Placement de tâches dynamique et flexible sur processeur multicoeur asymétrique en fonctionnalités

To meet the increasingly heterogeneous needs of applications (in terms of power and efficiency), this thesis focus on the emerging functionally asymmetric multi-core processor (FAMP) architectures. These architectures are characterized by non-uniform implementation of hardware extensions in the cores (ex. Floating Point Unit (FPU)). The area savings are apparent, but what about the impact in software, energy and performance?To answer these questions, the thesis investigates the nature of the use of extensions in state-of-the-art's applications and compares various existing methods. To optimize the tasks mapping and increase efficiency, the thesis proposes a dynamic solution at scheduler level, called relaxed scheduler.Hardware extensions are valuable because they speed up part of code where the parallelization on multi-core isn't efficient. However, the hardware extensions are under-exploited by applications and their cost in terms of area and power consumption are important.Based on these observations, the following contributions have been proposed:We present a detailed study on the use of vector and FPU extensions in state-of-the-art's applicationsWe compare multiple extension management solutions at different levels of temporal granularity of action, to understand the limitations of these solutions and thus define at which level we must act. Few studies address the issue of the granularity of action to manage extensions.We offer a solution for estimating online performance degradation to run a task on a core without a given extension. To allow the scalability of multi-core, the operating system must have flexibility in the placement of tasks. Placing a task on a core with no extension can have important consequences for energy and performance. But to date, there is no way to estimate this potential degradation.We offer a relaxed scheduler, based on our degradation estimation model, which maps the tasks on a set of heterogeneous cores effectively. We study the flexibility gained and the implications for performance and energy levels. Existing solutions propose methods to map tasks on a heterogeneous set of cores, but they do not study the tradeoff between quality of service and consumption gain for FAMP architectures.Our experiments with simulators have shown that the scheduler can achieve a significantly higher mapping flexibility with a performance degradation of less than 2 %. Compared to a symmetrical multi-core, our solution enables an average energy gain at core level of 11 %. These results are very encouraging and contribute to the development of a comprehensive FAMP platform . This thesis has been the subject of a patent application, three international scientific communications (plus one submission), and contributes to two active european projects.Pour répondre aux besoins de plus en plus hétérogènes des applications (puissance et efficacité énergétique), nous nous intéressons dans cette thèse aux architectures émergentes de type multi-cœur asymétrique en fonctionnalités (FAMP). Ces architectures sont caractérisées par une mise en œuvre non-uniforme des extensions matérielles dans les cœurs (ex. unitée de calculs à virgule flottante (FPU)). Les avantages en surface sont apparents, mais qu'en est-il de l'impact au niveau logiciel, énergétique et performance?Pour répondre à ces questions, la thèse explore la nature de l'utilisation des extensions dans des applications de l'état de l'art et compare différentes méthodes existantes. Pour optimiser le placement de tâches et ainsi augmenter l'efficacité, la thèse propose une solution dynamique au niveau ordonnanceur, appelée ordonnanceur relaxé.Les extensions matérielles sont intéressantes car elles permettent des accélérations difficilement atteignables par la parallélisation sur un multi-cœur. Néanmoins, leurs utilisations par les applications sont faibles et leur coût en termes de surface et consommation énergétique sont importants.En se basant sur ces observations, les points suivants ont été développés:Nous présentons une étude approfondie sur l'utilisation de l'extension vectorielle et FPU dans des applications de l'état de l'artNous comparons plusieurs solutions de gestion des extensions à différent niveaux de granularité temporelle d'action pour comprendre les limites de ces solutions et ainsi définir à quel niveau il faut agir. Peu d'études traitent la question de la granularité d'action pour gérer les extensions.Nous proposons une solution pour estimer en ligne la dégradation de performance à exécuter une tâche sur un cœur sans extension. Afin de permettre la mise à l'échelle des multi-cœurs, le système d'exploitation doit avoir de la flexibilité dans le placement de tâches. Placer une tâche sur un cœur sans extension peut avoir d'importantes conséquences en énergie et en performance. Or à ce jour, il n'existe pas de solution pour estimer cette potentielle dégradation.Nous proposons un ordonnanceur relaxé, basé notre modèle d'estimation de dégradation, qui place les tâches sur un ensemble de cœurs hétérogènes de manière efficace. Nous étudions la flexibilité gagnée ainsi que les conséquences aux niveaux performances et énergie.Les solutions existantes proposent des méthodes pour placer les tâches sur un ensemble de cœurs hétérogènes, or, celles-ci n'étudient pas le compromis entre qualité de service et gain en consommation pour les architectures FAMP.Nos expériences sur simulateur ont montré que l'ordonnanceur peut atteindre une flexibilité de placement significative avec une dégradation en performance de moins de 2%. Comparé à un multi-cœur symétrique, notre solution permet un gain énergétique moyen au niveau cœur de 11 %. Ces résultats sont très encourageant et contribuent au développement d'une plateforme complète FAMP. Cette thèse a fait l'objet d'un dépôt de brevet, de trois communications scientifiques internationales (plus une en soumission), et a contribué à deux projets européens

