Mitigation of failures in high performance computing via runtime techniques

As machines increase in scale, it is predicted that failure rates of supercomputers will correspondingly increase. Even though the mean time to failure (MTTF) of individual component is high, the large number of components significantly decreases the system MTTF. Meanwhile, the decreasing size of transistors has been critical to the increase in capacity of supercomputers. The smaller the transistors are, silent data corruptions (SDC) are likely to occur more frequently. SDCs do not inhibit execution, but may silently lead to incorrect results. In this thesis, we leverage runtime system and compiler techniques to mitigate a significant fraction of failures automatically with low overhead. The main goals of various system-level fault tolerance strategies designed in this thesis are: reducing the extra cost added to application execution while improving system reliability; automatically adjusting fault tolerance decisions without user intervention based on environmental changes; protecting applications not only from fail-stop failures but also from silent data corruptions. The main contributions of this thesis are development of a semi-blocking checkpoint protocol that overlaps application execution with fault tolerance operation to reduce the overhead of checkpointing, a runtime system technique for automatic checkpoint and restart without user intervention, a holistic framework (ACR) for automatically detecting and recovering from silent data corruptions and a framework called FlipBack that provides targeted protection against silent data corruption with low cost

A novel architecture for secure database processing in cloud computing

Security, particularly data privacy, is one of the biggest barriers to the adoption of Database-as-a-Service (DBaaS) in Cloud Computing. Recent security breaches demonstrate that a more powerful protection mechanism is needed to protect data confidentiality from any honest-but-curious administrator. Typical prior effort on addressing this security problem is either prohibitively slow or highly restrictive in operation. In this thesis, a novel cloud system architecture CypherDB, which makes use of a secure processor, is proposed to protect the confidentiality of outsourced database processing. To achieve this, a framework is developed to use these secure processors in the cloud for secure database processing. This framework allows distributed and parallel processing of the encrypted data and exhibits virtualization features in Cloud Computing. The CypherDB architecture also relies on two major components to protect the privacy of an outsourced database against any honest-but-curious administrator of high performance. Firstly, a novel database encryption scheme is developed to protect the outsourced database which can be executed under a CypherDB secure processor with high performance. Our proposed scheme makes use of custom instructions to hide the encryption latency from the program execution. This scheme is extensively validated through an integration with SQLite, a practical database application program. Secondly, a novel secure processor architecture is also developed to provide architectural support to our proposed database encryption scheme and efficient protection mechanism to secure all intermediate data generated on-the-fly during query execution. The efficiency, robustness and the cost of our novel processor architecture are validated and evaluated through extensive simulations and implementation on a FPGA platform. A fully-functional Field-Programmable Gate Array (FPGA) implementation of our CypherDB secure processor and simulation studies demonstrate that our proposed architecture is cost-effective and of high performance. Our experiment of running the TPC-H database benchmark on SQLite demonstrates 10 to 14 percent performance overhead on average. The security components in CypherDB consume about 21K Logic Elements and 54 Block RAMs on the FPGA. The modification of SQLite only consists of 208 lines of code (LOC).Open Acces

The Customizable Virtual FPGA: Generation, System Integration and Configuration of Application-Specific Heterogeneous FPGA Architectures

