Architectures for dependable modern microprocessors

Η εξέλιξη των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων σε συνδυασμό με τους αυστηρούς χρονικούς περιορισμούς καθιστούν την επαλήθευση της ορθής λειτουργίας των επεξεργαστών μία εξαιρετικά απαιτητική διαδικασία. Με κριτήριο το στάδιο του κύκλου ζωής ενός επεξεργαστή, από την στιγμή κατασκευής των πρωτοτύπων και έπειτα, οι τεχνικές ελέγχου ορθής λειτουργίας διακρίνονται στις ακόλουθες κατηγορίες: (1) Silicon Debug: Τα πρωτότυπα ολοκληρωμένα κυκλώματα ελέγχονται εξονυχιστικά, (2) Manufacturing Testing: ο τελικό ποιοτικός έλεγχος και (3) In-field verification: Περιλαμβάνει τεχνικές, οι οποίες διασφαλίζουν την λειτουργία του επεξεργαστή σύμφωνα με τις προδιαγραφές του. Η διδακτορική διατριβή προτείνει τα ακόλουθα: (1) Silicon Debug: Η εργασία αποσκοπεί στην επιτάχυνση της διαδικασίας ανίχνευσης σφαλμάτων και στον αυτόματο εντοπισμό τυχαίων προγραμμάτων που δεν περιέχουν νέα -χρήσιμη- πληροφορία σχετικά με την αίτια ενός σφάλματος. Η κεντρική ιδέα αυτής της μεθόδου έγκειται στην αξιοποίηση της έμφυτης ποικιλομορφίας των αρχιτεκτονικών συνόλου εντολών και στην δυνατότητα από-διαμόρφωσης τμημάτων του κυκλώματος, (2) Manufacturing Testing: προτείνεται μία μέθοδο για την βελτιστοποίηση του έλεγχου ορθής λειτουργίας των πολυνηματικών και πολυπύρηνων επεξεργαστών μέσω της χρήση λογισμικού αυτοδοκιμής, (3) Ιn-field verification: Αναλύθηκε σε βάθος η επίδραση που έχουν τα μόνιμα σφάλματα σε μηχανισμούς αύξησης της απόδοσης. Επιπρόσθετα, προτάθηκαν τεχνικές για την ανίχνευση και ανοχή μόνιμων σφαλμάτων υλικού σε μηχανισμούς πρόβλεψης διακλάδωσης.Technology scaling, extreme chip integration and the compelling requirement to diminish the time-to-market window, has rendered microprocessors more prone to design bugs and hardware faults. Microprocessor validation is grouped into the following categories, based on where they intervene in a microprocessor’s lifecycle: (a) Silicon debug: the first hardware prototypes are exhaustively validated, (b) Μanufacturing testing: the final quality control during massive production, and (c) In-field verification: runtime error detection techniques to guarantee correct operation. The contributions of this thesis are the following: (1) Silicon debug: We propose the employment of deconfigurable microprocessor architectures along with a technique to generate self-checking random test programs to avoid the simulation step and triage the redundant debug sessions, (2) Manufacturing testing: We propose a self-test optimization strategy for multithreaded, multicore microprocessors to speedup test program execution time and enhance the fault coverage of hard errors; and (3) In-field verification: We measure the effect of permanent faults performance components. Then, we propose a set of low-cost mechanisms for the detection, diagnosis and performance recovery in the front-end speculative structures. This thesis introduces various novel methodologies to address the validation challenges posed throughout the life-cycle of a chip

Fault Diagnosis Via Univariate Frequency Analysis Monitoring: A Novel Technique Applied to a Simulated Integrated Drive Generator

