analysis is used to retroactively identify and address many forms of system mis-behaviors including: programming errors, data-races, private information leakage, and memory errors. Unfortunately, the runtime overhead of dynamic analysis has precluded its adoption in many instances. I present a new dynamic analysis methodology called optimistic hybrid analysis (OHA). OHA uses knowledge of the past to predict program behaviors in the future. These predictions, or likely invariants are speculatively assumed true by a static analysis. This creates a static analysis which can be far more accurate than its traditional counterpart. Once this predicated static analysis is created, it is speculatively used to optimize a final dynamic analysis, creating a far more efficient dynamic analysis than otherwise possible. I demonstrate the effectiveness of OHA by creating an optimistic hybrid backward slicer, OptSlice, and optimistic data-race detector OptFT. OptSlice and OptFT are just as accurate as their traditional hybrid counterparts, but run on average 8.3x and 1.6x faster respectively. In this thesis I demonstrate that Arnold’s ability to record and replay entire computer systems, combined with optimistic hybrid analysis’s ability to quickly analyze prior computation, enable a practical and useful entire system retroactive analysis that has been previously unrealized.PHDComputer Science & EngineeringUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttps://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/144052/1/ddevec_1.pd

OSS architecture for mixed-criticality systems – a dual view from a software and system engineering perspective

Computer-based automation in industrial appliances led to a growing number of logically dependent, but physically separated embedded control units per appliance. Many of those components are safety-critical systems, and require adherence to safety standards, which is inconsonant with the relentless demand for features in those appliances. Features lead to a growing amount of control units per appliance, and to a increasing complexity of the overall software stack, being unfavourable for safety certifications. Modern CPUs provide means to revise traditional separation of concerns design primitives: the consolidation of systems, which yields new engineering challenges that concern the entire software and system stack. Multi-core CPUs favour economic consolidation of formerly separated systems with one efficient single hardware unit. Nonetheless, the system architecture must provide means to guarantee the freedom from interference between domains of different criticality. System consolidation demands for architectural and engineering strategies to fulfil requirements (e.g., real-time or certifiability criteria) in safety-critical environments. In parallel, there is an ongoing trend to substitute ordinary proprietary base platform software components by mature OSS variants for economic and engineering reasons. There are fundamental differences of processual properties in development processes of OSS and proprietary software. OSS in safety-critical systems requires development process assessment techniques to build an evidence-based fundament for certification efforts that is based upon empirical software engineering methods. In this thesis, I will approach from both sides: the software and system engineering perspective. In the first part of this thesis, I focus on the assessment of OSS components: I develop software engineering techniques that allow to quantify characteristics of distributed OSS development processes. I show that ex-post analyses of software development processes can be used to serve as a foundation for certification efforts, as it is required for safety-critical systems. In the second part of this thesis, I present a system architecture based on OSS components that allows for consolidation of mixed-criticality systems on a single platform. Therefore, I exploit virtualisation extensions of modern CPUs to strictly isolate domains of different criticality. The proposed architecture shall eradicate any remaining hypervisor activity in order to preserve real-time capabilities of the hardware by design, while guaranteeing strict isolation across domains.Computergestützte Automatisierung industrieller Systeme führt zu einer wachsenden Anzahl an logisch abhängigen, aber physisch voneinander getrennten Steuergeräten pro System. Viele der Einzelgeräte sind sicherheitskritische Systeme, welche die Einhaltung von Sicherheitsstandards erfordern, was durch die unermüdliche Nachfrage an Funktionalitäten erschwert wird. Diese führt zu einer wachsenden Gesamtzahl an Steuergeräten, einhergehend mit wachsender Komplexität des gesamten Softwarekorpus, wodurch Zertifizierungsvorhaben erschwert werden. Moderne Prozessoren stellen Mittel zur Verfügung, welche es ermöglichen, das traditionelle >Trennung von Belangen< Designprinzip zu erneuern: die Systemkonsolidierung. Sie stellt neue ingenieurstechnische Herausforderungen, die den gesamten Software und Systemstapel betreffen. Mehrkernprozessoren begünstigen die ökonomische und effiziente Konsolidierung vormals getrennter Systemen zu einer effizienten Hardwareeinheit. Geeignete Systemarchitekturen müssen jedoch die Rückwirkungsfreiheit zwischen Domänen unterschiedlicher Kritikalität sicherstellen. Die Konsolidierung erfordert architektonische, als auch ingenieurstechnische Strategien um die Anforderungen (etwa Echtzeit- oder Zertifizierbarkeitskriterien) in sicherheitskritischen Umgebungen erfüllen zu können. Zunehmend werden herkömmliche proprietär entwickelte Basisplattformkomponenten aus ökonomischen und technischen Gründen vermehrt durch ausgereifte OSS Alternativen ersetzt. Jedoch hindern fundamentale Unterschiede bei prozessualen Eigenschaften des Entwicklungsprozesses bei OSS den Einsatz in sicherheitskritischen Systemen. Dieser erfordert Techniken, welche es erlauben die Entwicklungsprozesse zu bewerten um ein evidenzbasiertes Fundament für Zertifizierungsvorhaben basierend auf empirischen Methoden des Software Engineerings zur Verfügung zu stellen. In dieser Arbeit nähere ich mich von beiden Seiten: der Softwaretechnik, und der Systemarchitektur. Im ersten Teil befasse ich mich mit der Beurteilung von OSS Komponenten: Ich entwickle Softwareanalysetechniken, welche es ermöglichen, prozessuale Charakteristika von verteilten OSS Entwicklungsvorhaben zu quantifizieren. Ich zeige, dass rückschauende Analysen des Entwicklungsprozess als Grundlage für Softwarezertifizierungsvorhaben genutzt werden können. Im zweiten Teil dieser Arbeit widme ich mich der Systemarchitektur. Ich stelle eine OSS-basierte Systemarchitektur vor, welche die Konsolidierung von Systemen gemischter Kritikalität auf einer alleinstehenden Plattform ermöglicht. Dazu nutze ich Virtualisierungserweiterungen moderner Prozessoren aus, um die Hardware in strikt voneinander isolierten Rechendomänen unterschiedlicher Kritikalität unterteilen zu können. Die vorgeschlagene Architektur soll jegliche Betriebsstörungen des Hypervisors beseitigen, um die Echtzeitfähigkeiten der Hardware bauartbedingt aufrecht zu erhalten, während strikte Isolierung zwischen Domänen stets sicher gestellt ist