Hardware thread scheduling algorithms for single-ISA asymmetric CMPs

Through the past several decades, based on the Moore's law, the semiconductor industry was doubling the number of transistors on the single chip roughly every eighteen months. For a long time this continuous increase in transistor budget drove the increase in performance as the processors continued to exploit the instruction level parallelism (ILP) of the sequential programs. This pattern hit the wall in the early years of the twentieth century when designing larger and more complex cores became difficult because of the power and complexity reasons. Computer architects responded by integrating many cores on the same die thereby creating Chip Multicore Processors (CMP). In the last decade, the computing technology experienced tremendous developments, Chip Multiprocessors (CMP) expanded from the symmetric and homogeneous to the asymmetric or heterogeneous Multiprocessors. Having cores of different types in a single processor enables optimizing performance, power and energy efficiency for a wider range of workloads. It enables chip designers to employ specialization (that is, we can use each type of core for the type of computation where it delivers the best performance/energy trade-off). The benefits of Asymmetric Chip Multiprocessors (ACMP) are intuitive as it is well known that different workloads have different resource requirements. The CMPs improve the performance of applications by exploiting the Thread Level Parallelism (TLP). Parallel applications relying on multiple threads must be efficiently managed and dispatched for execution if the parallelism is to be properly exploited. Since more and more applications become multi-threaded we expect to find a growing number of threads executing on a machine. Consequently, the operating system will require increasingly larger amounts of CPU time to schedule these threads efficiently. Thus, dynamic thread scheduling techniques are of paramount importance in ACMP designs since they can make or break performance benefits derived from the asymmetric hardware or parallel software. Several thread scheduling methods have been proposed and applied to ACMPs. In this thesis, we first study the state of the art thread scheduling techniques and identify the main reasons limiting the thread level parallelism in an ACMP systems. We propose three novel approaches to schedule and manage threads and exploit thread level parallelism implemented in hardware, instead of perpetuating the trend of performing more complex thread scheduling in the operating system. Our first goal is to improve the performance of an ACMP systems by improving thread scheduling at the hardware level. We also show that the hardware thread scheduling reduces the energy consumption of an ACMP systems by allowing better utilization of the underlying hardware.A través de las últimas décadas, con base en la ley de Moore, la industria de semiconductores duplica el número de transistores en el chip alrededor de una vez cada dieciocho meses. Durante mucho tiempo, este aumento continuo en el número de transistores impulsó el aumento en el rendimiento de los procesadores solo explotando el paralelismo a nivel de instrucción (ILP) y el aumento de la frecuencia de los procesadores, permitiendo un aumento del rendimiento de los programas secuenciales. Este patrón llego a su limite en los primeros años del siglo XX, cuando el diseño de procesadores más grandes y complejos se convirtió en una tareá difícil debido a las debido al consumo requerido. La respuesta a este problema por parte de los arquitectos fue la integración de muchos núcleos en el mismo chip creando así chip multinúcleo Procesadores (CMP). En la última década, la tecnología de la computación experimentado enormes avances, sobre todo el en chip multiprocesadores (CMP) donde se ha pasado de diseños simetricos y homogeneous a sistemas asimétricos y heterogeneous. Tener núcleos de diferentes tipos en un solo procesador permite optimizar el rendimiento, la potencia y la eficiencia energética para una amplia gama de cargas de trabajo. Permite a los diseñadores de chips emplear especialización (es decir, podemos utilizar un tipo de núcleo diferente para distintos tipos de cálculo dependiendo del trade-off respecto del consumo y rendimiento). Los beneficios de la asimétrica chip multiprocesadores (ACMP) son intuitivos, ya que es bien sabido que diferentes cargas de trabajo tienen diferentes necesidades de recursos. Los CMP mejoran el rendimiento de las aplicaciones mediante la explotación del paralelismo a nivel de hilo (TLP). En las aplicaciones paralelas que dependen de múltiples hilos, estos deben ser manejados y enviados para su ejecución, y el paralelismo se debe explotar de manera eficiente. Cada día hay mas aplicaciones multi-hilo, por lo tanto encotraremos un numero mayor de hilos que se estaran ejecutando en la máquina. En consecuencia, el sistema operativo requerirá cantidades cada vez mayores de tiempo de CPU para organizar y ejecutar estos hilos de manera eficiente. Por lo tanto, las técnicas de optimizacion dinámica para la organizacion de la ejecucion de hilos son de suma importancia en los diseños ACMP ya que pueden incrementar o dsiminuir el rendimiento del hardware asimétrico o del software paralelo. Se han propuesto y aplicado a ACMPs varios métodos de organizar y ejecutar los hilos. En esta tesis, primero estudiamos el estado del arte en las técnicas para la gestionar la ejecucion de los hilos y hemos identificado las principales razones que limitan el paralelismo en sistemas ACMP. Proponemos tres nuevos enfoques para programar y gestionar los hilos y explotar el paralelismo a nivel de hardware, en lugar de perpetuar la tendencia actual de dejar esta gestion cada vez maas compleja al sistema operativo. Nuestro primer objetivo es mejorar el rendimiento de un sistema ACMP mediante la mejora en la gestion de los hilos a nivel de hardware. También mostramos que la gestion del los hilos a nivel de hardware reduce el consumo de energía de un sistemas de ACMP al permitir una mejor utilización del hardware subyacente

Improving heterogeneous system efficiency : architecture, scheduling, and machine learning