The purpose of this research was to develop a fault detection and diagnostic method that would be able to detect and isolate seeded faults in data that was generated from a simulated integrated drive generator. The approach to the solution for this problem is summarized below. A novel approach for the detection and diagnoses of an anomaly due the occurrence of a fault within a system has been developed. This innovative technique uses specific characteristics of the frequency spectrum of a univariate signal to monitor system health for abnormal behavior due to previously characterized component failure. A fault detection and diagnostic scheme was developed that used dual heteroassociative kernel regression models. The first of these empirical models estimates selected features from the analytical redundant spectrum characteristic profile of the exciter current using power demand, a stressor, placed on the system as input query. The predicted spectrum features were compared to the actual characteristic features, which resulted in the generation of a residual signal. This signal was then analyzed in order to determine if they were the result of normal system disturbances or a predefined fault. If a fault was detected, the residual signal was passed to the second model, which isolated, and given enough information, identified the specific component of components causing the anomaly. Two case studies are presented to illustrate the capability to detect, isolate, and identify a system anomaly. As demonstrated, the monitoring of the frequency spectrum of a single variable can provide adequate indication of equipment health. With the availability of the appropriate data, as in the first case, it is possible for the development of three-layer detection and diagnostic systems that provides fault detection, isolation, and identification. A three-layer detection and diagnostic system is essential in the development of more advance health monitoring and prognostic systems. Despite some shortcomings in the simulated data made available for this work, this method is believed to be applicable to data that more realistically captures real-world relationships, including sensor noise and faults that grow with time

Stuck Actuator Fault Detection and Isolation on the MMX Rover

Since rovers for the exploration of celestial bodies are extremely expensive and long-term projects, it is crucial to avoid the collapse of these systems due to faults. Hence, the development of Fault Detection, Isolation, and Recovery (FDIR) systems for these rovers is indispensable. The MMX (Martian Moons Exploration) Rover is a small, wheeled rover created for the exploration of Mars moon Phobos as part of the MMX Mission by the Japanese Space Agency. In this thesis the problems of fault detection and fault isolation on one of the MMX Rover's locomotion units are discussed. The objective is to answer the question of how to detect an immobilization fault in the rover's locomotion unit and how to differentiate on which constructional element the fault occurs. To address this research topic, experiments are conducted to simulate the expected fault scenarios as well as normal operation. Specifically, the fault scenarios of a stuck wheel and a stuck leg are induced under various changing parameters, and torque and motor currents are measured. Additionally, baseline tests are performed to investigate the influence of Earth's gravity, motor drive velocity and direction of rotation. The test data is analyzed using Python scripts. The values of nominal and faulty operations are compared in order to establish thresholds for fault detection. Machine learning techniques based on logistic regression are employed to enable fault isolation. The results of the baseline tests show dependency of the torque and current measurements on all mentioned baseline test parameters. The evaluation using the methods described demonstrates reliable error detection through a torque threshold. Furthermore, the classification algorithm enables 95% accurate determination of the fault location

Decompose and Conquer: Addressing Evasive Errors in Systems on Chip

Modern computer chips comprise many components, including microprocessor cores, memory modules, on-chip networks, and accelerators. Such system-on-chip (SoC) designs are deployed in a variety of computing devices: from internet-of-things, to smartphones, to personal computers, to data centers. In this dissertation, we discuss evasive errors in SoC designs and how these errors can be addressed efficiently. In particular, we focus on two types of errors: design bugs and permanent faults. Design bugs originate from the limited amount of time allowed for design verification and validation. Thus, they are often found in functional features that are rarely activated. Complete functional verification, which can eliminate design bugs, is extremely time-consuming, thus impractical in modern complex SoC designs. Permanent faults are caused by failures of fragile transistors in nano-scale semiconductor manufacturing processes. Indeed, weak transistors may wear out unexpectedly within the lifespan of the design. Hardware structures that reduce the occurrence of permanent faults incur significant silicon area or performance overheads, thus they are infeasible for most cost-sensitive SoC designs. To tackle and overcome these evasive errors efficiently, we propose to leverage the principle of decomposition to lower the complexity of the software analysis or the hardware structures involved. To this end, we present several decomposition techniques, specific to major SoC components. We first focus on microprocessor cores, by presenting a lightweight bug-masking analysis that decomposes a program into individual instructions to identify if a design bug would be masked by the program's execution. We then move to memory subsystems: there, we offer an efficient memory consistency testing framework to detect buggy memory-ordering behaviors, which decomposes the memory-ordering graph into small components based on incremental differences. We also propose a microarchitectural patching solution for memory subsystem bugs, which augments each core node with a small distributed programmable logic, instead of including a global patching module. In the context of on-chip networks, we propose two routing reconfiguration algorithms that bypass faulty network resources. The first computes short-term routes in a distributed fashion, localized to the fault region. The second decomposes application-aware routing computation into simple routing rules so to quickly find deadlock-free, application-optimized routes in a fault-ridden network. Finally, we consider general accelerator modules in SoC designs. When a system includes many accelerators, there are a variety of interactions among them that must be verified to catch buggy interactions. To this end, we decompose such inter-module communication into basic interaction elements, which can be reassembled into new, interesting tests. Overall, we show that the decomposition of complex software algorithms and hardware structures can significantly reduce overheads: up to three orders of magnitude in the bug-masking analysis and the application-aware routing, approximately 50 times in the routing reconfiguration latency, and 5 times on average in the memory-ordering graph checking. These overhead reductions come with losses in error coverage: 23% undetected bug-masking incidents, 39% non-patchable memory bugs, and occasionally we overlook rare patterns of multiple faults. In this dissertation, we discuss the ideas and their trade-offs, and present future research directions.PHDComputer Science & EngineeringUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttps://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/147637/1/doowon_1.pd

