Memory Optimizations for Time-Predictable Embedded Software

Ph.DDOCTOR OF PHILOSOPH

Power-Efficient and Low-Latency Memory Access for CMP Systems with Heterogeneous Scratchpad On-Chip Memory

The gradually widening speed disparity of between CPU and memory has become an overwhelming bottleneck for the development of Chip Multiprocessor (CMP) systems. In addition, increasing penalties caused by frequent on-chip memory accesses have raised critical challenges in delivering high memory access performance with tight power and latency budgets. To overcome the daunting memory wall and energy wall issues, this thesis focuses on proposing a new heterogeneous scratchpad memory architecture which is configured from SRAM, MRAM, and Z-RAM. Based on this architecture, we propose two algorithms, a dynamic programming and a genetic algorithm, to perform data allocation to different memory units, therefore reducing memory access cost in terms of power consumption and latency. Extensive and intensive experiments are performed to show the merits of the heterogeneous scratchpad architecture over the traditional pure memory system and the effectiveness of the proposed algorithms

Predictable mapping of streaming applications on multiprocessors

Het ontwerp van nieuwe consumentenelektronica wordt voortdurend complexer omdat er steeds meer functionaliteit in deze apparaten ge¨integreerd wordt. Een voorspelbaar ontwerptraject is nodig om deze complexiteit te beheersen. Het resultaat van dit ontwerptraject zou een systeem moeten zijn, waarin iedere applicatie zijn eigen taken binnen een strikte tijdslimiet kan uitvoeren, onafhankelijk van andere applicaties die hetzelfde systeem gebruiken. Dit vereist dat het tijdsgedrag van de hardware, de software, evenals hun interactie kan worden voorspeld. Er wordt vaak voorgesteld om een heterogeen multi-processor systeem (MPSoC) te gebruiken in moderne elektronische systemen. Een MP-SoC heeft voor veel applicaties een goede verhouding tussen rekenkracht en energiegebruik. Onchip netwerken (NoCs) worden voorgesteld als interconnect in deze systemen. Een NoC is schaalbaar en het biedt garanties wat betreft de hoeveelheid tijd die er nodig is om gegevens te communiceren tussen verschillende processoren en geheugens. Door het NoC te combineren met een voorspelbare strategie om de processoren en geheugens te delen, ontstaat een hardware platform met een voorspelbaar tijdsgedrag. Om een voorspelbaar systeem te verkrijgen moet ook het tijdsgedrag van een applicatie die wordt uitgevoerd op het platform voorspelbaar en analyseerbaar zijn. Het Synchronous Dataflow (SDF) model is erg geschikt voor het modelleren van applicaties die werken met gegevensstromen. Het model kan vele ontwerpbeslissingen modelleren en het is mogelijk om tijdens het ontwerptraject het tijdsgedrag van het systeem te analyseren. Dit proefschrift probeert om applicaties die gemodelleerd zijn met SDF grafen op een zodanige manier af te beelden op een NoC-gebaseerd MP-SoC, dat garanties op het tijdsgedrag van individuele applicaties gegeven kunnen worden. De doorstroomsnelheid van een applicatie is vaak een van de belangrijkste eisen bij het ontwerpen van systemen voor applicaties die werken met gegevensstromen. Deze doorstroomsnelheid wordt in hoge mate be¨invloed door de beschikbare ruimte om resultaten (gegevens) op te slaan. De opslagruimte in een SDF graaf wordt gemodelleerd door de pijlen in de graaf. Het probleem is dat er een vaste grootte voor de opslagruimte aan de pijlen van een SDF graaf moet worden toegewezen. Deze grootte moet zodanig worden gekozen dat de vereiste doorstroomsnelheid van het systeem gehaald wordt, terwijl de benodigde opslagruimte geminimaliseerd wordt. De eerste belangrijkste bijdrage van dit proefschrift is een techniek om de minimale opslagruimte voor iedere mogelijke doorstroomsnelheid van een applicatie te vinden. Ondanks de theoretische complexiteit van dit probleem presteert de techniek in praktijk goed. Doordat de techniek alle mogelijke