Computer Aided Verification

The open access two-volume set LNCS 11561 and 11562 constitutes the refereed proceedings of the 31st International Conference on Computer Aided Verification, CAV 2019, held in New York City, USA, in July 2019. The 52 full papers presented together with 13 tool papers and 2 case studies, were carefully reviewed and selected from 258 submissions. The papers were organized in the following topical sections: Part I: automata and timed systems; security and hyperproperties; synthesis; model checking; cyber-physical systems and machine learning; probabilistic systems, runtime techniques; dynamical, hybrid, and reactive systems; Part II: logics, decision procedures; and solvers; numerical programs; verification; distributed systems and networks; verification and invariants; and concurrency

Computer Aided Verification

The open access two-volume set LNCS 11561 and 11562 constitutes the refereed proceedings of the 31st International Conference on Computer Aided Verification, CAV 2019, held in New York City, USA, in July 2019. The 52 full papers presented together with 13 tool papers and 2 case studies, were carefully reviewed and selected from 258 submissions. The papers were organized in the following topical sections: Part I: automata and timed systems; security and hyperproperties; synthesis; model checking; cyber-physical systems and machine learning; probabilistic systems, runtime techniques; dynamical, hybrid, and reactive systems; Part II: logics, decision procedures; and solvers; numerical programs; verification; distributed systems and networks; verification and invariants; and concurrency

Modular Architectures And Optimization Techniques For Power And Reliability In Future Many Core Microprocessors

Power and reliability issues are expected to increase in future multicore systems with a higher degree of component integration. As the feature sizes of transistors continue to shrink, more resources can be incorporated in microprocessors to address a broader spectrum of different application requirements. However, power constraints will limit the amount of resources that can be powered on at any given time. Recent studies have shown that future multicore systems will be able to power on less than 80% of their transistors in the near future, and less than 50% in the long term. The most difficult challenge is deciding which transistors should be powered on at any given time to deliver high performance under strict power constraints. At the same time, device reliability issues - the proliferation of devices that will either be defective at manufacturing time or will fail in the field with usage - are projected to be exacerbated by the continued scaling of device sizes. We present a modular, dynamically reconfigurable architecture as a promising unified solution to the problems of dark silicon (the inability to power all available computing resources) and reliability. Our modular architecture implements deconfigurable lanes within the decoupled sections of a superscalar pipeline that can be easily powered on or off to isolate faults or create an energy-efficient hardware configuration tailored to the needs of the running software. At the system level, we propose a novel framework that uses surrogate response surfaces and heuristic global optimization algorithms to characterize the behavior of applications at runtime and dynamically redistribute the available chip-wide power to obtain hardware configurations customized for the software diversity and system goals. Our reconfigurable architecture is able to provide high performance under a strict power budget, maintain a certain performance level at a reduced power cost, and in the case of hard faults, restore the system's performance to pre-fault levels

Communication-Efficient Probabilistic Algorithms: Selection, Sampling, and Checking