Proactive Adaptation in Self-Organizing Task-based Runtime Systems for Different Computing Classes

Moderne Computersysteme bieten Anwendern und Anwendungsentwicklern ein hohes Maß an Parallelität und Heterogenität. Die effiziente Nutzung dieser Systeme erfordert jedoch tiefgreifende Kenntnisse, z.B. der darunterliegenden Hardware-Plattform und den notwendigen Programmiermodellen, und umfangreiche Arbeit des Entwicklers. In dieser Thesis bezieht sich die effiziente Nutzung auf die Gesamtausführungszeit der Anwendungen, den Energieverbrauch des Systems, die maximale Temperatur der Verarbeitungseinheiten und die Zuverlässigkeit des Systems. Neben den verschiedenen Optimierungszielen muss ein Anwendungsentwickler auch die spezifischen Einschränkungen und Randbedingungen des Systems berücksichtigen, wie z. B. Deadlines oder Sicherheitsgarantien, die mit bestimmten Anwendungsbereichen einhergehen. Diese Komplexität heterogener Systeme macht es unmöglich, alle potenziellen Systemzustände und Umwelteinflüsse, die zur Laufzeit auftreten können, vorherzusagen. Die System- und Anwendungsentwickler sind somit nicht in der Lage, zur Entwurfszeit festzulegen, wie das System und die Anwendungen in allen möglichen Situationen reagieren sollen. Daher ist es notwendig, die Systeme zur Laufzeit der aktuellen Situation anzupassen, um ihr Verhalten entsprechend zu optimieren. In eingebetteten Systemen mit begrenzten Kühlkapazitäten muss z.B. bei Erreichen einer bestimmten Temperaturschwelle eine Lastverteilung vorgenommen, die Frequenz verringert oder Verarbeitungseinheiten abgeschaltet werden, um die Wärmeentwicklung zu reduzieren. Normalerweise reicht es aber nicht aus, einfach nur auf einen ungünstigen Systemzustand zu reagieren. Das Ziel sollte darin bestehen, ungünstige oder fehlerhafte Systemzustände vor dem Auftreten zu vermeiden, um die Notwendigkeit des Aufrufs von Notfallfunktionen zu verringern und die Benutzerfreundlichkeit zu verbessern. Anstatt beispielsweise die Wärmeentwicklung durch eine Neuverteilung der Anwendungen zu reduzieren, könnten proaktive Mechanismen kritische Temperaturen bereits im Vorfeld vermeiden, indem sie bestimmte unkritische Aufgaben verzögern oder deren Genauigkeit oder QoS verringern. Auf diese Weise wird die Systemlast reduziert, bevor ein kritischer Punkt erreicht wird. Lösungen des aktuellen Stands der Technik wie einheitliche Programmiersprachen oder Laufzeitsysteme adressieren einige der oben genannten Herausforderungen, jedoch existiert kein Ansatz, der in der Lage ist, eine Optimierung mehrerer sich widersprechender Zielfunktionen dynamisch und vor allem proaktiv durchzuführen. Ein Konzept, das diese komplexe Aufgabe für den Entwickler übernimmt und eine Möglichkeit zur dynamischen und proaktiven Anpassung an Veränderungen bietet, ist die Selbstorganisation. Selbstorganisation ist jedoch definiert als ein Prozess ohne externe Kontrolle oder Steuerung. Im Kontext der Systemoptimierung kann dies leicht zu unerwünschten Ergebnissen führen. Ein Ansatz, der Selbstorganisation mit einem Kontrollmechanismus kombiniert, welcher auf Robustheit und Widerstandsfähigkeit gegenüber äußeren Störungen abzielt, ist Organic Computing. Das bestimmende Merkmal von Organic Computing ist eine Observer/Controller-Architektur. Das Konzept dieser Architektur besteht darin, den aktuellen Zustand des Systems und der Umgebung zu überwachen, diese Daten zu analysieren und auf der Grundlage dieser Analyse Entscheidungen über das zukünftige Systemverhalten zu treffen. Organic Computing ermöglicht es also auf der Grundlage der vergangenen und des aktuellen Zustands proaktiv Mechanismen auszuwählen und auszulösen, die das System optimieren und unerwünschte Zustände vermeiden. Um die Vorteile des Organic Computings auf moderne heterogene Systeme zu übertragen, kombiniere ich den Organic Computing-Ansatz mit einem Laufzeitsystem. Laufzeitsysteme sind ein vielversprechender Kandidat für die Umsetzung des Organic Computing-Ansatzes, da sie bereits die Ausführung von Anwendungen überwachen und steuern. Insbesondere betrachte und bearbeite ich in dieser Dissertation die folgenden Forschungsthemen, indem ich die Konzepte des Organic Computings und der Laufzeitsysteme kombiniere: • Erfassen des aktuellen Systemzustands durch Überwachung von Sensoren und Performance Countern • Vorhersage zukünftiger Systemzustände durch Analyse des vergangenen Verhaltens • Nutzung von Zustandsinformationen zur proaktiven Anpassung des Systems Ich erweitere das Thema der Erfassung von Systemzuständen auf zwei Arten. Zunächst führe ich eine neuartige heuristische Metrik zur Berechnung der Zuverlässigkeit einer Verarbeitungseinheit