Service Abstractions for Scalable Deep Learning Inference at the Edge

Deep learning driven intelligent edge has already become a reality, where millions of mobile, wearable, and IoT devices analyze real-time data and transform those into actionable insights on-device. Typical approaches for optimizing deep learning inference mostly focus on accelerating the execution of individual inference tasks, without considering the contextual correlation unique to edge environments and the statistical nature of learning-based computation. Specifically, they treat inference workloads as individual black boxes and apply canonical system optimization techniques, developed over the last few decades, to handle them as yet another type of computation-intensive applications. As a result, deep learning inference on edge devices still face the ever increasing challenges of customization to edge device heterogeneity, fuzzy computation redundancy between inference tasks, and end-to-end deployment at scale. In this thesis, we propose the first framework that automates and scales the end-to-end process of deploying efficient deep learning inference from the cloud to heterogeneous edge devices. The framework consists of a series of service abstractions that handle DNN model tailoring, model indexing and query, and computation reuse for runtime inference respectively. Together, these services bridge the gap between deep learning training and inference, eliminate computation redundancy during inference execution, and further lower the barrier for deep learning algorithm and system co-optimization. To build efficient and scalable services, we take a unique algorithmic approach of harnessing the semantic correlation between the learning-based computation. Rather than viewing individual tasks as isolated black boxes, we optimize them collectively in a white box approach, proposing primitives to formulate the semantics of the deep learning workloads, algorithms to assess their hidden correlation (in terms of the input data, the neural network models, and the deployment trials) and merge common processing steps to minimize redundancy

