Doctor of Philosophy

dissertationWith the explosion of chip transistor counts, the semiconductor industry has struggled with ways to continue scaling computing performance in line with historical trends. In recent years, the de facto solution to utilize excess transistors has been to increase the size of the on-chip data cache, allowing fast access to an increased portion of main memory. These large caches allowed the continued scaling of single thread performance, which had not yet reached the limit of instruction level parallelism (ILP). As we approach the potential limits of parallelism within a single threaded application, new approaches such as chip multiprocessors (CMP) have become popular for scaling performance utilizing thread level parallelism (TLP). This dissertation identifies the operating system as a ubiquitous area where single threaded performance and multithreaded performance have often been ignored by computer architects. We propose that novel hardware and OS co-design has the potential to significantly improve current chip multiprocessor designs, enabling increased performance and improved power efficiency. We show that the operating system contributes a nontrivial overhead to even the most computationally intense workloads and that this OS contribution grows to a significant fraction of total instructions when executing several common applications found in the datacenter. We demonstrate that architectural improvements have had little to no effect on the performance of the OS over the last 15 years, leaving ample room for improvements. We specifically consider three potential solutions to improve OS execution on modern processors. First, we consider the potential of a separate operating system processor (OSP) operating concurrently with general purpose processors (GPP) in a chip multiprocessor organization, with several specialized structures acting as efficient conduits between these processors. Second, we consider the potential of segregating existing caching structures to decrease cache interference between the OS and application. Third, we propose that there are components within the OS itself that should be refactored to be both multithreaded and cache topology aware, which in turn, improves the performance and scalability of many-threaded applications

Doctor of Philosophy

dissertationIn recent years, a number of trends have started to emerge, both in microprocessor and application characteristics. As per Moore's law, the number of cores on chip will keep doubling every 18-24 months. International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS) reports that wires will continue to scale poorly, exacerbating the cost of on-chip communication. Cores will have to navigate an on-chip network to access data that may be scattered across many cache banks. The number of pins on the package, and hence available off-chip bandwidth, will at best increase at sublinear rate and at worst, stagnate. A number of disruptive memory technologies, e.g., phase change memory (PCM) have begun to emerge and will be integrated into the memory hierarchy sooner than later, leading to non-uniform memory access (NUMA) hierarchies. This will make the cost of accessing main memory even higher. In previous years, most of the focus has been on deciding the memory hierarchy level where data must be placed (L1 or L2 caches, main memory, disk, etc.). However, in modern and future generations, each level is getting bigger and its design is being subjected to a number of constraints (wire delays, power budget, etc.). It is becoming very important to make an intelligent decision about where data must be placed within a level. For example, in a large non-uniform access cache (NUCA), we must figure out the optimal bank. Similarly, in a multi-dual inline memory module (DIMM) non uniform memory access (NUMA) main memory, we must figure out the DIMM that is the optimal home for every data page. Studies have indicated that heterogeneous main memory hierarchies that incorporate multiple memory technologies are on the horizon. We must develop solutions for data management that take heterogeneity into account. For these memory organizations, we must again identify the appropriate home for data. In this dissertation, we attempt to verify the following thesis statement: "Can low-complexity hardware and OS mechanisms manage data placement within each memory hierarchy level to optimize metrics such as performance and/or throughput?" In this dissertation we argue for a hardware-software codesign approach to tackle the above mentioned problems at different levels of the memory hierarchy. The proposed methods utilize techniques like page coloring and shadow addresses and are able to handle a large number of problems ranging from managing wire-delays in large, shared NUCA caches to distributing shared capacity among different cores. We then examine data-placement issues in NUMA main memory for a many-core processor with a moderate number of on-chip memory controllers. Using codesign approaches, we achieve efficient data placement by modifying the operating system's (OS) page allocation algorithm for a wide variety of main memory architectures

Cache Equalizer: A Cache Pressure Aware Block Placement Scheme for Large-Scale Chip Multiprocessors

This paper describes Cache Equalizer (CE), a novel distributed cache management scheme for large scale chip multiprocessors (CMPs). Our work is motivated by large asymmetry in cache sets usages. CE decouples the physical locations of cache blocks from their addresses for the sake of reducing misses caused by destructive interferences. Temporal pressure at the on-chip last-level cache, is continuously collected at a group (comprised of cache sets) granularity, and periodically recorded at the memory controller to guide the placement process. An incoming block is consequently placed at a cache group that exhibits the minimum pressure. CE provides Quality of Service (QoS) by robustly offering better performance than the baseline shared NUCA cache. Simulation results using a full-system simulator demonstrate that CE outperforms shared NUCA caches by an average of 15.5% and by as much as 28.5% for the benchmark programs we examined. Furthermore, evaluations manifested the outperformance of CE versus related CMP cache designs

High-performance and hardware-aware computing: proceedings of the second International Workshop on New Frontiers in High-performance and Hardware-aware Computing (HipHaC\u2711), San Antonio, Texas, USA, February 2011 ; (in conjunction with HPCA-17)

High-performance system architectures are increasingly exploiting heterogeneity. The HipHaC workshop aims at combining new aspects of parallel, heterogeneous, and reconfigurable microprocessor technologies with concepts of high-performance computing and, particularly, numerical solution methods. Compute- and memory-intensive applications can only benefit from the full hardware potential if all features on all levels are taken into account in a holistic approach

