The Thermal-Constrained Real-Time Systems Design on Multi-Core Platforms -- An Analytical Approach

Over the past decades, the shrinking transistor size enabled more transistors to be integrated into an IC chip, to achieve higher and higher computing performances. However, the semiconductor industry is now reaching a saturation point of Moore’s Law largely due to soaring power consumption and heat dissipation, among other factors. High chip temperature not only significantly increases packing/cooling cost, degrades system performance and reliability, but also increases the energy consumption and even damages the chip permanently. Although designing 2D and even 3D multi-core processors helps to lower the power/thermal barrier for single-core architectures by exploring the thread/process level parallelism, the higher power density and longer heat removal path has made the thermal problem substantially more challenging, surpassing the heat dissipation capability of traditional cooling mechanisms such as cooling fan, heat sink, heat spread, etc., in the design of new generations of computing systems. As a result, dynamic thermal management (DTM), i.e. to control the thermal behavior by dynamically varying computing performance and workload allocation on an IC chip, has been well-recognized as an effective strategy to deal with the thermal challenges. Over the past decades, the shrinking transistor size, benefited from the advancement of IC technology, enabled more transistors to be integrated into an IC chip, to achieve higher and higher computing performances. However, the semiconductor industry is now reaching a saturation point of Moore’s Law largely due to soaring power consumption and heat dissipation, among other factors. High chip temperature not only significantly increases packing/cooling cost, degrades system performance and reliability, but also increases the energy consumption and even damages the chip permanently. Although designing 2D and even 3D multi-core processors helps to lower the power/thermal barrier for single-core architectures by exploring the thread/process level parallelism, the higher power density and longer heat removal path has made the thermal problem substantially more challenging, surpassing the heat dissipation capability of traditional cooling mechanisms such as cooling fan, heat sink, heat spread, etc., in the design of new generations of computing systems. As a result, dynamic thermal management (DTM), i.e. to control the thermal behavior by dynamically varying computing performance and workload allocation on an IC chip, has been well-recognized as an effective strategy to deal with the thermal challenges. Different from many existing DTM heuristics that are based on simple intuitions, we seek to address the thermal problems through a rigorous analytical approach, to achieve the high predictability requirement in real-time system design. In this regard, we have made a number of important contributions. First, we develop a series of lemmas and theorems that are general enough to uncover the fundamental principles and characteristics with regard to the thermal model, peak temperature identification and peak temperature reduction, which are key to thermal-constrained real-time computer system design. Second, we develop a design-time frequency and voltage oscillating approach on multi-core platforms, which can greatly enhance the system throughput and its service capacity. Third, different from the traditional workload balancing approach, we develop a thermal-balancing approach that can substantially improve the energy efficiency and task partitioning feasibility, especially when the system utilization is high or with a tight temperature constraint. The significance of our research is that, not only can our proposed algorithms on throughput maximization and energy conservation outperform existing work significantly as demonstrated in our extensive experimental results, the theoretical results in our research are very general and can greatly benefit other thermal-related research

Energy-aware performance engineering in high performance computing

Advances in processor design have delivered performance improvements for decades. As physical limits are reached, however, refinements to the same basic technologies are beginning to yield diminishing returns. Unsustainable increases in energy consumption are forcing hardware manufacturers to prioritise energy efficiency in their designs. Research suggests that software modifications will be needed to exploit the resulting improvements in current and future hardware. New tools are required to capitalise on this new class of optimisation. This thesis investigates the field of energy-aware performance engineering. It begins by examining the current state of the art, which is characterised by ad-hoc techniques and a lack of standardised metrics. Work in this thesis addresses these deficiencies and lays stable foundations for others to build on. The first contribution made includes a set of criteria which define the properties that energy-aware optimisation metrics should exhibit. These criteria show that current metrics cannot meaningfully assess the utility of code or correctly guide its optimisation. New metrics are proposed to address these issues, and theoretical and empirical proofs of their advantages are given. This thesis then presents the Power Optimised Software Envelope (POSE) model, which allows developers to assess whether power optimisation is worth pursuing for their applications. POSE is used to study the optimisation characteristics of codes from the Mantevo mini-application suite running on a Haswell-based cluster. The results obtained show that of these codes TeaLeaf has the most scope for power optimisation while PathFinder has the least. Finally, POSE modelling techniques are extended to evaluate the system-wide scope for energy-aware performance optimisation. System Summary POSE allows developers to assess the scope a system has for energy-aware software optimisation independent of the code being run

It is too hot in here! A performance, energy and heat aware scheduler for Asymmetric multiprocessing processors in embedded systems.