minimale combinaties van opslagruimte en doorstroomsnelheid vindt, is het mogelijk om met situaties om te gaan waarin nog niet alle ontwerpbeslissingen zijn genomen. De ontwerpbeslissingen om twee taken van een applicatie op ´e´en processor uit te voeren, zou bijvoorbeeld de doorstroomsnelheid kunnen be¨invloeden. Hierdoor is er een onzekerheid in het begin van het ontwerptraject tussen de berekende doorstroomsnelheid en de doorstroomsnelheid die daadwerkelijk gerealiseerd kan worden als alle ontwerpbeslissingen zijn genomen. Tijdens het ontwerptraject moeten de taken waaruit een applicatie is opgebouwd toegewezen worden aan de verschillende processoren en geheugens in het systeem. Indien meerdere taken een processor delen, moet ook de volgorde bepaald worden waarin deze taken worden uitgevoerd. Een belangrijke bijdrage van dit proefschrift is een techniek die deze toewijzing uitvoert en die de volgorde bepaalt waarin taken worden uitgevoerd. Bestaande technieken kunnen alleen omgaan met taken die een ´e´en-op-´e´en relatie met elkaar hebben, dat wil zeggen, taken die een gelijk aantal keren uitgevoerd worden. In een SDF graaf kunnen ook complexere relaties worden uitgedrukt. Deze relaties kunnen omgeschreven worden naar een ´e´en-op-´e´en relatie, maar dat kan leiden tot een exponenti¨ele groei van het aantal taken in de graaf. Hierdoor kan het onmogelijk worden om in een beperkte tijd alle taken aan de processoren toe te wijzen en om de volgorde te bepalen waarin deze taken worden uitgevoerd. De techniek die in dit proefschrift wordt gepresenteerd, kan omgaan met de complexe relaties tussen taken in een SDF graaf zonder de vertaling naar de ´e´en-op-´e´en relaties te maken. Dit is mogelijk dankzij een nieuwe, effici¨ente techniek om de doorstroomsnelheid van SDF grafen te bepalen. Nadat de taken van een applicatie toegewezen zijn aan de processoren in het hardware platform moet de communicatie tussen deze taken op het NoC gepland worden. In deze planning moet voor ieder bericht dat tussen de taken wordt verstuurd, worden bepaald welke route er gebruikt wordt en wanneer de communicatie gestart wordt. Dit proefschrift introduceert drie strategie¨en voor het versturen van berichten met een strikte tijdslimiet. Alle drie de strategie¨en maken maximaal gebruik van de beschikbare vrijheid die moderne NoCs bieden. Experimenten tonen aan dat deze strategie¨en hierdoor effici¨enter omgaan met de beschikbare hardware dan bestaande strategie¨en. Naast deze strategie¨en wordt er een techniek gepresenteerd om uit de ontwerpbeslissingen die gemaakt zijn tijdens het toewijzen van taken aan de processoren alle tijdslimieten af te leiden waarbinnen de berichten over het NoC gecommuniceerd moeten worden. Deze techniek koppelt de eerder genoemde techniek voor het toewijzen van taken aan processoren aan de drie strategie¨en om berichten te versturen over het NoC. Tenslotte worden de verschillende technieken die in dit proefschrift worden ge¨introduceerd gecombineerd tot een compleet ontwerptraject. Het startpunt is een SDF graaf die een applicatie modelleert en een NoC-gebaseerd MP-SoC platform met een voorspelbaar tijdsgedrag. Het doel van het ontwerptraject is het op een zodanige manier afbeelden van de applicatie op het platform dat de doorstroomsnelheid van de applicatie gegarandeerd kan worden. Daarnaast probeert het ontwerptraject de hoeveelheid hardware die gebruikt wordt te minimaliseren. Er wordt een experiment gepresenteerd waarin drie verschillende multimedia applicaties (H.263 encoder/decoder en een MP3 decoder) op een NoCgebaseerd MP-SoC worden afgebeeld. Dit experiment toont aan dat de technieken die in dit proefschrift worden voorgesteld, gebruikt kunnen worden voor het ontwerpen van systemen met een voorspelbaar tijdsgedrag. Hiermee is het voorgestelde ontwerptraject het eerste traject dat een met een SDF-gemodelleerde applicatie op een NoC-gebaseerd MP-SoC kan afbeelden, terwijl er garanties worden gegeven over de doorstroomsnelheid van de applicatie

