RISC-V-Based Platforms for HPC: Analyzing Non-functional Properties for Future HPC and Big-Data Clusters

High-Performance Computing (HPC) have evolved to be used to perform simulations of systems where physical experimentation is prohibitively impractical, expensive, or dangerous. This paper provides a general overview and showcases the analysis of non-functional properties in RISC-V-based platforms for HPCs. In particular, our analyses target the evaluation of power and energy control, thermal management, and reliability assessment of promising systems, structures, and technologies devised for current and future generation of HPC machines. The main set of design methodologies and technologies developed within the activities of the Future and HPC & Big Data spoke of the National Centre of HPC, Big Data and Quantum Computing project are described along with the description of the testbed for experimenting two-phase cooling approaches

Physical Fault Injection and Side-Channel Attacks on Mobile Devices:A Comprehensive Analysis

Today's mobile devices contain densely packaged system-on-chips (SoCs) with multi-core, high-frequency CPUs and complex pipelines. In parallel, sophisticated SoC-assisted security mechanisms have become commonplace for protecting device data, such as trusted execution environments, full-disk and file-based encryption. Both advancements have dramatically complicated the use of conventional physical attacks, requiring the development of specialised attacks. In this survey, we consolidate recent developments in physical fault injections and side-channel attacks on modern mobile devices. In total, we comprehensively survey over 50 fault injection and side-channel attack papers published between 2009-2021. We evaluate the prevailing methods, compare existing attacks using a common set of criteria, identify several challenges and shortcomings, and suggest future directions of research

SoC-Cluster as an Edge Server: an Application-driven Measurement Study

Huge electricity consumption is a severe issue for edge data centers. To this end, we propose a new form of edge server, namely SoC-Cluster, that orchestrates many low-power mobile system-on-chips (SoCs) through an on-chip network. For the first time, we have developed a concrete SoC-Cluster server that consists of 60 Qualcomm Snapdragon 865 SoCs in a 2U rack. Such a server has been commercialized successfully and deployed in large scale on edge clouds. The current dominant workload on those deployed SoC-Clusters is cloud gaming, as mobile SoCs can seamlessly run native mobile games. The primary goal of this work is to demystify whether SoC-Cluster can efficiently serve more general-purpose, edge-typical workloads. Therefore, we built a benchmark suite that leverages state-of-the-art libraries for two killer edge workloads, i.e., video transcoding and deep learning inference. The benchmark comprehensively reports the performance, power consumption, and other application-specific metrics. We then performed a thorough measurement study and directly compared SoC-Cluster with traditional edge servers (with Intel CPU and NVIDIA GPU) with respect to physical size, electricity, and billing. The results reveal the advantages of SoC-Cluster, especially its high energy efficiency and the ability to proportionally scale energy consumption with various incoming loads, as well as its limitations. The results also provide insightful implications and valuable guidance to further improve SoC-Cluster and land it in broader edge scenarios

Security of Electrical, Optical and Wireless On-Chip Interconnects: A Survey

The advancement of manufacturing technologies has enabled the integration of more intellectual property (IP) cores on the same system-on-chip (SoC). Scalable and high throughput on-chip communication architecture has become a vital component in today's SoCs. Diverse technologies such as electrical, wireless, optical, and hybrid are available for on-chip communication with different architectures supporting them. Security of the on-chip communication is crucial because exploiting any vulnerability would be a goldmine for an attacker. In this survey, we provide a comprehensive review of threat models, attacks, and countermeasures over diverse on-chip communication technologies as well as sophisticated architectures.Comment: 41 pages, 24 figures, 4 table