ein, die auf symptombasierter Fehlererkennung basiert. Symptombasierte Fehlererkennung ist eine leichtgewichtige Methode zur dynamischen Erkennung von soften Hardware-Fehlern durch Überwachung des Ausführungsverhaltens mit Performance Countern. Die dynamische Erkennung von Fehlern ermöglicht dann die Berechnung einer heuristischen Fehlerrate einer Verarbeitungseinheit in einem bestimmten Zeitfenster. Die Fehlerrate wird verwendet, um die Anzahl der erforderlichen Ausführungen einer Anwendung zu berechnen, um eine bestimmte Ergebniszuverlässigkeit, also eine Mindestwahrscheinlichkeit für ein korrektes Ergebnis, zu gewährleisten. Ein wichtiger Aspekt der Zustandserfassung ist die Minimierung des entstehenden Overheads. Ich verringere die Anzahl der für OpenMP-Tasks notwendigen Profiling-Durchläufe durch Thread-Interpolation und Überprüfungen des Skalierungsverhaltens. Zusätzlich untersuche ich die Vorhersage von OpenCL Task-Ausführungszeiten. Die Prädiktoren der Ausführungszeiten werden mit verschiedenen maschinellen Lernalgorithmen trainiert. Als Input werden Profile der Kernel verwendet, die durch statische Codeanalyse erstellt wurden. Um in dieser Dissertation zukünftige Systemzustände vorherzusagen, sollen Anwendungen vorausgesagt werden, die in naher Zukunft im System vorkommen werden. In Kombination mit der Ausführungsdatenbank ermöglicht dies die Schätzung der anstehenden Kosten, die das System zu bewältigen hat. In dieser Arbeit werden zwei Mechanismen zur Vorhersage von Anwendungen/Tasks entwickelt. Der erste Prädiktor zielt darauf ab, neue Instanzen unabhängiger Tasks vorherzusagen. Der zweite Mechanismus betrachtet Ausführungsmuster abhängiger Anwendungen und sagt auf dieser Grundlage zukünftig auftretende Anwendungen vorher. Beide Mechanismen verwenden eine Vorhersagetabelle, die auf Markov-Prädiktoren und dem Abgleich von Mustern basiert. In dieser Arbeit wird das Wissen, das durch die Systemüberwachung und die Vorhersage zukünftiger Anwendungen gewonnen wird, verwendet, um die Optimierungsziele des Systems proaktiv in Einklang zu bringen und zu gewichten. Dies geschieht durch eine Reihe von Regeln, die eine Systemzustandsbeschreibung, bestehend aus dem aktuellen Zustand, Vorhersagen und Randbedingungen bzw. Beschränkungen, auf einen Vektor aus Gewichten abbilden. Zum Erlernen der Regelmenge wird ein Extended Classifer System (XCS) eingesetzt. Das XCS ist in eine hierarchische Architektur eingebettet, die nach den Prinzipien des Organic Computing entworfen wurde. Eine wichtige Designentscheidung ist dabei die Auslagerung der Erstellung neuer Regeln an einen Offline-Algorithmus, der einen Simulator nutzt und parallel zum normalen Systemablauf ausgeführt wird. Dadurch wird sichergestellt, dass keine ungetesteten Regeln, deren Auswirkungen noch nicht bekannt sind, dem laufenden System hinzugefügt werden. Die sich daraus ergebenden Gewichte werden schließlich verwendet, um eine Bewertungsfunktion für List Scheduling-Algorithmen zu erstellen. Diese Dissertation erweitert das Forschungsgebiet der Scheduling-Algorithmen durch zwei Mechanismen für dynamisches Scheduling. Die erste Erweiterung konzentriert sich auf nicht sicherheitskritische Systeme, die Prioritäten verwenden, um die unterschiedliche Wichtigkeit von Tasks auszudrücken. Da statische Prioritäten in stark ausgelasteten Systemen zu Starvation führen können, habe ich einen dynamischen Ageing-Mechanismus entwickelt, der dazu in der Lage ist, die Prioritäten der Tasks entsprechend der aktuellen Auslastung und ihrer Wartezeiten anzupassen. Dadurch reduziert der Mechanismus die Gesamtlaufzeit über alle Tasks und die Wartezeit für Tasks mit niedrigerer Priorität. Noch ist eine große Anzahl von Anwendungen nicht dazu bereit, den hohen Grad an Parallelität zu nutzen, den moderne Computersysteme bieten. Ein Konzept, das versucht dieses Problem zu lösen, indem es mehrere verschiedene Prozesse auf demselben Rechenknoten zur Ausführung bringt, ist das Co-Scheduling. In dieser Dissertation stelle ich einen neuartigen Co-Scheduling-Mechanismus vor, welcher die Task-Schedules mehrerer Laufzeitsysteminstanzen optimiert, die auf demselben Rechenknoten ausgeführt werden. Um die notwendigen Informationen zwischen den Laufzeitsysteminstanzen zu teilen, speichert der Mechanismus die Daten in Shared Memory. Sobald ein Laufzeitsystem neue Tasks in das System einfügt, prüft der Mechanismus, ob die Berechnung eines neuen Schedules sinnvoll ist. Wird die Entscheidung getroffen, einen neuen Schedule zu berechnen, setzt der Mechanismus Simulated Annealing ein, um alle Tasks, die bisher noch nicht mit ihrer Ausführung begonnen haben, neu auf Ausführungseinheiten