A Partially Randomized Approach to Trajectory Planning and Optimization for Mobile Robots with Flat Dynamics

Motion planning problems are characterized by huge search spaces and complex obstacle structures with no concise mathematical expression. The fixed-wing airplane application considered in this thesis adds differential constraints and point-wise bounds, i. e. an infinite number of equality and inequality constraints. An optimal trajectory planning approach is presented, based on the randomized Rapidly-exploring Random Trees framework (RRT*). The local planner relies on differential flatness of the equations of motion to obtain tree branch candidates that automatically satisfy the differential constraints. Flat output trajectories, in this case equivalent to the airplane's flight path, are designed using Bézier curves. Segment feasibility in terms of point-wise inequality constraints is tested by an indicator integral, which is evaluated alongside the segment cost functional. Although the RRT* guarantees optimality in the limit of infinite planning time, it is argued by intuition and experimentation that convergence is not approached at a practically useful rate. Therefore, the randomized planner is augmented by a deterministic variational optimization technique. To this end, the optimal planning task is formulated as a semi-infinite optimization problem, using the intermediate result of the RRT(*) as an initial guess. The proposed optimization algorithm follows the feasible flavor of the primal-dual interior point paradigm. Discretization of functional (infinite) constraints is deferred to the linear subproblems, where it is realized implicitly by numeric quadrature. An inherent numerical ill-conditioning of the method is circumvented by a reduction-like approach, which tracks active constraint locations by introducing new problem variables. Obstacle avoidance is achieved by extending the line search procedure and dynamically adding obstacle-awareness constraints to the problem formulation. Experimental evaluation confirms that the hybrid approach is practically feasible and does indeed outperform RRT*'s built-in optimization mechanism, but the computational burden is still significant.Bewegungsplanungsaufgaben sind typischerweise gekennzeichnet durch umfangreiche Suchräume, deren vollständige Exploration nicht praktikabel ist, sowie durch unstrukturierte Hindernisse, für die nur selten eine geschlossene mathematische Beschreibung existiert. Bei der in dieser Arbeit betrachteten Anwendung auf Flächenflugzeuge kommen differentielle Randbedingungen und beschränkte Systemgrößen erschwerend hinzu. Der vorgestellte Ansatz zur optimalen Trajektorienplanung basiert auf dem Rapidly-exploring Random Trees-Algorithmus (RRT*), welcher die Suchraumkomplexität durch Randomisierung beherrschbar macht. Der spezifische Beitrag ist eine Realisierung des lokalen Planers zur Generierung der Äste des Suchbaums. Dieser erfordert ein flaches Bewegungsmodell, sodass differentielle Randbedingungen automatisch erfüllt sind. Die Trajektorien des flachen Ausgangs, welche im betrachteten Beispiel der Flugbahn entsprechen, werden mittels Bézier-Kurven entworfen. Die Einhaltung der Ungleichungsnebenbedingungen wird durch ein Indikator-Integral überprüft, welches sich mit wenig Zusatzaufwand parallel zum Kostenfunktional berechnen lässt. Zwar konvergiert der RRT*-Algorithmus (im probabilistischen Sinne) zu einer optimalen Lösung, jedoch ist die Konvergenzrate aus praktischer Sicht unbrauchbar langsam. Es ist daher naheliegend, den Planer durch ein gradientenbasiertes lokales Optimierungsverfahren mit besseren Konvergenzeigenschaften zu unterstützen. Hierzu wird die aktuelle Zwischenlösung des Planers als Initialschätzung für ein kompatibles semi-infinites Optimierungsproblem verwendet. Der vorgeschlagene Optimierungsalgorithmus erweitert das verbreitete innere-Punkte-Konzept (primal dual interior point method) auf semi-infinite Probleme. Eine explizite Diskretisierung der funktionalen Ungleichungsnebenbedingungen ist nicht erforderlich, denn diese erfolgt implizit durch eine numerische Integralauswertung im Rahmen der linearen Teilprobleme. Da die Methode an Stellen aktiver Nebenbedingungen nicht wohldefiniert ist, kommt zusätzlich eine Variante des Reduktions-Ansatzes zum Einsatz, bei welcher der Vektor der Optimierungsvariablen um die (endliche) Menge der aktiven Indizes erweitert wird. Weiterhin wurde eine Kollisionsvermeidung integriert, die in den Teilschritt der Liniensuche eingreift und die Problemformulierung dynamisch um Randbedingungen zur lokalen Berücksichtigung von Hindernissen erweitert. Experimentelle Untersuchungen bestätigen, dass die Ergebnisse des hybriden Ansatzes aus RRT(*) und numerischem Optimierungsverfahren der klassischen RRT*-basierten Trajektorienoptimierung überlegen sind. Der erforderliche Rechenaufwand ist zwar beträchtlich, aber unter realistischen Bedingungen praktisch beherrschbar