Computer architects are beginning to embrace heterogeneous systems as an effective method to utilize increases in transistor densities for executing a diverse range of workloads under varying performance and energy constraints. As heterogeneous systems become more ubiquitous, architects will need to develop novel CPU scheduling techniques capable of exploiting the diversity of computational resources. In recognizing hardware diversity, state-of-the-art heterogeneous schedulers are able to produce significant performance improvements over their predecessors and enable more flexible system designs. Nearly all of these, however, are unable to efficiently identify the mapping schemes which will result in the highest system performance. Accurately estimating the performance of applications on different heterogeneous resources can provide a significant advantage to heterogeneous schedulers for identifying a performance maximizing mapping scheme to improve system performance. Recent advances in machine learning techniques including artificial neural networks have led to the development of powerful and practical prediction models for a variety of fields. As of yet, however, no significant leaps have been taken towards employing machine learning for heterogeneous scheduling in order to maximize system throughput. The core issue we approach is how to understand and utilize the rise of heterogeneous architectures, benefits of heterogeneous scheduling, and the promise of machine learning techniques with respect to maximizing system performance. We present studies that promote a future computing model capable of supporting massive hardware diversity, discuss the constraints faced by heterogeneous designers, explore the advantages and shortcomings of conventional heterogeneous schedulers, and pioneer applying machine learning to optimize mapping and system throughput. The goal of this thesis is to highlight the importance of efficiently exploiting heterogeneity and to validate the opportunities that machine learning can offer for various areas in computer architecture.Arquitectos de computadores estan empesando a diseñar systemas heterogeneos como una manera efficiente de usar los incrementos en densidades de transistors para ejecutar una gran diversidad de programas corriendo debajo de differentes condiciones y requisitos de energia y rendimiento (performance). En cuanto los sistemas heterogeneos van ganando popularidad de uso, arquitectos van a necesitar a diseñar nuevas formas de hacer el scheduling de las applicaciones en los cores distintos de los CPUs. Schedulers nuevos que tienen en cuenta la heterogeniedad de los recursos en el hardware logran importantes beneficios en terminos de rendimiento en comparacion con schedulers hecho para sistemas homogenios. Pero, casi todos de estos schedulers heterogeneos no son capaz de poder identificar la esquema de mapping que produce el rendimiento maximo dado el estado de los cores y las applicaciones. Estimando con precision el rendimiento de los programas ejecutando sobre diferentes cores de un CPU es un a gran ventaja para poder identificar el mapping para lograr el mejor rendimiento posible para el proximo scheduling quantum. Desarollos nuevos en la area de machine learning, como redes neurales, han producido predictores muy potentes y con gran precision in disciplinas numerosas. Pero en estos momentos, la aplicacion de