abzubilden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass diese Arbeit neuartige Mechanismen und Algorithmen sowie Erweiterungen zu verschiedenen Forschungsgebieten anbietet, um ein proaktives selbst-organisierendes System zu implementieren, das sich an neue und unbekannte Situationen anpassen kann. Dabei wird die Komplexität für Benutzer und Anwendungsentwickler reduziert, indem die Entscheidungsfindung in das System selbst ausgelagert wird. Gleichzeitig sorgt dieser Ansatz für eine effiziente Nutzung der Ressourcen des Systems. Insgesamt leistet diese Arbeit die folgenden Beiträge zur Erweiterung des Stands der Forschung: • Einführung einer neuartigen heuristischen Metrik zur Messung der Zuverlässigkeit von Verarbeitungseinheiten. Die Metrik basiert auf einer leichtgewichtigen Methode zur Fehlererkennung, genannt symptombasierte Fehlererkennung. Mit der symptombasierten Fehlererkennung ist es möglich, mehrere injizierte Fehlerklassen und Interferenzen, die Soft-Hardware-Fehler simulieren, sowohl auf einer CPU als auch auf einer GPU zuverlässig zu erkennen. Darüber hinaus werden diese Ergebnisse durch Welch\u27s t-Test statistisch bestätigt. • Vorschlag eines Vorhersagemodells für die Ausführungszeit von OpenCL Kerneln, das auf statischer Code-Analyse basiert. Das Modell ist in der Lage, die schnellste Verarbeitungseinheit aus einer Menge von Verarbeitungseinheiten mit einer Genauigkeit von im schlechtesten Fall $69\,\%$ auszuwählen. Zum Vergleich: eine Referenzvariante, welche immer den Prozessor vorhersagt, der die meisten Kernel am schnellsten ausführt, erzielt eine Genauigkeit von $25\,\%$. Im besten Fall erreicht das Modell eine Genauigkeit von bis zu $83\,\%$. • Bereitstellung von zwei Prädiktoren für kommende Tasks/Anwendungen. Der erste Mechanismus betrachtet unabhängige Tasks, die ständig neue Task-Instanzen erstellen, der zweite abhängige Anwendungen, die Ausführungsmuster bilden. Dabei erzielt der erste Mechanismus bei der Vorhersage der Zeitspanne zwischen zwei aufeinanderfolgenden Task-Instanzen einen maximalen\\ $sMAPE$-Wert von $4,33\,\%$ für sporadische und $0,002 \,\%$ für periodische Tasks. Darüber hinaus werden Tasks mit einem aperiodischen Ausführungsschema zuverlässig erkannt. Der zweite Mechanismus erreicht eine Genauigkeit von $77,6 \,\%$ für die Vorhersage der nächsten anstehenden Anwendung und deren Startzeit. • Einführung einer Umsetzung eines hierarchischen Organic Computing Frameworks mit dem Anwendungsgebiet Task-Scheduling. Dieses Framework enthält u.a. ein modifiziertes XCS, für dessen Design und Implementierung ein neuartiger Reward-Mechanismus entwickelt wird. Der Mechanismus bedient sich dabei eines speziell für diesen Zweck entwickelten Simulators zur Berechnung von Task-Ausführungskosten. Das XCS bildet Beschreibungen des Systemzustands auf Gewichte zur Balancierung der Optimierungsziele des Systems ab. Diese Gewichte werden in einer Bewertungsfunktion für List Scheduling-Algorithmen verwendet. Damit wird in einem Evaluationsszenario, welches aus einem fünfmal wiederholten Muster aus Anwendungen besteht, eine Reduzierung der Gesamtlaufzeit um $10,4\,\%$ bzw. $26,7\,s$, des Energieverbrauchs um $4,7\,\%$ bzw. $2061,1\,J$ und der maximalen Temperatur der GPU um $3,6\,\%$ bzw. $2,7 K$ erzielt. Lediglich die maximale Temperatur über alle CPU-Kerne erhöht sich um $6\,\%$ bzw. $2,3\,K$. • Entwicklung von zwei Erweiterungen zur Verbesserung des dynamischen Task-Schedulings für einzelne und mehrere Prozesse, z.B. mehrere Laufzeitsysteminstanzen. Der erste Mechanismus, ein Ageing-Algorithmus, betrachtet nicht sicherheitskritische Systeme, welche Task-Prioritäten verwenden, um die unterschiedliche Bedeutung von Anwendungen darzustellen. Da es in solchen Anwendungsszenarien in Kombination mit hoher Systemauslastung zu Starvation kommen kann, passt der Mechanismus die Task-Prioritäten dynamisch an die aktuelle Auslastung und die Task-Wartezeiten an. Insgesamt erreicht dieser Mechanismus in zwei Bewertungsszenarien eine durchschnittliche Laufzeitverbesserung von $3,75\,\%$ und $3,16\,\%$ bei gleichzeitiger Reduzierung der Durchlaufzeit von Tasks mit niedrigerer Priorität um bis zu $25,67\,\%$. Der zweite Mechanismus ermöglicht die Optimierung von Schedules mehrerer Laufzeitsysteminstanzen, die parallel auf demselben Rechenknoten ausgeführt werden. Dieser Co-Scheduling-Ansatz verwendet Shared Memory zum Austausch von Informationen zwischen den Prozessen und Simulated Annealing zur Berechnung neuer Task-Schedules. In zwei Evaluierungsszenarien erzielt der Mechanismus durchschnittliche Laufzeitverbesserungen von $19,74\,\%$ und $20,91\,\%$ bzw. etwa $2,7\,s$ und $3\,s$