CROSS-LAYER CUSTOMIZATION PLATFORM FOR LOW-POWER AND REAL-TIME EMBEDDED APPLICATIONS

Modern embedded applications have become increasingly complex and diverse in their functionalities and requirements. Data processing, communication and multimedia signal processing, real-time control and various other functionalities can often need to be implemented on the same System-on-Chip(SOC) platform. The significant power constraints and real-time guarantee requirements of these applications have become significant obstacles for the traditional embedded system design methodologies. The general-purpose computing microarchitectures of these platforms are designed to achieve good performance on average, which is far from optimal for any particular application. The system must always assume worst-case scenarios, which results in significant power inefficiencies and resource under-utilization. This dissertation introduces a cross-layer application-customizable embedded platform, which dynamically exploits application information and fine-tunes system components at system software and hardware layers. This is achieved with the close cooperation and seamless integration of the compiler, the operating system, and the hardware architecture. The compiler is responsible for extracting application regularities through static and profile-based analysis. The relevant application knowledge is propagated and utilized at run-time across the system layers through the judiciously introduced reconfigurability at both OS and hardware layers. The introduced framework comprehensively covers the fundamental subsystems of memory management and multi-tasking execution control

Scratchpad Memory Management For Multicore Real-Time Embedded Systems

Multicore systems will continue to spread in the domain of real-time embedded systems due to the increasing need for high-performance applications. This research discusses some of the challenges associated with employing multicore systems for safety-critical real-time applications. Mainly, this work is concerned with providing: 1) efficient inter-core timing isolation for independent tasks, and 2) predictable task communication for communicating tasks. Principally, we introduce a new task execution model, based on the 3-phase execution model, that exploits the Direct Memory Access (DMA) controllers available in modern embedded platforms along with ScratchPad Memories (SPMs) to enforce strong timing isolation between tasks. The DMA and the SPMs are explicitly managed to pre-load tasks from main memory into the local (private) scratchpad memories. Tasks are then executed from the local SPMs without accessing main memory. This model allows CPU execution to be overlapped with DMA loading/unloading operations from and to main memory. We show that by co-scheduling task execution on CPUs and using DMA to access memory and I/O, we can efficiently hide access latency to physical resources. In turn, this leads to significant improvements in system schedulability, compared to both the case of unregulated contention for access to physical resources and to previous cache and SPM management techniques for real-time systems. The presented SPM-centric scheduling algorithms and analyses cover single-core, partitioned, and global real-time systems. The proposed scheme is also extended to support large tasks that do not fit entirely into the local SPM. Moreover, the schedulability analysis considers the case of recovering from transient soft errors (bit flips caused by a single event upset) in several levels of memories, that cannot be automatically corrected in hardware by the ECC unit. The proposed SPM-centric scheduling is integrated at the OS level; thus it is transparent to applications. The proposed scheme is implemented and evaluated on an FPGA platform and a Commercial-Off-The-Shelf (COTS) platform. In regards to real-time task communication, two types of communication are considered. 1) Asynchronous inter-task communication, between either sequential tasks (single-threaded) or parallel tasks (multi-threaded). 2) Intra-task communication, where parallel threads of the same application exchange data. A new task scheduling model for parallel tasks (Bundled Scheduling) is proposed to facilitate intra-task communication and reduce synchronization overheads. We show that the proposed bundled scheduling model can be applied to several parallel programming models, such as fork-join and DAG-based applications, leading to improved system schedulability. Finally, intra-task communication is governed by a predictable inter-core communication platform. Specifically, we propose HopliteRT, a lean and predictable Network-on-Chip that connects the private SPMs