Energy-Efficient and Reliable Computing in Dark Silicon Era

Dark silicon denotes the phenomenon that, due to thermal and power constraints, the fraction of transistors that can operate at full frequency is decreasing in each technology generation. Moore’s law and Dennard scaling had been backed and coupled appropriately for five decades to bring commensurate exponential performance via single core and later muti-core design. However, recalculating Dennard scaling for recent small technology sizes shows that current ongoing multi-core growth is demanding exponential thermal design power to achieve linear performance increase. This process hits a power wall where raises the amount of dark or dim silicon on future multi/many-core chips more and more. Furthermore, from another perspective, by increasing the number of transistors on the area of a single chip and susceptibility to internal defects alongside aging phenomena, which also is exacerbated by high chip thermal density, monitoring and managing the chip reliability before and after its activation is becoming a necessity. The proposed approaches and experimental investigations in this thesis focus on two main tracks: 1) power awareness and 2) reliability awareness in dark silicon era, where later these two tracks will combine together. In the first track, the main goal is to increase the level of returns in terms of main important features in chip design, such as performance and throughput, while maximum power limit is honored. In fact, we show that by managing the power while having dark silicon, all the traditional benefits that could be achieved by proceeding in Moore’s law can be also achieved in the dark silicon era, however, with a lower amount. Via the track of reliability awareness in dark silicon era, we show that dark silicon can be considered as an opportunity to be exploited for different instances of benefits, namely life-time increase and online testing. We discuss how dark silicon can be exploited to guarantee the system lifetime to be above a certain target value and, furthermore, how dark silicon can be exploited to apply low cost non-intrusive online testing on the cores. After the demonstration of power and reliability awareness while having dark silicon, two approaches will be discussed as the case study where the power and reliability awareness are combined together. The first approach demonstrates how chip reliability can be used as a supplementary metric for power-reliability management. While the second approach provides a trade-off between workload performance and system reliability by simultaneously honoring the given power budget and target reliability

Cross-Layer Rapid Prototyping and Synthesis of Application-Specific and Reconfigurable Many-accelerator Platforms