Optimal Global Instruction Scheduling for the Itanium® Processor Architecture

On the Itanium 2 processor, effective global instruction scheduling is crucial to high performance. At the same time, it poses a challenge to the compiler: This code generation subtask involves strongly interdependent decisions and complex trade-offs that are difficult to cope with for heuristics. We tackle this NP-complete problem with integer linear programming (ILP), a search-based method that yields provably optimal results. This promises faster code as well as insights into the potential of the architecture. Our ILP model comprises global code motion with compensation copies, predication, and Itanium-specific features like control/data speculation. In integer linear programming, well-structured models are the key to acceptable solution times. The feasible solutions of an ILP are represented by integer points inside a polytope. If all vertices of this polytope are integral, then the ILP can be solved in polynomial time. We define two subproblems of global scheduling in which some constraint classes are omitted and show that the corresponding two subpolytopes of our ILP model are integral and polynomial sized. This substantiates that the found model is of high efficiency, which is also confirmed by the reasonable solution times. The ILP formulation is extended by further transformations like cyclic code motion, which moves instructions upwards out of a loop, circularly in the opposite direction of the loop backedges. Since the architecture requires instructions to be encoded in fixed-sized bundles of three, a bundler is developed that computes bundle sequences of minimal size by means of precomputed results and dynamic programming. Experiments have been conducted with a postpass tool that implements the ILP scheduler. It parses assembly procedures generated by Intel&#65533;s Itanium compiler and reschedules them as a whole. Using this tool, we optimize a selection of hot functions from the SPECint 2000 benchmark. The results show a significant speedup over the original code.Globale Instruktionsanordnung hat beim Itanium-2-Prozessor großen Einfluß auf die Leistung und stellt dabei gleichzeitig eine Herausforderung für den Compiler dar: Sie ist mit zahlreichen komplexen, wechselseitig voneinander abhängigen Entscheidungen verbunden, die für Heuristiken nur schwer zu beherrschen sind.Wir lösen diesesNP-vollständige Problem mit ganzzahliger linearer Programmierung (ILP), einer suchbasierten Methode mit beweisbar optimalen Ergebnissen. Das ermöglicht neben schnellerem Code auch Einblicke in das Potential der Itanium- Prozessorarchitektur. Unser ILP-Modell umfaßt globale Codeverschiebungen mit Kompensationscode, Prädikation und Itanium-spezifische Techniken wie Kontroll- und Datenspekulation. Bei ganzzahliger linearer Programmierung sind wohlstrukturierte Modelle der Schlüssel zu akzeptablen Lösungszeiten. Die zulässigen Lösungen eines ILPs werden durch ganzzahlige Punkte innerhalb eines Polytops repräsentiert. Sind die Eckpunkte dieses Polytops ganzzahlig, kann das ILP in Polynomialzeit gelöst werden. Wir definieren zwei Teilprobleme globaler Instruktionsanordnung durch Auslassung bestimmter Klassen von Nebenbedingungen und beweisen, daß die korrespondierenden Teilpolytope unseres ILP-Modells ganzzahlig und von polynomieller Größe sind. Dies untermauert die hohe Effizienz des gefundenen Modells, die auch durch moderate Lösungszeiten bestätigt wird. Das ILP-Modell wird um weitere Transformationen wie zyklische Codeverschiebung erweitert; letztere bezeichnet das Verschieben von Befehlen aufwärts aus einer Schleife heraus, in Gegenrichtung ihrer Rückwärtskanten. Da die Architektur eine Kodierung der Befehle in Dreierbündeln fester Größe vorschreibt, wird ein Bundler entwickelt, der Bündelsequenzen minimaler Länge mit Hilfe vorberechneter Teilergebnisse und dynamischer Programmierung erzeugt. Für die Experimente wurde ein Postpassoptimierer erstellt. Er liest von Intels Itanium-Compiler erzeugte Assemblerroutinen ein und ordnet die enthaltenen Instruktionen mit Hilfe der ILP-Methode neu an. Angewandt auf eine Auswahl von Funktionen aus dem Benchmark SPECint 2000 erreicht der Optimierer eine signifikante Beschleunigung gegenüber dem Originalcode