Design and Code Optimization for Systems with Next-generation Racetrack Memories

With the rise of computationally expensive application domains such as machine learning, genomics, and fluids simulation, the quest for performance and energy-efficient computing has gained unprecedented momentum. The significant increase in computing and memory devices in modern systems has resulted in an unsustainable surge in energy consumption, a substantial portion of which is attributed to the memory system. The scaling of conventional memory technologies and their suitability for the next-generation system is also questionable. This has led to the emergence and rise of nonvolatile memory ( NVM ) technologies. Today, in different development stages, several NVM technologies are competing for their rapid access to the market. Racetrack memory ( RTM ) is one such nonvolatile memory technology that promises SRAM -comparable latency, reduced energy consumption, and unprecedented density compared to other technologies. However, racetrack memory ( RTM ) is sequential in nature, i.e., data in an RTM cell needs to be shifted to an access port before it can be accessed. These shift operations incur performance and energy penalties. An ideal RTM , requiring at most one shift per access, can easily outperform SRAM . However, in the worst-cast shifting scenario, RTM can be an order of magnitude slower than SRAM . This thesis presents an overview of the RTM device physics, its evolution, strengths and challenges, and its application in the memory subsystem. We develop tools that allow the programmability and modeling of RTM -based systems. For shifts minimization, we propose a set of techniques including optimal, near-optimal, and evolutionary algorithms for efficient scalar and instruction placement in RTMs . For array accesses, we explore schedule and layout transformations that eliminate the longer overhead shifts in RTMs . We present an automatic compilation framework that analyzes static control flow programs and transforms the loop traversal order and memory layout to maximize accesses to consecutive RTM locations and minimize shifts. We develop a simulation framework called RTSim that models various RTM parameters and enables accurate architectural level simulation. Finally, to demonstrate the RTM potential in non-Von-Neumann in-memory computing paradigms, we exploit its device attributes to implement logic and arithmetic operations. As a concrete use-case, we implement an entire hyperdimensional computing framework in RTM to accelerate the language recognition problem. Our evaluation shows considerable performance and energy improvements compared to conventional Von-Neumann models and state-of-the-art accelerators

Payload operations control center network (POCCNET) systems definition phase study report

The results of the studies performed during the systems definition phase of POCCNET are presented. The concept of POCCNET as a system of standard POCCs is described and an analysis of system requirements is also included. Alternative systems concepts were evaluated as well as various methods for development of reliable reusable software. A number of POCC application areas, such as command management, on board computer support, and simulation were also studied. Other areas of investigation included the operation of POCCNET systems, the facility requirements and usage

Transparent management of scratchpad memories in shared memory programming models