Technological advances of recent years laid the foundation consolidation of informatisationof society, impacting on economic, political, cultural and socialdimensions. At the peak of this realization, today, more and more everydaydevices are connected to the web, giving the term ”Internet of Things”. The futureholds the full connection and interaction of IT and communications systemsto the natural world, delimiting the transition to natural cyber systems and offeringmeta-services in the physical world, such as personalized medical care, autonomoustransportation, smart energy cities etc. . Outlining the necessities of this dynamicallyevolving market, computer engineers are required to implement computingplatforms that incorporate both increased systemic complexity and also cover awide range of meta-characteristics, such as the cost and design time, reliabilityand reuse, which are prescribed by a conflicting set of functional, technical andconstruction constraints. This thesis aims to address these design challenges bydeveloping methodologies and hardware/software co-design tools that enable therapid implementation and efficient synthesis of architectural solutions, which specifyoperating meta-features required by the modern market. Specifically, this thesispresents a) methodologies to accelerate the design flow for both reconfigurableand application-specific architectures, b) coarse-grain heterogeneous architecturaltemplates for processing and communication acceleration and c) efficient multiobjectivesynthesis techniques both at high abstraction level of programming andphysical silicon level.Regarding to the acceleration of the design flow, the proposed methodologyemploys virtual platforms in order to hide architectural details and drastically reducesimulation time. An extension of this framework introduces the systemicco-simulation using reconfigurable acceleration platforms as co-emulation intermediateplatforms. Thus, the development cycle of a hardware/software productis accelerated by moving from a vertical serial flow to a circular interactive loop.Moreover the simulation capabilities are enriched with efficient detection and correctiontechniques of design errors, as well as control methods of performancemetrics of the system according to the desired specifications, during all phasesof the system development. In orthogonal correlation with the aforementionedmethodological framework, a new architectural template is proposed, aiming atbridging the gap between design complexity and technological productivity usingspecialized hardware accelerators in heterogeneous systems-on-chip and networkon-chip platforms. It is presented a novel co-design methodology for the hardwareaccelerators and their respective programming software, including the tasks allocationto the available resources of the system/network. The introduced frameworkprovides implementation techniques for the accelerators, using either conventionalprogramming flows with hardware description language or abstract programmingmodel flows, using techniques from high-level synthesis. In any case, it is providedthe option of systemic measures optimization, such as the processing speed,the throughput, the reliability, the power consumption and the design silicon area.Finally, on addressing the increased complexity in design tools of reconfigurablesystems, there are proposed novel multi-objective optimization evolutionary algo-rithms which exploit the modern multicore processors and the coarse-grain natureof multithreaded programming environments (e.g. OpenMP) in order to reduce theplacement time, while by simultaneously grouping the applications based on theirintrinsic characteristics, the effectively explore the design space effectively.The efficiency of the proposed architectural templates, design tools and methodologyflows is evaluated in relation to the existing edge solutions with applicationsfrom typical computing domains, such as digital signal processing, multimedia andarithmetic complexity, as well as from systemic heterogeneous environments, suchas a computer vision system for autonomous robotic space navigation and manyacceleratorsystems for HPC and workstations/datacenters. The results strengthenthe belief of the author, that this thesis provides competitive expertise to addresscomplex modern - and projected future - design challenges.Οι τεχνολογικές εξελίξεις των τελευταίων ετών έθεσαν τα θεμέλια εδραίωσης της πληροφοριοποίησης της κοινωνίας, επιδρώντας σε οικονομικές,πολιτικές, πολιτιστικές και κοινωνικές διαστάσεις. Στο απόγειο αυτής τη ςπραγμάτωσης, σήμερα, ολοένα και περισσότερες καθημερινές συσκευές συνδέονται στο παγκόσμιο ιστό, αποδίδοντας τον όρο «Ίντερνετ των πραγμάτων».Το μέλλον επιφυλάσσει την πλήρη σύνδεση και αλληλεπίδραση των συστημάτων πληροφορικής και επικοινωνιών με τον φυσικό κόσμο, οριοθετώντας τη μετάβαση στα συστήματα φυσικού κυβερνοχώρου και προσφέροντας μεταυπηρεσίες στον φυσικό κόσμο όπως προσωποποιημένη ιατρική περίθαλψη, αυτόνομες μετακινήσεις, έξυπνες ενεργειακά πόλεις κ.α. . Σκιαγραφώντας τις ανάγκες αυτής της δυναμικά εξελισσόμενης αγοράς, οι μηχανικοί υπολογιστών καλούνται να υλοποιήσουν υπολογιστικές πλατφόρμες που αφενός ενσωματώνουν αυξημένη συστημική πολυπλοκότητα και αφετέρου καλύπτουν ένα ευρύ φάσμα μεταχαρακτηριστικών, όπως λ.χ. το κόστος σχεδιασμού, ο χρόνος σχεδιασμού, η αξιοπιστία και η επαναχρησιμοποίηση, τα οποία προδιαγράφονται από ένα αντικρουόμενο σύνολο λειτουργικών, τεχνολογικών και κατασκευαστικών περιορισμών. Η παρούσα διατριβή στοχεύει στην αντιμετώπιση των παραπάνω σχεδιαστικών προκλήσεων, μέσω της ανάπτυξης μεθοδολογιών και εργαλείων συνσχεδίασης υλικού/λογισμικού που επιτρέπουν την ταχεία υλοποίηση καθώς και την αποδοτική σύνθεση αρχιτεκτονικών λύσεων, οι οποίες προδιαγράφουν τα μετα-χαρακτηριστικά λειτουργίας που απαιτεί η σύγχρονη αγορά. Συγκεκριμένα, στα πλαίσια αυτής της διατριβής, παρουσιάζονται α) μεθοδολογίες επιτάχυνσης της ροής σχεδιασμού τόσο για επαναδιαμορφούμενες όσο και για εξειδικευμένες αρχιτεκτονικές, β) ετερογενή αδρομερή αρχιτεκτονικά πρότυπα επιτάχυνσης επεξεργασίας και επικοινωνίας και γ) αποδοτικές τεχνικές πολυκριτηριακής σύνθεσης τόσο σε υψηλό αφαιρετικό επίπεδο προγραμματισμού,όσο και σε φυσικό επίπεδο πυριτίου.Αναφορικά προς την επιτάχυνση της ροής σχεδιασμού, προτείνεται μια μεθοδολογία που χρησιμοποιεί εικονικές πλατφόρμες, οι οποίες αφαιρώντας τις αρχιτεκτονικές λεπτομέρειες καταφέρνουν να μειώσουν σημαντικά το χρόνο εξομοίωσης. Παράλληλα, εισηγείται η συστημική συν-εξομοίωση με τη χρήση επαναδιαμορφούμενων πλατφορμών, ως μέσων επιτάχυνσης. Με αυτόν τον τρόπο, ο κύκλος ανάπτυξης ενός προϊόντος υλικού, μετατεθειμένος από την κάθετη σειριακή ροή σε έναν κυκλικό αλληλεπιδραστικό βρόγχο, καθίσταται ταχύτερος, ενώ οι δυνατότητες προσομοίωσης εμπλουτίζονται με αποδοτικότερες μεθόδους εντοπισμού και διόρθωσης σχεδιαστικών σφαλμάτων, καθώς και μεθόδους ελέγχου των μετρικών απόδοσης του συστήματος σε σχέση με τις επιθυμητές προδιαγραφές, σε όλες τις φάσεις ανάπτυξης του συστήματος. Σε ορθογώνια συνάφεια με το προαναφερθέν μεθοδολογικό πλαίσιο, προτείνονται νέα αρχιτεκτονικά πρότυπα που στοχεύουν στη γεφύρωση του χάσματος μεταξύ της σχεδιαστικής πολυπλοκότητας και της τεχνολογικής παραγωγικότητας, με τη χρήση συστημάτων εξειδικευμένων επιταχυντών υλικού σε ετερογενή συστήματα-σε-ψηφίδα καθώς και δίκτυα-σε-ψηφίδα. Παρουσιάζεται κατάλληλη μεθοδολογία συν-σχεδίασης των επιταχυντών υλικού και του λογισμικού προκειμένου να αποφασισθεί η κατανομή των εργασιών στους διαθέσιμους πόρους του συστήματος/δικτύου. Το μεθοδολογικό πλαίσιο προβλέπει την υλοποίηση των επιταχυντών είτε με συμβατικές μεθόδους προγραμματισμού σε γλώσσα περιγραφής υλικού είτε με αφαιρετικό προγραμματιστικό μοντέλο με τη χρήση τεχνικών υψηλού επιπέδου σύνθεσης. Σε κάθε περίπτωση, δίδεται η δυνατότητα στο σχεδιαστή για βελτιστοποίηση συστημικών μετρικών, όπως η ταχύτητα επεξεργασίας, η ρυθμαπόδοση, η αξιοπιστία, η κατανάλωση ενέργειας και η επιφάνεια πυριτίου του σχεδιασμού. Τέλος, προκειμένου να αντιμετωπισθεί η αυξημένη πολυπλοκότητα στα σχεδιαστικά εργαλεία επαναδιαμορφούμενων συστημάτων, προτείνονται νέοι εξελικτικοί αλγόριθμοι πολυκριτηριακής βελτιστοποίησης, οι οποίοι εκμεταλλευόμενοι τους σύγχρονους πολυπύρηνους επεξεργαστές και την αδρομερή φύση των πολυνηματικών περιβαλλόντων προγραμματισμού (π.χ. OpenMP), μειώνουν το χρόνο επίλυσης του προβλήματος της τοποθέτησης των λογικών πόρων σε φυσικούς,ενώ ταυτόχρονα, ομαδοποιώντας τις εφαρμογές βάση των εγγενών χαρακτηριστικών τους, διερευνούν αποτελεσματικότερα το χώρο σχεδίασης.Η αποδοτικότητά των προτεινόμενων αρχιτεκτονικών προτύπων και μεθοδολογιών επαληθεύτηκε σε σχέση με τις υφιστάμενες λύσεις αιχμής τόσο σε αυτοτελής εφαρμογές, όπως η ψηφιακή επεξεργασία σήματος, τα πολυμέσα και τα προβλήματα αριθμητικής πολυπλοκότητας, καθώς και σε συστημικά ετερογενή περιβάλλοντα, όπως ένα σύστημα όρασης υπολογιστών για αυτόνομα διαστημικά ρομποτικά οχήματα και ένα σύστημα πολλαπλών επιταχυντών υλικού για σταθμούς εργασίας και κέντρα δεδομένων, στοχεύοντας εφαρμογές υψηλής υπολογιστικής απόδοσης (HPC). Τα αποτελέσματα ενισχύουν την πεποίθηση του γράφοντα, ότι η παρούσα διατριβή παρέχει ανταγωνιστική τεχνογνωσία για την αντιμετώπιση των πολύπλοκων σύγχρονων και προβλεπόμενα μελλοντικών σχεδιαστικών προκλήσεων