metodos de machine learning no se han casi explorados para poder mejorar la eficiencia de los CPUs y menos para mejorar los schedulers para sistemas heterogeneos. El tema de enfoque en esta tesis es como poder entender y utilizar los sistemas heterogeneos, los beneficios de scheduling para estos sistemas, y como aprovechar las promesas de los metodos de machine learning con respeto a maximizer el redimiento de el Sistema. Presentamos estudios que dan una esquema para un modelo de computacion para el futuro capaz de dar suporte a recursos heterogeneos en gran escala, discutimos las restricciones enfrentados por diseñadores de sistemas heterogeneos, exploramos las ventajas y desventajas de las ultimas schedulers heterogeneos, y abrimos el camino de usar metodos de machine learning para optimizer el mapping y rendimiento de un sistema heterogeneo. El objetivo de esta tesis es destacar la imporancia de explotando eficientemente la heterogenidad de los recursos y tambien validar las oportunidades para mejorar la eficiencia en diferente areas de arquitectura de computadoras que pueden ser realizadas gracias a machine learning.Postprint (published version

Adapting TDMA arbitration for measurement-based probabilistic timing analysis

Critical Real-Time Embedded Systems require functional and timing validation to prove that they will perform their functionalities correctly and in time. For timing validation, a bound to the Worst-Case Execution Time (WCET) for each task is derived and passed as an input to the scheduling algorithm to ensure that tasks execute timely. Bounds to WCET can be derived with deterministic timing analysis (DTA) and probabilistic timing analysis (PTA), each of which relies upon certain predictability properties coming from the hardware/software platform beneath. In particular, specific hardware designs are needed for both DTA and PTA, which challenges their adoption by hardware vendors. This paper makes a step towards reconciling the hardware needs of DTA and PTA timing analyses to increase the likelihood of those hardware designs to be adopted by hardware vendors. In particular, we show how Time Division Multiple Access (TDMA), which has been regarded as one of the main DTA-compliant arbitration policies, can be used in the context of PTA and, in particular, of the industrially-friendly Measurement-Based PTA (MBPTA). We show how the execution time measurements taken as input for MBPTA need to be padded to obtain reliable and tight WCET estimates on top of TDMA-arbitrated hardware resources with no further hardware support. Our results show that TDMA delivers tighter WCET estimates than MBPTA-friendly arbitration policies, whereas MBPTA-friendly policies provide higher average performance. Thus, the best policy to choose depends on the particular needs of the end user.The research leading to these results has been funded by the EU FP7 under grant agreement no. 611085 (PROXIMA) and 287519 (parMERASA). This work has also been partially supported by the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness (MINECO) under grant TIN2015-65316-P and the HiPEAC Network of Excellence. Miloˇs Pani´c is funded by the Spanish Ministry of Education under the FPU grant FPU12/05966. Jaume Abella has been partially supported by the MINECO under Ramon y Cajal postdoctoral fellowship number RYC-2013-14717.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