In den vergangenen drei Jahrzehnten wurde die Entwicklung von Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) stark von Moore’s Gesetz, Prozesstechnologie (Skalierung) und kommerziellen Märkten beeinflusst. State-of-the-Art FPGAs bewegen sich einerseits dem Allzweck näher, aber andererseits, da FPGAs immer mehr traditionelle Domänen der Anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (ASICs) ersetzt haben, steigen die Effizienzerwartungen. Mit dem Ende der Dennard-Skalierung können Effizienzsteigerungen nicht mehr auf Technologie-Skalierung allein zurückgreifen. Diese Facetten und Trends in Richtung rekonfigurierbarer System-on-Chips (SoCs) und neuen Low-Power-Anwendungen wie Cyber Physical Systems und Internet of Things erfordern eine bessere Anpassung der Ziel-FPGAs. Neben den Trends für den Mainstream-Einsatz von FPGAs in Produkten des täglichen Bedarfs und Services wird es vor allem bei den jüngsten Entwicklungen, FPGAs in Rechenzentren und Cloud-Services einzusetzen, notwendig sein, eine sofortige Portabilität von Applikationen über aktuelle und zukünftige FPGA-Geräte hinweg zu gewährleisten. In diesem Zusammenhang kann die Hardware-Virtualisierung ein nahtloses Mittel für Plattformunabhängigkeit und Portabilität sein. Ehrlich gesagt stehen die Zwecke der Anpassung und der Virtualisierung eigentlich in einem Konfliktfeld, da die Anpassung für die Effizienzsteigerung vorgesehen ist, während jedoch die Virtualisierung zusätzlichen Flächenaufwand hinzufügt. Die Virtualisierung profitiert aber nicht nur von der Anpassung, sondern fügt auch mehr Flexibilität hinzu, da die Architektur jederzeit verändert werden kann. Diese Besonderheit kann für adaptive Systeme ausgenutzt werden. Sowohl die Anpassung als auch die Virtualisierung von FPGA-Architekturen wurden in der Industrie bisher kaum adressiert. Trotz einiger existierenden akademischen Werke können diese Techniken noch als unerforscht betrachtet werden und sind aufstrebende Forschungsgebiete. Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Generierung von FPGA-Architekturen, die auf eine effiziente Anpassung an die Applikation zugeschnitten sind. Im Gegensatz zum üblichen Ansatz mit kommerziellen FPGAs, bei denen die FPGA-Architektur als gegeben betrachtet wird und die Applikation auf die vorhandenen Ressourcen abgebildet wird, folgt diese Arbeit einem neuen Paradigma, in dem die Applikation oder Applikationsklasse fest steht und die Zielarchitektur auf die effiziente Anpassung an die Applikation zugeschnitten ist. Dies resultiert in angepassten anwendungsspezifischen FPGAs. Die drei Säulen dieser Arbeit sind die Aspekte der Virtualisierung, der Anpassung und des Frameworks. Das zentrale Element ist eine weitgehend parametrierbare virtuelle FPGA-Architektur, die V-FPGA genannt wird, wobei sie als primäres Ziel auf jeden kommerziellen FPGA abgebildet werden kann, während Anwendungen auf der virtuellen Schicht ausgeführt werden. Dies sorgt für Portabilität und Migration auch auf Bitstream-Ebene, da die Spezifikation der virtuellen Schicht bestehen bleibt, während die physische Plattform ausgetauscht werden kann. Darüber hinaus wird diese Technik genutzt, um eine dynamische und partielle Rekonfiguration auf Plattformen zu ermöglichen, die sie nicht nativ unterstützen. Neben der Virtualisierung soll die V-FPGA-Architektur auch als eingebettetes FPGA in ein ASIC integriert werden, das effiziente und dennoch flexible System-on-Chip-Lösungen bietet. Daher werden Zieltechnologie-Abbildungs-Methoden sowohl für Virtualisierung als auch für die physikalische Umsetzung adressiert und ein Beispiel für die physikalische Umsetzung in einem 45 nm Standardzellen Ansatz aufgezeigt. Die hochflexible V-FPGA-Architektur kann mit mehr als 20 Parametern angepasst werden, darunter LUT-Grösse, Clustering, 3D-Stacking, Routing-Struktur und vieles mehr. Die Auswirkungen der Parameter auf Fläche und Leistung der Architektur werden untersucht und eine umfangreiche Analyse von über 1400 Benchmarkläufen zeigt eine hohe Parameterempfindlichkeit bei Abweichungen bis zu ±95, 9% in der Fläche und ±78, 1% in der Leistung, was die hohe Bedeutung von Anpassung für Effizienz aufzeigt. Um die Parameter systematisch an die Bedürfnisse der Applikation anzupassen, wird eine parametrische Entwurfsraum-Explorationsmethode auf der Basis geeigneter Flächen- und Zeitmodellen vorgeschlagen. Eine Herausforderung von angepassten Architekturen ist der Entwurfsaufwand und die Notwendigkeit für angepasste Werkzeuge. Daher umfasst diese Arbeit ein Framework für die Architekturgenerierung, die Entwurfsraumexploration, die Anwendungsabbildung und die Evaluation. Vor allem ist der V-FPGA in einem vollständig synthetisierbaren generischen Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language (VHDL) Code konzipiert, der sehr flexibel ist und die Notwendigkeit für externe Codegeneratoren eliminiert. Systementwickler können von verschiedenen Arten von generischen SoC-Architekturvorlagen profitieren, um die Entwicklungszeit zu reduzieren. Alle notwendigen Konstruktionsschritte für die Applikationsentwicklung und -abbildung auf den V-FPGA werden durch einen Tool-Flow für Entwurfsautomatisierung unterstützt, der eine Sammlung von vorhandenen kommerziellen und akademischen Werkzeugen ausnutzt, die durch geeignete Modelle angepasst und durch ein neues Werkzeug namens V-FPGA-Explorer ergänzt werden. Dieses neue Tool fungiert nicht nur als Back-End-Tool für die Anwendungsabbildung auf dem V-FPGA sondern ist auch ein grafischer Konfigurations- und Layout-Editor, ein Bitstream-Generator, ein Architekturdatei-Generator für die Place & Route Tools, ein Script-Generator und ein Testbenchgenerator. Eine Besonderheit ist die Unterstützung der Just-in-Time-Kompilierung mit schnellen Algorithmen für die In-System Anwendungsabbildung. Die Arbeit schliesst mit einigen Anwendungsfällen aus den Bereichen industrielle Prozessautomatisierung, medizinische Bildgebung, adaptive Systeme und Lehre ab, in denen der V-FPGA eingesetzt wird

The LANDSAT Tutorial Workbook: Basics of Satellite Remote Sensing

Most of the subject matter of a full training course in applying remote sensing is presented in a self-teaching mode in this how-to manual which combines a review of basics, a survey of systems, and a treatment of the principles and mechanics of image analysis by computers, with a laboratory approach for learning to utilize the data through practical experiences. All relevant image products are included

GVSU Press Releases, 1978

A compilation of press releases for the year 1978 submitted by University Communications (formerly News & Information Services) to news agencies concerning the people, places, and events related to Grand Valley State University