Runtime adaptive iomt node on multi-core processor platform

The Internet of Medical Things (IoMT) paradigm is becoming mainstream in multiple clinical trials and healthcare procedures. Thanks to innovative technologies, latest-generation communication networks, and state-of-the-art portable devices, IoTM opens up new scenarios for data collection and continuous patient monitoring. Two very important aspects should be considered to make the most of this paradigm. For the first aspect, moving the processing task from the cloud to the edge leads to several advantages, such as responsiveness, portability, scalability, and reliability of the sensor node. For the second aspect, in order to increase the accuracy of the system, state-of-the-art cognitive algorithms based on artificial intelligence and deep learning must be integrated. Sensory nodes often need to be battery powered and need to remain active for a long time without a different power source. Therefore, one of the challenges to be addressed during the design and development of IoMT devices concerns energy optimization. Our work proposes an implementation of cognitive data analysis based on deep learning techniques on resource-constrained computing platform. To handle power efficiency, we introduced a component called Adaptive runtime Manager (ADAM). This component takes care of reconfiguring the hardware and software of the device dynamically during the execution, in order to better adapt it to the workload and the required operating mode. To test the high computational load on a multi-core system, the Orlando prototype board by STMicroelectronics, cognitive analysis of Electrocardiogram (ECG) traces have been adopted, considering single-channel and six-channel simultaneous cases. Experimental results show that by managing the sensory node configuration at runtime, energy savings of at least 15% can be achieved