Modern architecture present in self-power devices such as mobiles or tablet computers proposes the use of asymmetric processors that allow either energy-efficient or performant computation on the same SoC. For energy efficiency and performance consideration, the asymmetry resides in differences in CPU micro-architecture design and results in diverging raw computing capability. Other components such as the processor memory subsystem also show differences resulting in different memory transaction timing. Moreover, based on a bus-snoop protocol, cache coherency between processors comes with a peculiarity in memory latency depending on the processors operating frequencies. All these differences come with challenging decisions on both application schedulability and processor operating frequencies. In addition, because of the small form factor of such embedded systems, these devices generally cannot afford active cooling systems. Therefore thermal mitigation relies on dynamic software solutions. Current operating systems for embedded systems such as Linux or Android do not consider all these particularities. As such, they often fail to satisfy user expectations of a powerful device with long battery life. To remedy this situation, this thesis proposes a unified approach to deliver high-performance and energy-efficiency computation in each of its flavours, considering the memory subsystem and all computation units available in the system. Performance is maximized even when the device is under heavy thermal constraints. The proposed unified solution is based on accurate models targeting both performance and thermal behaviour and resides at the operating systems kernel level to manage all running applications in a global manner. Particularly, the performance model considers both the computation part and also the memory subsystem of symmetric or asymmetric processors present in embedded devices. The thermal model relies on the accurate physical thermal properties of the device. Using these models, application schedulability and processor frequency scaling decisions to either maximize performance or energy efficiency within a thermal budget are extensively studied. To cover a large range of application behaviour, both models are built and designed using a generative workload that considers fine-grain details of the underlying microarchitecture of the SoC. Therefore, this approach can be derived and applied to multiple devices with little effort. Extended evaluation on real-world benchmarks for high performance and general computing, as well as common applications targeting the mobile and tablet market, show the accuracy and completeness of models used in this unified approach to deliver high performance and energy efficiency under high thermal constraints for embedded devices

Novel DVFS Methodologies For Power-Efficient Mobile MPSoC

Low power mobile computing systems such as smartphones and wearables have become an integral part of our daily lives and are used in various ways to enhance our daily lives. Majority of modern mobile computing systems are powered by multi-processor System-on-a-Chip (MPSoC), where multiple processing elements are utilized on a single chip. Given the fact that these devices are battery operated most of the times, thus, have limited power supply and the key challenges include catering for performance while reducing the power consumption. Moreover, the reliability in terms of lifespan of these devices are also affected by the peak thermal behaviour on the device, which retrospectively also make such devices vulnerable to temperature side-channel attack. This thesis is concerned with performing Dynamic Voltage and Frequency Scaling (DVFS) on different processing elements such as CPU & GPU, and memory unit such as RAM to address the aforementioned challenges. Firstly, we design a Computer Vision based machine learning technique to classify applications automatically into different categories of workload such that DVFS could be performed on the CPU to reduce the power consumption of the device while executing the application. Secondly, we develop a reinforcement learning based agent to perform DVFS on CPU and GPU while considering the user's interaction with such devices to optimize power consumption and thermal behaviour. Next, we develop a heuristic based automated agent to perform DVFS on CPU, GPU and RAM to optimize the same while executing an application. Finally, we explored the affect of DVFS on CPUs leading to vulnerabilities against temperature side-channel attack and hence, we also designed a methodology to secure against such attack while improving the reliability in terms of lifespan of such devices

Performance, Power Modeling and Optimization for High-Performance Computing Systems

University of Minnesota Ph.D. dissertation.October 2016. Major: Electrical/Computer Engineering. Advisor: John Sartori. 1 computer file (PDF); xi, 154 pages.Heterogeneity abounds in modern high-performance computing systems. Applications are heterogeneous, containing time-varying unbalanced utilization for different resources, and system architectures have become heterogeneous in order to achieve higher levels of performance and energy efficiency. The most powerful, and also the most energy-efficient high-performance computing systems today consist of many-core CPUs and GPGPUs with a variety of specialize on-chip and off-chip memories. These heterogeneous systems provide a huge amount of computing resources, but it is becoming increasingly challenging to use them effectively and efficiently to maximize their potential. This becomes an even more pressing challenge as energy efficiency becomes the primary barrier to achieving higher levels of performance. This thesis addresses the challenges of performance modeling and optimization in heterogeneous high-performance computing systems. Effective system optimization requires understanding of how performance and power change in response to optimizations. Therefore, we begin by summarizing the impact of modern architectural advances on performance and power modeling for chip multiprocessors (CMPs). We present two models that estimate the performance and power in such systems. The first model, CAMP, is a fast and accurate cache-aware performance model that estimates the performance degradation due to cache contention of processes running on cache-sharing cores. We then propose a system-level power model for a multi-programmed CMP environment that accounts for cache contention. We explain how to integrate the two models to enable power-aware process assignment. Then, we propose an off-chip memory access-aware runtime DVFS control technique that minimizes energy consumption subject to a constraint on application execution time. The second part of the dissertation focuses on improving performance for GPGPUs. After a thorough analysis on CPI breakdown, we lay out all the key factors that govern GPU throughput. In order to improve overall performance for GPGPUs, we propose two approaches that address the key factors, without introducing extra congestion and degradation to the system. We first propose a new two-level priority scheduling policy to improve overall performance by optimizing effective degree of parallelism. Then, we propose ICMT, a full, detailed solution for intra-core multitasking for GPGPUs, including architectural support and a contention-aware workload scheduling algorithm that improves all the key factors in a balanced fashion. Furthermore, we propose a new contention-aware analytical performance model that provides fine-grained workload scheduling decisions for intra-core multitasking, including detailed resource allocation from co-scheduled workloads