Diese Dissertation behandelt drei grundlegende Klassen von Problemen in Big-Data-Systemen, für die wir kommunikationseffiziente probabilistische Algorithmen entwickeln. Im ersten Teil betrachten wir verschiedene Selektionsprobleme, im zweiten Teil das Ziehen gewichteter Stichproben (Weighted Sampling) und im dritten Teil die probabilistische Korrektheitsprüfung von Basisoperationen in Big-Data-Frameworks (Checking). Diese Arbeit ist durch einen wachsenden Bedarf an Kommunikationseffizienz motiviert, der daher rührt, dass der auf das Netzwerk und seine Nutzung zurückzuführende Anteil sowohl der Anschaffungskosten als auch des Energieverbrauchs von Supercomputern und der Laufzeit verteilter Anwendungen immer weiter wächst. Überraschend wenige kommunikationseffiziente Algorithmen sind für grundlegende Big-Data-Probleme bekannt. In dieser Arbeit schließen wir einige dieser Lücken. Zunächst betrachten wir verschiedene Selektionsprobleme, beginnend mit der verteilten Version des klassischen Selektionsproblems, d. h. dem Auffinden des Elements von Rang $k$ in einer großen verteilten Eingabe. Wir zeigen, wie dieses Problem kommunikationseffizient gelöst werden kann, ohne anzunehmen, dass die Elemente der Eingabe zufällig verteilt seien. Hierzu ersetzen wir die Methode zur Pivotwahl in einem schon lange bekannten Algorithmus und zeigen, dass dies hinreichend ist. Anschließend zeigen wir, dass die Selektion aus lokal sortierten Folgen – multisequence selection – wesentlich schneller lösbar ist, wenn der genaue Rang des Ausgabeelements in einem gewissen Bereich variieren darf. Dies benutzen wir anschließend, um eine verteilte Prioritätswarteschlange mit Bulk-Operationen zu konstruieren. Später werden wir diese verwenden, um gewichtete Stichproben aus Datenströmen zu ziehen (Reservoir Sampling). Schließlich betrachten wir das Problem, die global häufigsten Objekte sowie die, deren zugehörige Werte die größten Summen ergeben, mit einem stichprobenbasierten Ansatz zu identifizieren. Im Kapitel über gewichtete Stichproben werden zunächst neue Konstruktionsalgorithmen für eine klassische Datenstruktur für dieses Problem, sogenannte Alias-Tabellen, vorgestellt. Zu Beginn stellen wir den ersten Linearzeit-Konstruktionsalgorithmus für diese Datenstruktur vor, der mit konstant viel Zusatzspeicher auskommt. Anschließend parallelisieren wir diesen Algorithmus für Shared Memory und erhalten so den ersten parallelen Konstruktionsalgorithmus für Aliastabellen. Hiernach zeigen wir, wie das Problem für verteilte Systeme mit einem zweistufigen Algorithmus angegangen werden kann. Anschließend stellen wir einen ausgabesensitiven Algorithmus für gewichtete Stichproben mit Zurücklegen vor. Ausgabesensitiv bedeutet, dass die Laufzeit des Algorithmus sich auf die Anzahl der eindeutigen Elemente in der Ausgabe bezieht und nicht auf die Größe der Stichprobe. Dieser Algorithmus kann sowohl sequentiell als auch auf Shared-Memory-Maschinen und verteilten Systemen eingesetzt werden und ist der erste derartige Algorithmus in allen drei Kategorien. Wir passen ihn anschließend an das Ziehen gewichteter Stichproben ohne Zurücklegen an, indem wir ihn mit einem Schätzer für die Anzahl der eindeutigen Elemente in einer Stichprobe mit Zurücklegen kombinieren. Poisson-Sampling, eine Verallgemeinerung des Bernoulli-Sampling auf gewichtete Elemente, kann auf ganzzahlige Sortierung zurückgeführt werden, und wir zeigen, wie ein bestehender Ansatz parallelisiert werden kann. Für das Sampling aus Datenströmen passen wir einen sequentiellen Algorithmus an und zeigen, wie er in einem Mini-Batch-Modell unter Verwendung unserer im Selektionskapitel eingeführten Bulk-Prioritätswarteschlange parallelisiert werden kann. Das Kapitel endet mit einer ausführlichen Evaluierung unserer Aliastabellen-Konstruktionsalgorithmen, unseres ausgabesensitiven Algorithmus für gewichtete Stichproben mit Zurücklegen und unseres Algorithmus für gewichtetes Reservoir-Sampling. Um die Korrektheit verteilter Algorithmen probabilistisch zu verifizieren, schlagen wir Checker für grundlegende Operationen von Big-Data-Frameworks vor. Wir zeigen, dass die Überprüfung zahlreicher Operationen auf zwei „Kern“-Checker reduziert werden kann, nämlich die Prüfung von Aggregationen und ob eine Folge eine Permutation einer anderen Folge ist. Während mehrere Ansätze für letzteres Problem seit geraumer Zeit bekannt sind und sich auch einfach parallelisieren lassen, ist unser Summenaggregations-Checker eine neuartige Anwendung der gleichen Datenstruktur, die auch zählenden Bloom-Filtern und dem Count-Min-Sketch zugrunde liegt. Wir haben beide Checker in Thrill, einem Big-Data-Framework, implementiert. Experimente mit absichtlich herbeigeführten Fehlern bestätigen die von unserer theoretischen Analyse vorhergesagte Erkennungsgenauigkeit. Dies gilt selbst dann, wenn wir häufig verwendete schnelle Hash-Funktionen mit in der Theorie suboptimalen Eigenschaften verwenden. Skalierungsexperimente auf einem Supercomputer zeigen, dass unsere Checker nur sehr geringen Laufzeit-Overhead haben, welcher im Bereich von $2\,\%$ liegt und dabei die Korrektheit des Ergebnisses nahezu garantiert wird