Adaptive Distributed Architectures for Future Semiconductor Technologies.

Year after year semiconductor manufacturing has been able to integrate more components in a single computer chip. These improvements have been possible through systematic shrinking in the size of its basic computational element, the transistor. This trend has allowed computers to progressively become faster, more efficient and less expensive. As this trend continues, experts foresee that current computer designs will face new challenges, in utilizing the minuscule devices made available by future semiconductor technologies. Today's microprocessor designs are not fit to overcome these challenges, since they are constrained by their inability to handle component failures by their lack of adaptability to a wide range of custom modules optimized for specific applications and by their limited design modularity. The focus of this thesis is to develop original computer architectures, that can not only survive these new challenges, but also leverage the vast number of transistors available to unlock better performance and efficiency. The work explores and evaluates new software and hardware techniques to enable the development of novel adaptive and modular computer designs. The thesis first explores an infrastructure to quantitatively assess the fallacies of current systems and their inadequacy to operate on unreliable silicon. In light of these findings, specific solutions are then proposed to strengthen digital system architectures, both through hardware and software techniques. The thesis culminates with the proposal of a radically new architecture design that can fully adapt dynamically to operate on the hardware resources available on chip, however limited or abundant those may be.PHDComputer Science and EngineeringUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttp://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/102405/1/apellegr_1.pd

