Run-time Spatial Mapping of Streaming Applications to Heterogeneous Multi-Processor Systems

In this paper, we define the problem of spatial mapping. We present reasons why performing spatial mappings at run-time is both necessary and desirable. We propose what is—to our knowledge—the first attempt at a formal description of spatial mappings for the embedded real-time streaming application domain. Thereby, we introduce criteria for a qualitative comparison of these spatial mappings. As an illustration of how our formalization relates to practice, we relate our own spatial mapping algorithm to the formal model

Automatic synthesis and optimization of chip multiprocessors

The microprocessor technology has experienced an enormous growth during the last decades. Rapid downscale of the CMOS technology has led to higher operating frequencies and performance densities, facing the fundamental issue of power dissipation. Chip Multiprocessors (CMPs) have become the latest paradigm to improve the power-performance efficiency of computing systems by exploiting the parallelism inherent in applications. Industrial and prototype implementations have already demonstrated the benefits achieved by CMPs with hundreds of cores.CMP architects are challenged to take many complex design decisions. Only a few of them are:- What should be the ratio between the core and cache areas on a chip?- Which core architectures to select?- How many cache levels should the memory subsystem have?- Which interconnect topologies provide efficient on-chip communication?These and many other aspects create a complex multidimensional space for architectural exploration. Design Automation tools become essential to make the architectural exploration feasible under the hard time-to-market constraints. The exploration methods have to be efficient and scalable to handle future generation on-chip architectures with hundreds or thousands of cores.Furthermore, once a CMP has been fabricated, the need for efficient deployment of the many-core processor arises. Intelligent techniques for task mapping and scheduling onto CMPs are necessary to guarantee the full usage of the benefits brought by the many-core technology. These techniques have to consider the peculiarities of the modern architectures, such as availability of enhanced power saving techniques and presence of complex memory hierarchies.This thesis has several objectives. The first objective is to elaborate the methods for efficient analytical modeling and architectural design space exploration of CMPs. The efficiency is achieved by using analytical models instead of simulation, and replacing the exhaustive exploration with an intelligent search strategy. Additionally, these methods incorporate high-level models for physical planning. The related contributions are described in Chapters 3, 4 and 5 of the document.The second objective of this work is to propose a scalable task mapping algorithm onto general-purpose CMPs with power management techniques, for efficient deployment of many-core systems. This contribution is explained in Chapter 6 of this document.Finally, the third objective of this thesis is to address the issues of the on-chip interconnect design and exploration, by developing a model for simultaneous topology customization and deadlock-free routing in Networks-on-Chip. The developed methodology can be applied to various classes of the on-chip systems, ranging from general-purpose chip multiprocessors to application-specific solutions. Chapter 7 describes the proposed model.The presented methods have been thoroughly tested experimentally and the results are described in this dissertation. At the end of the document several possible directions for the future research are proposed

Virtual Runtime Application Partitions for Resource Management in Massively Parallel Architectures

This thesis presents a novel design paradigm, called Virtual Runtime Application Partitions (VRAP), to judiciously utilize the on-chip resources. As the dark silicon era approaches, where the power considerations will allow only a fraction chip to be powered on, judicious resource management will become a key consideration in future designs. Most of the works on resource management treat only the physical components (i.e. computation, communication, and memory blocks) as resources and manipulate the component to application mapping to optimize various parameters (e.g. energy efficiency). To further enhance the optimization potential, in addition to the physical resources we propose to manipulate abstract resources (i.e. voltage/frequency operating point, the fault-tolerance strength, the degree of parallelism, and the configuration architecture). The proposed framework (i.e. VRAP) encapsulates methods, algorithms, and hardware blocks to provide each application with the abstract resources tailored to its needs. To test the efficacy of this concept, we have developed three distinct self adaptive environments: (i) Private Operating Environment (POE), (ii) Private Reliability Environment (PRE), and (iii) Private Configuration Environment (PCE) that collectively ensure that each application meets its deadlines using minimal platform resources. In this work several novel architectural enhancements, algorithms and policies are presented to realize the virtual runtime application partitions efficiently. Considering the future design trends, we have chosen Coarse Grained Reconfigurable Architectures (CGRAs) and Network on Chips (NoCs) to test the feasibility of our approach. Specifically, we have chosen Dynamically Reconfigurable Resource Array (DRRA) and McNoC as the representative CGRA and NoC platforms. The proposed techniques are compared and evaluated using a variety of quantitative experiments. Synthesis and simulation results demonstrate VRAP significantly enhances the energy and power efficiency compared to state of the art.Siirretty Doriast