Machine Learning for Resource-Constrained Computing Systems

Die verfügbaren Ressourcen in Informationsverarbeitungssystemen wie Prozessoren sind in der Regel eingeschränkt. Das umfasst z. B. die elektrische Leistungsaufnahme, den Energieverbrauch, die Wärmeabgabe oder die Chipfläche. Daher ist die Optimierung der Verwaltung der verfügbaren Ressourcen von größter Bedeutung, um Ziele wie maximale Performanz zu erreichen. Insbesondere die Ressourcenverwaltung auf der Systemebene hat über die (dynamische) Zuweisung von Anwendungen zu Prozessorkernen und über die Skalierung der Spannung und Frequenz (dynamic voltage and frequency scaling, DVFS) einen großen Einfluss auf die Performanz, die elektrische Leistung und die Temperatur während der Ausführung von Anwendungen. Die wichtigsten Herausforderungen bei der Ressourcenverwaltung sind die hohe Komplexität von Anwendungen und Plattformen, unvorhergesehene (zur Entwurfszeit nicht bekannte) Anwendungen oder Plattformkonfigurationen, proaktive Optimierung und die Minimierung des Laufzeit-Overheads. Bestehende Techniken, die auf einfachen Heuristiken oder analytischen Modellen basieren, gehen diese Herausforderungen nur unzureichend an. Aus diesem Grund ist der Hauptbeitrag dieser Dissertation der Einsatz maschinellen Lernens (ML) für Ressourcenverwaltung. ML-basierte Lösungen ermöglichen die Bewältigung dieser Herausforderungen durch die Vorhersage der Auswirkungen potenzieller Entscheidungen in der Ressourcenverwaltung, durch Schätzung verborgener (unbeobachtbarer) Eigenschaften von Anwendungen oder durch direktes Lernen einer Ressourcenverwaltungs-Strategie. Diese Dissertation entwickelt mehrere neuartige ML-basierte Ressourcenverwaltung-Techniken für verschiedene Plattformen, Ziele und Randbedingungen. Zunächst wird eine auf Vorhersagen basierende Technik zur Maximierung der Performanz von Mehrkernprozessoren mit verteiltem Last-Level Cache und limitierter Maximaltemperatur vorgestellt. Diese verwendet ein neuronales Netzwerk (NN) zur Vorhersage der Auswirkungen potenzieller Migrationen von Anwendungen zwischen Prozessorkernen auf die Performanz. Diese Vorhersagen erlauben die Bestimmung der bestmöglichen Migration und ermöglichen eine proaktive Verwaltung. Das NN ist so trainiert, dass es mit unbekannten Anwendungen und verschiedenen Temperaturlimits zurechtkommt. Zweitens wird ein Boosting-Verfahren zur Maximierung der Performanz homogener Mehrkernprozessoren mit limitierter Maximaltemperatur mithilfe von DVFS vorgestellt. Dieses basiert auf einer neuartigen {Boostability}-Metrik, die die Abhängigkeiten von Performanz, elektrischer Leistung und Temperatur auf Spannungs/Frequenz-Änderungen in einer Metrik vereint. % ignorerepeated Die Abhängigkeiten von Performanz und elektrischer Leistung hängen von der Anwendung ab und können zur Laufzeit nicht direkt beobachtet (gemessen) werden. Daher wird ein NN verwendet, um diese Werte für unbekannte Anwendungen zu schätzen und so die Komplexität der Boosting-Optimierung zu bewältigen. Drittens wird eine Technik zur Temperaturminimierung von heterogenen Mehrkernprozessoren mit Quality of Service-Zielen vorgestellt. Diese verwendet Imitationslernen, um eine Migrationsstrategie von Anwendungen aus optimalen Orakel-Demonstrationen zu lernen. Dafür wird ein NN eingesetzt, um die Komplexität der Plattform und des Anwendungsverhaltens zu bewältigen. Die Inferenz des NNs wird mit Hilfe eines vorhandenen generischen Beschleunigers, einer Neural Processing Unit (NPU), beschleunigt. Auch die ML Algorithmen selbst müssen auch mit begrenzten Ressourcen ausgeführt werden. Zuletzt wird eine Technik für ressourcenorientiertes Training auf verteilten Geräten vorgestellt, um einen konstanten Trainingsdurchsatz bei sich schnell ändernder Verfügbarkeit von Rechenressourcen aufrechtzuerhalten, wie es z.~B.~aufgrund von Konflikten bei gemeinsam genutzten Ressourcen der Fall ist. Diese Technik verwendet Structured Dropout, welches beim Training zufällige Teile des NNs auslässt. Dadurch können die erforderlichen Ressourcen für das Training dynamisch angepasst werden -- mit vernachlässigbarem Overhead, aber auf Kosten einer langsameren Trainingskonvergenz. Die Pareto-optimalen Dropout-Parameter pro Schicht des NNs werden durch eine Design Space Exploration bestimmt. Evaluierungen dieser Techniken werden sowohl in Simulationen als auch auf realer Hardware durchgeführt und zeigen signifikante Verbesserungen gegenüber dem Stand der Technik, bei vernachlässigbarem Laufzeit-Overhead. Zusammenfassend zeigt diese Dissertation, dass ML eine Schlüsseltechnologie zur Optimierung der Verwaltung der limitierten Ressourcen auf Systemebene ist, indem die damit verbundenen Herausforderungen angegangen werden