Software quality and reliability prediction using Dempster -Shafer theory

As software systems are increasingly deployed in mission critical applications, accurate quality and reliability predictions are becoming a necessity. Most accurate prediction models require extensive testing effort, implying increased cost and slowing down the development life cycle. We developed two novel statistical models based on Dempster-Shafer theory, which provide accurate predictions from relatively small data sets of direct and indirect software reliability and quality predictors. The models are flexible enough to incorporate information generated throughout the development life-cycle to improve the prediction accuracy.;Our first contribution is an original algorithm for building Dempster-Shafer Belief Networks using prediction logic. This model has been applied to software quality prediction. We demonstrated that the prediction accuracy of Dempster-Shafer Belief Networks is higher than that achieved by logistic regression, discriminant analysis, random forests, as well as the algorithms in two machine learning software packages, See5 and WEKA. The difference in the performance of the Dempster-Shafer Belief Networks over the other methods is statistically significant.;Our second contribution is also based on a practical extension of Dempster-Shafer theory. The major limitation of the Dempsters rule and other known rules of evidence combination is the inability to handle information coming from correlated sources. Motivated by inherently high correlations between early life-cycle predictors of software reliability, we extended Murphy\u27s rule of combination to account for these correlations. When used as a part of the methodology that fuses various software reliability prediction systems, this rule provided more accurate predictions than previously reported methods. In addition, we proposed an algorithm, which defines the upper and lower bounds of the belief function of the combination results. To demonstrate its generality, we successfully applied it in the design of the Online Safety Monitor, which fuses multiple correlated time varying estimations of convergence of neural network learning in an intelligent flight control system