Power Consumption Analysis, Measurement, Management, and Issues:A State-of-the-Art Review of Smartphone Battery and Energy Usage

The advancement and popularity of smartphones have made it an essential and all-purpose device. But lack of advancement in battery technology has held back its optimum potential. Therefore, considering its scarcity, optimal use and efficient management of energy are crucial in a smartphone. For that, a fair understanding of a smartphone's energy consumption factors is necessary for both users and device manufacturers, along with other stakeholders in the smartphone ecosystem. It is important to assess how much of the device's energy is consumed by which components and under what circumstances. This paper provides a generalized, but detailed analysis of the power consumption causes (internal and external) of a smartphone and also offers suggestive measures to minimize the consumption for each factor. The main contribution of this paper is four comprehensive literature reviews on: 1) smartphone's power consumption assessment and estimation (including power consumption analysis and modelling); 2) power consumption management for smartphones (including energy-saving methods and techniques); 3) state-of-the-art of the research and commercial developments of smartphone batteries (including alternative power sources); and 4) mitigating the hazardous issues of smartphones' batteries (with a details explanation of the issues). The research works are further subcategorized based on different research and solution approaches. A good number of recent empirical research works are considered for this comprehensive review, and each of them is succinctly analysed and discussed

Measurement, Modeling, and Characterization for Energy-Efficient Computing

The ever-increasing ecological footprint of Information Technology (IT) sector coupled with adverse effects of high power consumption on electronic circuits has increased the significance of energy-efficient computing in the last decade. Making energy-efficient computing a norm rather than an exception requires that system designers and programmers understand the energy implications of their design and implementation choices. This necessitates a detailed view of system’s energy expenditure and/or power consumption. We explore this aspect of energy-efficient computing in this thesis through power measurement, power modeling, and energy characterization.First, we present a quantitative comparison between power measurement data collected for computer systems using four techniques: a power meter at wall outlet, currenttransducers at ATX power rails, CPU voltage regulator’s current monitor, and Intel’s proprietary RAPL (Running Average Power Limit) interface. We compare them for accuracy, sensitivity and accessibility.Second, we present two different methodologies to model processor power consumption. The first model estimates power consumption at the granularity of individualcores using per-core performance events and temperature sensors. We validate the methodology on six different platforms and show that our model estimates power consumption with high accuracy across all platforms consistently. To understand the energy expenditure trends across different frequencies and different degrees of parallelism, we need to model power at a much finer granularity. The second power model addresses this issue by estimating static and dynamic power consumption for individual cores and the uncore. We validate this model on Intel’s Haswell platform for single-threaded and multi-threaded benchmarks. We use this power model to characterize energy efficiency of frequency scaling on Haswell microarchitecture and use the insights to implementa low overhead DVFS scheduler. We also characterize the energy efficiency of thread scaling using the power model and demonstrate how different communication parametersand microarchitectural traits affect application’s energy when it scales.Finally, we perform detailed performance and energy characterization of Intel’s RestrictedTransactional Memory (RTM).We use TinySTM software transactional memory(STM) system to benchmark RTM’s performance against competing STM alternatives.We use microbenchmarks and STAMP benchmark suite to compare RTM an STM performanceand energy behavior. We quantify the RTM hardware limitations and identifyconditions required for RTM to outperform STM