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

Performance and power optimizations in chip multiprocessors for throughput-aware computation

The so-called "power (or power density) wall" has caused core frequency (and single-thread performance) to slow down, giving rise to the era of multi-core/multi-thread processors. For example, the IBM POWER4 processor, released in 2001, incorporated two single-thread cores into the same chip. In 2010, IBM released the POWER7 processor with eight 4-thread cores in the same chip, for a total capacity of 32 execution contexts. The ever increasing number of cores and threads gives rise to new opportunities and challenges for software and hardware architects. At software level, applications can benefit from the abundant number of execution contexts to boost throughput. But this challenges programmers to create highly-parallel applications and operating systems capable of scheduling them correctly. At hardware level, the increasing core and thread count puts pressure on the memory interface, because memory bandwidth grows at a slower pace ---phenomenon known as the "bandwidth (or memory) wall". In addition to memory bandwidth issues, chip power consumption rises due to manufacturers' difficulty to lower operating voltages sufficiently every processor generation. This thesis presents innovations to improve bandwidth and power consumption in chip multiprocessors (CMPs) for throughput-aware computation: a bandwidth-optimized last-level cache (LLC), a bandwidth-optimized vector register file, and a power/performance-aware thread placement heuristic. In contrast to state-of-the-art LLC designs, our organization avoids data replication and, hence, does not require keeping data coherent. Instead, the address space is statically distributed all over the LLC (in a fine-grained interleaving fashion). The absence of data replication increases the cache effective capacity, which results in better hit rates and higher bandwidth compared to a coherent LLC. We use double buffering to hide the extra access latency due to the lack of data replication. The proposed vector register file is composed of thousands of registers and organized as an aggregation of banks. We leverage such organization to attach small special-function "local computation elements" (LCEs) to each bank. This approach ---referred to as the "processor-in-regfile" (PIR) strategy--- overcomes the limited number of register file ports. Because each LCE is a SIMD computation element and all of them can proceed concurrently, the PIR strategy constitutes a highly-parallel super-wide-SIMD device (ideal for throughput-aware computation). Finally, we present a heuristic to reduce chip power consumption by dynamically placing software (application) threads across hardware (physical) threads. The heuristic gathers chip-level power and performance information at runtime to infer characteristics of the applications being executed. For example, if an application's threads share data, the heuristic may decide to place them in fewer cores to favor inter-thread data sharing and communication. In such case, the number of active cores decreases, which is a good opportunity to switch off the unused cores to save power. It is increasingly harder to find bulletproof (micro-)architectural solutions for the bandwidth and power scalability limitations in CMPs. Consequently, we think that architects should attack those problems from different flanks simultaneously, with complementary innovations. This thesis contributes with a battery of solutions to alleviate those problems in the context of throughput-aware computation: 1) proposing a bandwidth-optimized LLC; 2) proposing a bandwidth-optimized register file organization; and 3) proposing a simple technique to improve power-performance efficiency.El excesivo consumo de potencia de los procesadores