Fault diagnosis for IP-based network with real-time conditions

BACKGROUND: Fault diagnosis techniques have been based on many paradigms, which derive from diverse areas and have different purposes: obtaining a representation model of the network for fault localization, selecting optimal probe sets for monitoring network devices, reducing fault detection time, and detecting faulty components in the network. Although there are several solutions for diagnosing network faults, there are still challenges to be faced: a fault diagnosis solution needs to always be available and able enough to process data timely, because stale results inhibit the quality and speed of informed decision-making. Also, there is no non-invasive technique to continuously diagnose the network symptoms without leaving the system vulnerable to any failures, nor a resilient technique to the network's dynamic changes, which can cause new failures with different symptoms. AIMS: This thesis aims to propose a model for the continuous and timely diagnosis of IP-based networks faults, independent of the network structure, and based on data analytics techniques. METHOD(S): This research's point of departure was the hypothesis of a fault propagation phenomenon that allows the observation of failure symptoms at a higher network level than the fault origin. Thus, for the model's construction, monitoring data was collected from an extensive campus network in which impact link failures were induced at different instants of time and with different duration. These data correspond to widely used parameters in the actual management of a network. The collected data allowed us to understand the faults' behavior and how they are manifested at a peripheral level. Based on this understanding and a data analytics process, the first three modules of our model, named PALADIN, were proposed (Identify, Collection and Structuring), which define the data collection peripherally and the necessary data pre-processing to obtain the description of the network's state at a given moment. These modules give the model the ability to structure the data considering the delays of the multiple responses that the network delivers to a single monitoring probe and the multiple network interfaces that a peripheral device may have. Thus, a structured data stream is obtained, and it is ready to be analyzed. For this analysis, it was necessary to implement an incremental learning framework that respects networks' dynamic nature. It comprises three elements, an incremental learning algorithm, a data rebalancing strategy, and a concept drift detector. This framework is the fourth module of the PALADIN model named Diagnosis. In order to evaluate the PALADIN model, the Diagnosis module was implemented with 25 different incremental algorithms, ADWIN as concept-drift detector and SMOTE (adapted to streaming scenario) as the rebalancing strategy. On the other hand, a dataset was built through the first modules of the PALADIN model (SOFI dataset), which means that these data are the incoming data stream of the Diagnosis module used to evaluate its performance. The PALADIN Diagnosis module performs an online classification of network failures, so it is a learning model that must be evaluated in a stream context. Prequential evaluation is the most used method to perform this task, so we adopt this process to evaluate the model's performance over time through several stream evaluation metrics. RESULTS: This research first evidences the phenomenon of impact fault propagation, making it possible to detect fault symptoms at a monitored network's peripheral level. It translates into non-invasive monitoring of the network. Second, the PALADIN model is the major contribution in the fault detection context because it covers two aspects. An online learning model to continuously process the network symptoms and detect internal failures. Moreover, the concept-drift detection and rebalance data stream components which make resilience to dynamic network changes possible. Third, it is well known that the amount of available real-world datasets for imbalanced stream classification context is still too small. That number is further reduced for the networking context. The SOFI dataset obtained with the first modules of the PALADIN model contributes to that number and encourages works related to unbalanced data streams and those related to network fault diagnosis. CONCLUSIONS: The proposed model contains the necessary elements for the continuous and timely diagnosis of IPbased network faults; it introduces the idea of periodical monitorization of peripheral network elements and uses data analytics techniques to process it. Based on the analysis, processing, and classification of peripherally collected data, it can be concluded that PALADIN achieves the objective. The results indicate that the peripheral monitorization allows diagnosing faults in the internal network; besides, the diagnosis process needs an incremental learning process, conceptdrift detection elements, and rebalancing strategy. The results of the experiments showed that PALADIN makes it possible to learn from the network manifestations and diagnose internal network failures. The latter was verified with 25 different incremental algorithms, ADWIN as concept-drift detector and SMOTE (adapted to streaming scenario) as the rebalancing strategy. This research clearly illustrates that it is unnecessary to monitor all the internal network elements to detect a network's failures; instead, it is enough to choose the peripheral elements to be monitored. Furthermore, with proper processing of the collected status and traffic descriptors, it is possible to learn from the arriving data using incremental learning in cooperation with data rebalancing and concept drift approaches. This proposal continuously diagnoses the network symptoms without leaving the system vulnerable to failures while being resilient to the network's dynamic changes.Programa de Doctorado en Ciencia y Tecnología Informática por la Universidad Carlos III de MadridPresidente: José Manuel Molina López.- Secretario: Juan Carlos Dueñas López.- Vocal: Juan Manuel Corchado Rodrígue