Cache-coherent shared memory has traditionally been the favorite memory organization for chip multiprocessors thanks to its high programmability. In this organization the cache hierarchy is in charge of moving the data and keeping it coherent between all the caches, enabling the usage of shared memory programming models where the programmer does not need to carry out any data management operation. Unfortunately, performing all the data management operations in hardware causes severe problems, being the primary concerns the power consumption originated in the caches and the amount of coherence traffic in the interconnection network. A good solution is to introduce ScratchPad Memories (SPMs) alongside the cache hierarchy, forming a hybrid memory hierarchy. SPMs are more power-efficient than caches and do not generate coherence traffic, but they degrade programmability. In particular, SPMs require the programmer to partition the data, to program data transfers, and to keep coherence between different copies of the data. A promising solution to exploit the benefits of the SPMs without harming programmability is to allow programmers to use shared memory programming models and to automatically generate code that manages the SPMs. Unfortunately, current compilers and runtime systems encounter serious limitations to automatically generate code for hybrid memory hierarchies from shared memory programming models. This thesis proposes to transparently manage the SPMs of hybrid memory hierarchies in shared memory programming models. In order to achieve this goal this thesis proposes a combination of hardware and compiler techniques to manage the SPMs in fork-join programming models and a set of runtime system techniques to manage the SPMs in task programming models. The proposed techniques allow to program hybrid memory hierarchies with these two well-known and easy-to-use forms of shared memory programming models, capitalizing on the benefits of hybrid memory hierarchies in power consumption and network traffic without harming programmability. The first contribution of this thesis is a hardware/software co-designed coherence protocol to transparently manage the SPMs of hybrid memory hierarchies in fork-join programming models. The solution allows the compiler to always generate code to manage the SPMs with tiling software caches, even in the presence of unknown memory aliasing hazards between memory references to the SPMs and to the cache hierarchy. On the software side, the compiler generates a special form of memory instruction for memory references with possible aliasing hazards. On the hardware side, the special memory instructions are diverted to the correct copy of the data using a set of directories that track what data is mapped to the SPMs. The second contribution of this thesis is a set of runtime system techniques to manage the SPMs of hybrid memory hierarchies in task programming models. The proposed runtime system techniques exploit the characteristics of these programming models to map the data specified in the task dependences to the SPMs. Different policies are proposed to mitigate the communication costs of the data transfers, overlapping them with other execution phases such as the task scheduling phase or the execution of the previous task. The runtime system can also reduce the number of data transfers by using a task scheduler that exploits data locality in the SPMs. In addition, the proposed techniques are combined with mechanisms that reduce the impact of fine-grained tasks, such as hardware runtime systems or large SPM sizes. The accomplishment of this thesis is that hybrid memory hierarchies can be programmed with fork-join and task programming models. Consequently, architectures with hybrid memory hierarchies can be exposed to the programmer as a shared memory multiprocessor, taking advantage of the benefits of the SPMs while maintaining the programming simplicity of shared memory programming models.La memoria compartida con coherencia de caches es la jerarquía de memoria más utilizada en multiprocesadores gracias a su programabilidad. En esta solución la jerarquía de caches se encarga de mover los datos y mantener la coherencia entre las caches, habilitando el uso de modelos de programación de memoria compartida donde el programador no tiene que realizar ninguna operación para gestionar las memorias. Desafortunadamente, realizar estas operaciones en la arquitectura causa problemas severos, siendo especialmente relevantes el consumo de energía de las caches y la cantidad de tráfico de coherencia en la red de interconexión. Una buena solución es añadir Memorias ScratchPad (SPMs) acompañando la jerarquía de caches, formando una jerarquía de memoria híbrida. Las SPMs son más eficientes en energía y tráfico de coherencia, pero dificultan la programabilidad ya que requieren que el programador particione los datos, programe transferencias de datos y mantenga la coherencia entre diferentes copias de datos. Una solución prometedora para beneficiarse de las ventajas de las SPMs sin dificultar la programabilidad es permitir que el programador use modelos de programación de memoria compartida y generar código para gestionar las SPMs automáticamente. El problema es que los compiladores y los entornos de ejecución actuales sufren graves limitaciones al gestionar automáticamente una jerarquía de memoria híbrida en modelos de programación de memoria compartida. Esta tesis propone gestionar automáticamente una jerarquía de memoria híbrida en modelos de programación de memoria compartida. Para conseguir este objetivo esta tesis propone una combinación de técnicas hardware y de compilador para gestionar las SPMs en modelos de programación fork-join, y técnicas en entornos de ejecución para gestionar las SPMs en modelos de programación basados en tareas. Las técnicas propuestas hacen que las jerarquías de memoria híbridas puedan programarse con estos dos modelos de programación de memoria compartida, de tal forma que las ventajas en energía y tráfico de coherencia se puedan explotar sin dificultar la programabilidad. La primera contribución de esta tesis en un protocolo de coherencia hardware/software para gestionar SPMs en modelos de programación fork-join. La propuesta consigue que el compilador siempre pueda generar código para gestionar las SPMs, incluso cuando hay posibles alias de memoria entre referencias a memoria a las SPMs y a la jerarquía de caches. En la solución el compilador genera instrucciones especiales para las referencias a memoria con posibles alias, y el hardware sirve las instrucciones especiales con la copia válida de los datos usando directorios que guardan información sobre qué datos están mapeados en las SPMs. La segunda contribución de esta tesis son una serie de técnicas para gestionar SPMs en modelos de programación basados en tareas. Las técnicas aprovechan las características de estos modelos de programación para mapear las dependencias de las tareas en las SPMs y se complementan con políticas para minimizar los costes de las transferencias de datos, como solaparlas con fases del entorno de ejecución o la ejecución de tareas anteriores. El número de transferencias también se puede reducir utilizando un planificador que tenga en cuenta la localidad de datos y, además, las técnicas se pueden combinar con mecanismos para reducir los efectos negativos de tener tareas pequeñas, como entornos de ejecución en hardware o SPMs de más capacidad. Las propuestas de esta tesis consiguen que las jerarquías de memoria híbridas se puedan programar con modelos de programación fork-join y basados en tareas. En consecuencia, las arquitecturas con jerarquías de memoria híbridas se pueden exponer al programador como multiprocesadores de memoria compartida, beneficiándose de las ventajas de las SPMs en energía y tráfico de coherencia y manteniendo la simplicidad de uso de los modelos de programación de memoria compartida