Dynamic Resource Management of Network-on-Chip Platforms for Multi-stream Video Processing

This thesis considers resource management in the context of parallel multiple video stream decoding, on multicore/many-core platforms. Such platforms have tens or hundreds of on-chip processing elements which are connected via a Network-on-Chip (NoC). Inefficient task allocation configurations can negatively affect the communication cost and resource contention in the platform, leading to predictability and performance issues. Efficient resource management for large-scale complex workloads is considered a challenging research problem; especially when applications such as video streaming and decoding have dynamic and unpredictable workload characteristics. For these type of applications, runtime heuristic-based task mapping techniques are required. As the application and platform size increase, decentralised resource management techniques are more desirable to overcome the reliability and performance bottlenecks in centralised management. In this work, several heuristic-based runtime resource management techniques, targeting real-time video decoding workloads are proposed. Firstly, two admission control approaches are proposed; one fully deterministic and highly predictable; the other is heuristic-based, which balances predictability and performance. Secondly, a pair of runtime task mapping schemes are presented, which make use of limited known application properties, communication cost and blocking-aware heuristics. Combined with the proposed deterministic admission controller, these techniques can provide strict timing guarantees for hard real-time streams whilst improving resource usage. The third contribution in this thesis is a distributed, bio-inspired, low-overhead, task re-allocation technique, which is used to further improve the timeliness and workload distribution of admitted soft real-time streams. Finally, this thesis explores parallelisation and resource management issues, surrounding soft real-time video streams that have been encoded using complex encoding tools and modern codecs such as High Efficiency Video Coding (HEVC). Properties of real streams and decoding trace data are analysed, to statistically model and generate synthetic HEVC video decoding workloads. These workloads are shown to have complex and varying task dependency structures and resource requirements. To address these challenges, two novel runtime task clustering and mapping techniques for Tile-parallel HEVC decoding are proposed. These strategies consider the workload communication to computation ratio and stream-specific characteristics to balance predictability improvement and communication energy reduction. Lastly, several task to memory controller port assignment schemes are explored to alleviate performance bottlenecks, resulting from memory traffic contention

TD-NUCA: runtime driven management of NUCA caches in task dataflow programming models

In high performance processors, the design of on-chip memory hierarchies is crucial for performance and energy efficiency. Current processors rely on large shared Non-Uniform Cache Architectures (NUCA) to improve performance and reduce data movement. Multiple solutions exploit information available at the microarchitecture level or in the operating system to optimize NUCA performance. However, existing methods have not taken advantage of the information captured by task dataflow programming models to guide the management of NUCA caches. In this paper we propose TD-NUCA, a hardware/software co-designed approach that leverages information present in the runtime system of task dataflow programming models to efficiently manage NUCA caches. TD-NUCA identifies the data access and reuse patterns of parallel applications in the runtime system and guides the operation of the NUCA caches in the hardware. As a result, TD-NUCA achieves a 1.18x average speedup over the baseline S-NUCA while requiring only 0.62x the data movement.This work has been supported by the Spanish Ministry of Science and Technology (contract PID2019-107255GB-C21) and the Generalitat de Catalunya (contract 2017-SGR-1414). M. Casas has been partially supported by the Grant RYC- 2017-23269 funded by MCIN/AEI/10.13039/501100011033 and ESF ‘Investing in your future’. M. Moreto has been partially supported by the Spanish Ministry of Economy, Industry and Competitiveness under Ramon y Cajal fellowship No. RYC-2016-21104.Peer ReviewedPostprint (published version

Energy and performance-aware application mapping for inhomogeneous 3D networks-on-chip