Optimal Global Instruction Scheduling for the Itanium® Processor Architecture

On the Itanium 2 processor, effective global instruction scheduling is crucial to high performance. At the same time, it poses a challenge to the compiler: This code generation subtask involves strongly interdependent decisions and complex trade-offs that are difficult to cope with for heuristics. We tackle this NP-complete problem with integer linear programming (ILP), a search-based method that yields provably optimal results. This promises faster code as well as insights into the potential of the architecture. Our ILP model comprises global code motion with compensation copies, predication, and Itanium-specific features like control/data speculation. In integer linear programming, well-structured models are the key to acceptable solution times. The feasible solutions of an ILP are represented by integer points inside a polytope. If all vertices of this polytope are integral, then the ILP can be solved in polynomial time. We define two subproblems of global scheduling in which some constraint classes are omitted and show that the corresponding two subpolytopes of our ILP model are integral and polynomial sized. This substantiates that the found model is of high efficiency, which is also confirmed by the reasonable solution times. The ILP formulation is extended by further transformations like cyclic code motion, which moves instructions upwards out of a loop, circularly in the opposite direction of the loop backedges. Since the architecture requires instructions to be encoded in fixed-sized bundles of three, a bundler is developed that computes bundle sequences of minimal size by means of precomputed results and dynamic programming. Experiments have been conducted with a postpass tool that implements the ILP scheduler. It parses assembly procedures generated by Intel&#65533;s Itanium compiler and reschedules them as a whole. Using this tool, we optimize a selection of hot functions from the SPECint 2000 benchmark. The results show a significant speedup over the original code.Globale Instruktionsanordnung hat beim Itanium-2-Prozessor großen Einfluß auf die Leistung und stellt dabei gleichzeitig eine Herausforderung für den Compiler dar: Sie ist mit zahlreichen komplexen, wechselseitig voneinander abhängigen Entscheidungen verbunden, die für Heuristiken nur schwer zu beherrschen sind.Wir lösen diesesNP-vollständige Problem mit ganzzahliger linearer Programmierung (ILP), einer suchbasierten Methode mit beweisbar optimalen Ergebnissen. Das ermöglicht neben schnellerem Code auch Einblicke in das Potential der Itanium- Prozessorarchitektur. Unser ILP-Modell umfaßt globale Codeverschiebungen mit Kompensationscode, Prädikation und Itanium-spezifische Techniken wie Kontroll- und Datenspekulation. Bei ganzzahliger linearer Programmierung sind wohlstrukturierte Modelle der Schlüssel zu akzeptablen Lösungszeiten. Die zulässigen Lösungen eines ILPs werden durch ganzzahlige Punkte innerhalb eines Polytops repräsentiert. Sind die Eckpunkte dieses Polytops ganzzahlig, kann das ILP in Polynomialzeit gelöst werden. Wir definieren zwei Teilprobleme globaler Instruktionsanordnung durch Auslassung bestimmter Klassen von Nebenbedingungen und beweisen, daß die korrespondierenden Teilpolytope unseres ILP-Modells ganzzahlig und von polynomieller Größe sind. Dies untermauert die hohe Effizienz des gefundenen Modells, die auch durch moderate Lösungszeiten bestätigt wird. Das ILP-Modell wird um weitere Transformationen wie zyklische Codeverschiebung erweitert; letztere bezeichnet das Verschieben von Befehlen aufwärts aus einer Schleife heraus, in Gegenrichtung ihrer Rückwärtskanten. Da die Architektur eine Kodierung der Befehle in Dreierbündeln fester Größe vorschreibt, wird ein Bundler entwickelt, der Bündelsequenzen minimaler Länge mit Hilfe vorberechneter Teilergebnisse und dynamischer Programmierung erzeugt. Für die Experimente wurde ein Postpassoptimierer erstellt. Er liest von Intels Itanium-Compiler erzeugte Assemblerroutinen ein und ordnet die enthaltenen Instruktionen mit Hilfe der ILP-Methode neu an. Angewandt auf eine Auswahl von Funktionen aus dem Benchmark SPECint 2000 erreicht der Optimierer eine signifikante Beschleunigung gegenüber dem Originalcode