EXTRACTION AND PREDICTION OF SYSTEM PROPERTIES USING VARIABLE-N-GRAM MODELING AND COMPRESSIVE HASHING

In modern computer systems, memory accesses and power management are the two major performance limiting factors. Accesses to main memory are very slow when compared to operations within a processor chip. Hardware write buffers, caches, out-of-order execution, and prefetch logic, are commonly used to reduce the time spent waiting for main memory accesses. Compiler loop interchange and data layout transformations also can help. Unfortunately, large data structures often have access patterns for which none of the standard approaches are useful. Using smaller data structures can significantly improve performance by allowing the data to reside in higher levels of the memory hierarchy. This dissertation proposes using lossy data compression technology called ’Compressive Hashing’ to create “surrogates”, that can augment original large data structures to yield faster typical data access. One way to optimize system performance for power consumption is to provide a predictive control of system-level energy use. This dissertation creates a novel instruction-level cost model called the variable-n-gram model, which is closely related to N-Gram analysis commonly used in computational linguistics. This model does not require direct knowledge of complex architectural details, and is capable of determining performance relationships between instructions from an execution trace. Experimental measurements are used to derive a context-sensitive model for performance of each type of instruction in the context of an N-instruction sequence. Dynamic runtime power prediction mechanisms often suffer from high overhead costs. To reduce the overhead, this dissertation encodes the static instruction-level predictions into a data structure and uses compressive hashing to provide on-demand runtime access to those predictions. Genetic programming is used to evolve compressive hash functions and performance analysis of applications shows that, runtime access overhead can be reduced by a factor of ~3x-9x

Tractable stochastic analysis in high dimensions via robust optimization

Thesis (Ph. D.)--Massachusetts Institute of Technology, Sloan School of Management, Operations Research Center, 2013.Cataloged from PDF version of thesis.Includes bibliographical references (pages 201-207).Modern probability theory, whose foundation is based on the axioms set forth by Kolmogorov, is currently the major tool for performance analysis in stochastic systems. While it offers insights in understanding such systems, probability theory, in contrast to optimization, has not been developed with computational tractability as an objective when the dimension increases. Correspondingly, some of its major areas of application remain unsolved when the underlying systems become multidimensional: Queueing networks, auction design in multi-item, multi-bidder auctions, network information theory, pricing multi-dimensional financial contracts, among others. We propose a new approach to analyze stochastic systems based on robust optimization. The key idea is to replace the Kolmogorov axioms and the concept of random variables as primitives of probability theory, with uncertainty sets that are derived from some of the asymptotic implications of probability theory like the central limit theorem. In addition, we observe that several desired system properties such as incentive compatibility and individual rationality in auction design and correct decoding in information theory are naturally expressed in the language of robust optimization. In this way, the performance analysis questions become highly structured optimization problems (linear, semidefinite, mixed integer) for which there exist efficient, practical algorithms that are capable of solving problems in high dimensions. We demonstrate that the proposed approach achieves computationally tractable methods for (a) analyzing queueing networks (Chapter 2) (b) designing multi-item, multi-bidder auctions with budget constraints, (Chapter 3) (c) characterizing the capacity region and designing optimal coding and decoding methods in multi-sender, multi-receiver communication channels (Chapter 4).by Chaithanya Bandi.Ph.D