Advanced software techniques for space shuttle data management systems Final report

Airborne/spaceborn computer design and techniques for space shuttle data management system

ENERGY-AWARE OPTIMIZATION FOR EMBEDDED SYSTEMS WITH CHIP MULTIPROCESSOR AND PHASE-CHANGE MEMORY

Over the last two decades, functions of the embedded systems have evolved from simple real-time control and monitoring to more complicated services. Embedded systems equipped with powerful chips can provide the performance that computationally demanding information processing applications need. However, due to the power issue, the easy way to gain increasing performance by scaling up chip frequencies is no longer feasible. Recently, low-power architecture designs have been the main trend in embedded system designs. In this dissertation, we present our approaches to attack the energy-related issues in embedded system designs, such as thermal issues in the 3D chip multiprocessor (CMP), the endurance issue in the phase-change memory(PCM), the battery issue in the embedded system designs, the impact of inaccurate information in embedded system, and the cloud computing to move the workload to remote cloud computing facilities. We propose a real-time constrained task scheduling method to reduce peak temperature on a 3D CMP, including an online 3D CMP temperature prediction model and a set of algorithm for scheduling tasks to different cores in order to minimize the peak temperature on chip. To address the challenging issues in applying PCM in embedded systems, we propose a PCM main memory optimization mechanism through the utilization of the scratch pad memory (SPM). Furthermore, we propose an MLC/SLC configuration optimization algorithm to enhance the efficiency of the hybrid DRAM + PCM memory. We also propose an energy-aware task scheduling algorithm for parallel computing in mobile systems powered by batteries. When scheduling tasks in embedded systems, we make the scheduling decisions based on information, such as estimated execution time of tasks. Therefore, we design an evaluation method for impacts of inaccurate information on the resource allocation in embedded systems. Finally, in order to move workload from embedded systems to remote cloud computing facility, we present a resource optimization mechanism in heterogeneous federated multi-cloud systems. And we also propose two online dynamic algorithms for resource allocation and task scheduling. We consider the resource contention in the task scheduling