actuales ha desacelerado el incremento en la frecuencia operativa de los mismos para dar lugar a la era de los procesadores con múltiples núcleos y múltiples hilos de ejecución. Por ejemplo, el procesador POWER7 de IBM, lanzado al mercado en 2010, incorpora ocho núcleos en el mismo chip, con cuatro hilos de ejecución por núcleo. Esto da lugar a nuevas oportunidades y desafíos para los arquitectos de software y hardware. A nivel de software, las aplicaciones pueden beneficiarse del abundante número de núcleos e hilos de ejecución para aumentar el rendimiento. Pero esto obliga a los programadores a crear aplicaciones altamente paralelas y sistemas operativos capaces de planificar correctamente la ejecución de las mismas. A nivel de hardware, el creciente número de núcleos e hilos de ejecución ejerce presión sobre la interfaz de memoria, ya que el ancho de banda de memoria crece a un ritmo más lento. Además de los problemas de ancho de banda de memoria, el consumo de energía del chip se eleva debido a la dificultad de los fabricantes para reducir suficientemente los voltajes de operación entre generaciones de procesadores. Esta tesis presenta innovaciones para mejorar el ancho de banda y consumo de energía en procesadores multinúcleo en el ámbito de la computación orientada a rendimiento ("throughput-aware computation"): una memoria caché de último nivel ("last-level cache" o LLC) optimizada para ancho de banda, un banco de registros vectorial optimizado para ancho de banda, y una heurística para planificar la ejecución de aplicaciones paralelas orientada a mejorar la eficiencia del consumo de potencia y desempeño. En contraste con los diseños de LLC de última generación, nuestra organización evita la duplicación de datos y, por tanto, no requiere de técnicas de coherencia. El espacio de direcciones de memoria se distribuye estáticamente en la LLC con un entrelazado de grano fino. La ausencia de replicación de datos aumenta la capacidad efectiva de la memoria caché, lo que se traduce en mejores tasas de acierto y mayor ancho de banda en comparación con una LLC coherente. Utilizamos la técnica de "doble buffering" para ocultar la latencia adicional necesaria para acceder a datos remotos. El banco de registros vectorial propuesto se compone de miles de registros y se organiza como una agregación de bancos. Incorporamos a cada banco una pequeña unidad de cómputo de propósito especial ("local computation element" o LCE). Este enfoque ---que llamamos "computación en banco de registros"--- permite superar el número limitado de puertos en el banco de registros. Debido a que cada LCE es una unidad de cómputo con soporte SIMD ("single instruction, multiple data") y todas ellas pueden proceder de forma concurrente, la estrategia de "computación en banco de registros" constituye un dispositivo SIMD altamente paralelo. Por último, presentamos una heurística para planificar la ejecución de aplicaciones paralelas orientada a reducir el consumo de energía del chip, colocando dinámicamente los hilos de ejecución a nivel de software entre los hilos de ejecución a nivel de hardware. La heurística obtiene, en tiempo de ejecución, información de consumo de potencia y desempeño del chip para inferir las características de las aplicaciones. Por ejemplo, si los hilos de ejecución a nivel de software comparten datos significativamente, la heurística puede decidir colocarlos en un menor número de núcleos para favorecer el intercambio de datos entre ellos. En tal caso, los núcleos no utilizados se pueden apagar para ahorrar energía. Cada vez es más difícil encontrar soluciones de arquitectura "a prueba de balas" para resolver las limitaciones de escalabilidad de los procesadores actuales. En consecuencia, creemos que los arquitectos deben atacar dichos problemas desde diferentes flancos simultáneamente, con innovaciones complementarias