Three dimensional Networks-on-Chip (3D NoCs) have evolved as an ideal solution to the communication demands and complexity of future high density many core architectures. However, the design practicality of 3D NoCs faces several challenges such as thermal issues, high power consumption and area overhead of 3D routers as well as high complexity and cost of vertical link implementation. To mitigate the performance and manufacturing cost of 3D NoCs, inhomogeneous architectures have emerged to combine 2D and 3D routers in 3D NoCs producing lower area and energy consumption while maintaining the performance of homogeneous 3D NoCs. Due to the limited number of vertical links, application mapping on inhomogeneous 3D NoCs can be complex. However, application mapping has a great impact on the performance and energy consumption of NoCs. This paper presents an energy and performance aware application mapping algorithm for inhomogeneous 3D NoCs. The algorithm has been evaluated with various realistic traffic patterns and compared with existing mapping algorithms. Experimental results show NoCs mapped with the proposed algorithm have lower energy consumption and significant reduction in packet delays compared to the existing algorithms and comparable average packet latency with Branch-and-Bound

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

Design Space Exploration for MPSoC Architectures

Multiprocessor system-on-chip (MPSoC) designs utilize the available technology and communication architectures to meet the requirements of the upcoming applications. In MPSoC, the communication platform is both the key enabler, as well as the key differentiator for realizing efficient MPSoCs. It provides product differentiation to meet a diverse, multi-dimensional set of design constraints, including performance, power, energy, reconfigurability, scalability, cost, reliability and time-to-market. The communication resources of a single interconnection platform cannot be fully utilized by all kind of applications, such as the availability of higher communication bandwidth for computation but not data intensive applications is often unfeasible in the practical implementation. This thesis aims to perform the architecture-level design space exploration towards efficient and scalable resource utilization for MPSoC communication architecture. In order to meet the performance requirements within the design constraints, careful selection of MPSoC communication platform, resource aware partitioning and mapping of the application play important role. To enhance the utilization of communication resources, variety of techniques such as resource sharing, multicast to avoid re-transmission of identical data, and adaptive routing can be used. For implementation, these techniques should be customized according to the platform architecture. To address the resource utilization of MPSoC communication platforms, variety of architectures with different design parameters and performance levels, namely Segmented bus (SegBus), Network-on-Chip (NoC) and Three-Dimensional NoC (3D-NoC), are selected. Average packet latency and power consumption are the evaluation parameters for the proposed techniques. In conventional computing architectures, fault on a component makes the connected fault-free components inoperative. Resource sharing approach can utilize the fault-free components to retain the system performance by reducing the impact of faults. Design space exploration also guides to narrow down the selection of MPSoC architecture, which can meet the performance requirements with design constraints.Siirretty Doriast

On Energy Efficient Computing Platforms

In accordance with the Moore's law, the increasing number of on-chip integrated transistors has enabled modern computing platforms with not only higher processing power but also more affordable prices. As a result, these platforms, including portable devices, work stations and data centres, are becoming an inevitable part of the human society. However, with the demand for portability and raising cost of power, energy efficiency has emerged to be a major concern for modern computing platforms. As the complexity of on-chip systems increases, Network-on-Chip (NoC) has been proved as an efficient communication architecture which can further improve system performances and scalability while reducing the design cost. Therefore, in this thesis, we study and propose energy optimization approaches based on NoC architecture, with special focuses on the following aspects. As the architectural trend of future computing platforms, 3D systems have many bene ts including higher integration density, smaller footprint, heterogeneous integration, etc. Moreover, 3D technology can signi cantly improve the network communication and effectively avoid long wirings, and therefore, provide higher system performance and energy efficiency. With the dynamic nature of on-chip communication in large scale NoC based systems, run-time system optimization is of crucial importance in order to achieve higher system reliability and essentially energy efficiency. In this thesis, we propose an agent based system design approach where agents are on-chip components which monitor and control system parameters such as supply voltage, operating frequency, etc. With this approach, we have analysed the implementation alternatives for dynamic voltage and frequency scaling and power gating techniques at different granularity, which reduce both dynamic and leakage energy consumption. Topologies, being one of the key factors for NoCs, are also explored for energy saving purpose. A Honeycomb NoC architecture is proposed in this thesis with turn-model based deadlock-free routing algorithms. Our analysis and simulation based evaluation show that Honeycomb NoCs outperform their Mesh based counterparts in terms of network cost, system performance as well as energy efficiency.Siirretty Doriast