Performing the digital: performativity and performance studies in digital cultures

How is performativity shaped by digital technologies - and how do performative practices reflect and alter techno-social formations? "Performing the Digital" explores, maps and theorizes the conditions and effects of performativity in digital cultures. Bringing together scholars from performance studies, media theory, sociology and organization studies as well as practitioners of performance, the contributions engage with the implications of digital media and its networked infrastructures for modulations of affect and the body, for performing cities, protest, organization and markets, and for the performativity of critique. With contributions by Marie-Luise Angerer, Timon Beyes, Scott deLahunta and Florian Jenett, Margarete Jahrmann, Susan Kozel, Ann-Christina Lange, Oliver Leistert, Martina Leeker, Jon McKenzie, Sigrid Merx, Melanie Mohren and Bernhard Herbordt, Imanuel Schipper and Jens Schröter

Customizing the Computation Capabilities of Microprocessors.

Designers of microprocessor-based systems must constantly improve performance and increase computational efficiency in their designs to create value. To this end, it is increasingly common to see computation accelerators in general-purpose processor designs. Computation accelerators collapse portions of an application's dataflow graph, reducing the critical path of computations, easing the burden on processor resources, and reducing energy consumption in systems. There are many problems associated with adding accelerators to microprocessors, though. Design of accelerators, architectural integration, and software support all present major challenges. This dissertation tackles these challenges in the context of accelerators targeting acyclic and cyclic patterns of computation. First, a technique to identify critical computation subgraphs within an application set is presented. This technique is hardware-cognizant and effectively generates a set of instruction set extensions given a domain of target applications. Next, several general-purpose accelerator structures are quantitatively designed using critical subgraph analysis for a broad application set. The next challenge is architectural integration of accelerators. Traditionally, software invokes accelerators by statically encoding new instructions into the application binary. This is incredibly costly, though, requiring many portions of hardware and software to be redesigned. This dissertation develops strategies to utilize accelerators, without changing the instruction set. In the proposed approach, the microarchitecture translates applications at run-time, replacing computation subgraphs with microcode to utilize accelerators. We explore the tradeoffs in performing difficult aspects of the translation at compile-time, while retaining run-time replacement. This culminates in a simple microarchitectural interface that supports a plug-and-play model for integrating accelerators into a pre-designed microprocessor. Software support is the last challenge in dealing with computation accelerators. The primary issue is difficulty in generating high-quality code utilizing accelerators. Hand-written assembly code is standard in industry, and if compiler support does exist, simple greedy algorithms are common. In this work, we investigate more thorough techniques for compiling for computation accelerators. Where greedy heuristics only explore one possible solution, the techniques in this dissertation explore the entire design space, when possible. Intelligent pruning methods ensure that compilation is both tractable and scalable.Ph.D.Computer Science & EngineeringUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttp://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/57633/2/ntclark_1.pd