Architectural-Physical Co-Design of 3D CPUs with Micro-Fluidic Cooling

The performance, energy efficiency and cost improvements due to traditional technology scaling have begun to slow down and present diminishing returns. Underlying reasons for this trend include fundamental physical limits of transistor scaling, the growing significance of quantum effects as transistors shrink, and a growing mismatch between transistors and interconnects regarding size, speed and power. Continued Moore's Law scaling will not come from technology scaling alone, and must involve improvements to design tools and development of new disruptive technologies such as 3D integration. 3D integration presents potential improvements to interconnect power and delay by translating the routing problem into a third dimension, and facilitates transistor density scaling independent of technology node. Furthermore, 3D IC technology opens up a new architectural design space of heterogeneously-integrated high-bandwidth CPUs. Vertical integration promises to provide the CPU architectures of the future by integrating high performance processors with on-chip high-bandwidth memory systems and highly connected network-on-chip structures. Such techniques can overcome the well-known CPU performance bottlenecks referred to as memory and communication wall. However the promising improvements to performance and energy efficiency offered by 3D CPUs does not come without cost, both in the financial investments to develop the technology, and the increased complexity of design. Two main limitations to 3D IC technology have been heat removal and TSV reliability. Transistor stacking creates increases in power density, current density and thermal resistance in air cooled packages. Furthermore the technology introduces vertical through silicon vias (TSVs) that create new points of failure in the chip and require development of new BEOL technologies. Although these issues can be controlled to some extent using thermal-reliability aware physical and architectural 3D design techniques, high performance embedded cooling schemes, such as micro-fluidic (MF) cooling, are fundamentally necessary to unlock the true potential of 3D ICs. A new paradigm is being put forth which integrates the computational, electrical, physical, thermal and reliability views of a system. The unification of these diverse aspects of integrated circuits is called Co-Design. Independent design and optimization of each aspect leads to sub-optimal designs due to a lack of understanding of cross-domain interactions and their impacts on the feasibility region of the architectural design space. Co-Design enables optimization across layers with a multi-domain view and thus unlocks new high-performance and energy efficient configurations. Although the co-design paradigm is becoming increasingly necessary in all fields of IC design, it is even more critical in 3D ICs where, as we show, the inter-layer coupling and higher degree of connectivity between components exacerbates the interdependence between architectural parameters, physical design parameters and the multitude of metrics of interest to the designer (i.e. power, performance, temperature and reliability). In this dissertation we present a framework for multi-domain co-simulation and co-optimization of 3D CPU architectures with both air and MF cooling solutions. Finally we propose an approach for design space exploration and modeling within the new Co-Design paradigm, and discuss the possible avenues for improvement of this work in the future

A Hardware and Software Integrated Approach for Adaptive Thread Management in Multicore Multithreaded Microprocessors

The Multicore Multithreaded Microprocessor maximizes parallelism on a chip for the optimal system performance, such that its popularity is growing rapidly in high-performance computing. It increases the complexity in resource distribution on a chip by leading it to two directions: isolation and unification. On one hand, multiple cores are implemented to deliver the computation and memory accessing resources to more than one thread at the same time. Nevertheless, it limits the threads’ access to resources in different cores, even if extensively demanded. On the other hand, simultaneous multithreaded architectures unify the domestic execu- tion resources together for concurrently running threads. In such an environment, threads are greatly affected by the inter-thread interference. Moreover, the impacts of the complicated distribution are enlarged by variation in workload behaviors. As a result, the microprocessor requires an adaptive management scheme to schedule threads throughout different cores and coordinate them within cores. In this study, an adaptive thread management scheme was proposed, integrating both hardware and software approaches. The instruction fetch policy at the hardware level took the responsibility by prioritizing domestic threads, while the Operating System scheduler at the software level was used to pair threads dynami- vi cally to multiple cores. The tie between them was the proposed online linear model, which was dynamically constructed for every thread based on data misses by the regression algorithm. Consequently, the hardware part of the proposed scheme proactively granted higher priority to the threads with less predicted long-latency loads, expecting they would better utilize the shared execution resources. Mean- while, the software part was invoked by such a model upon significant changes in the execution phases and paired threads with different demands to the same core to minimize competition on the chip. The proposed scheme was compared to its peer designs and overall 43% speedup was achieved by the integrated approach over the combination of two baseline policies in hardware and software, respectively. The overhead was examined carefully regarding power, area, storage and latency, as well as the relationship between the overhead and the performance