Energy and Reliability in Future NOC Interconnected CMPS

In this dissertation, I explore energy and reliability in future NoC (Network-on-Chip) interconnected CMPs (chip multiprocessors) as they have become a first-order constraint in future CMP design. In the first part, we target the root cause of network energy consumption through techniques that reduce link and router-level switching activity. We specifically focus on memory subsystem traffic, as it comprises the bulk of NoC load in a CMP. By transmitting only the flits that contain words that we predicted would be useful using a novel spatial locality predictor, our scheme seeks to reduce network activity. We aim to further lower NoC energy consumption through microarchitectural mechanisms that inhibit datapath switching activity caused by unused words in individual flits. Using simulation-based performance studies and detailed energy models based on synthesized router designs and different link wire types, we show that (a) the pre- diction mechanism achieves very high accuracy, with an average rate of false-unused prediction of just 2.5%; (b) the combined NoC energy savings enabled by the predictor and microarchitectural support are 36% on average and up to 57% in the best case; and (c) there is no system performance penalty as a result of this technique. In the second part, we present a method for dynamic voltage/frequency scaling of networks-on-chip and last level caches in CMP designs, where the shared resources form a single voltage/frequency domain. We develop a new technique for monitoring and control and validate it by running PARSEC benchmarks through full system simulations. These techniques reduce energy-delay product by 46% compared to a state-of-the-art prior work. In the third part, we develop critical path models for HCI- and NBTI-induced wear assuming stress caused under realistic workload conditions, and apply them onto the interconnect microarchitecture. A key finding from this modeling is that, counter to prevailing wisdom, wearout in the CMP on-chip interconnect is correlated with a lack of load observed in the NoC routers, rather than high load. We then develop a novel wearout-decelerating scheme in which routers under low load have their wearout-sensitive components exercised without significantly impacting the router’s cycle time, pipeline depth, and area or power consumption. We subsequently show that the proposed design yields a 13.8∼65× increase in CMP lifetime

Power-Aware Job Dispatching in High Performance Computing Systems

This works deals with the power-aware job dispatching problem in supercomputers; broadly speaking the dispatching consists of assigning finite capacity resources to a set of activities, with a special concern toward power and energy efficient solutions. We introduce novel optimization approaches to address its multiple aspects. The proposed techniques have a broad application range but are aimed at applications in the field of High Performance Computing (HPC) systems. Devising a power-aware HPC job dispatcher is a complex, where contrasting goals must be satisfied. Furthermore, the online nature of the problem request that solutions must be computed in real time respecting stringent limits. This aspect historically discouraged the usage of exact methods and favouring instead the adoption of heuristic techniques. The application of optimization approaches to the dispatching task is still an unexplored area of research and can drastically improve the performance of HPC systems. In this work we tackle the job dispatching problem on a real HPC machine, the Eurora supercomputer hosted at the Cineca research center, Bologna. We propose a Constraint Programming (CP) model that outperforms the dispatching software currently in use. An essential element to take power-aware decisions during the job dispatching phase is the possibility to estimate jobs power consumptions before their execution. To this end, we applied Machine Learning techniques to create a prediction model that was trained and tested on the Euora supercomputer, showing a great prediction accuracy. Then we finally develop a power-aware solution, considering the same target machine, and we devise different approaches to solve the dispatching problem while curtailing the power consumption of the whole system under a given threshold. We proposed a heuristic technique and a CP/heuristic hybrid method, both able to solve practical size instances and outperform the current state-of-the-art techniques

Proactive Adaptation in Self-Organizing Task-based Runtime Systems for Different Computing Classes

Moderne Computersysteme bieten Anwendern und Anwendungsentwicklern ein hohes Maß an Parallelität und Heterogenität. Die effiziente Nutzung dieser Systeme erfordert jedoch tiefgreifende Kenntnisse, z.B. der darunterliegenden Hardware-Plattform und den notwendigen Programmiermodellen, und umfangreiche Arbeit des Entwicklers. In dieser Thesis bezieht sich die effiziente Nutzung auf die Gesamtausführungszeit der Anwendungen, den Energieverbrauch des Systems, die maximale Temperatur der Verarbeitungseinheiten und die Zuverlässigkeit des Systems. Neben den verschiedenen Optimierungszielen muss ein Anwendungsentwickler auch die spezifischen Einschränkungen und Randbedingungen des Systems berücksichtigen, wie z. B. Deadlines oder Sicherheitsgarantien, die mit bestimmten Anwendungsbereichen einhergehen. Diese Komplexität heterogener Systeme macht es unmöglich, alle potenziellen Systemzustände und Umwelteinflüsse, die zur Laufzeit auftreten können, vorherzusagen. Die System- und Anwendungsentwickler sind somit nicht in der Lage, zur Entwurfszeit festzulegen, wie das System und die Anwendungen in allen möglichen Situationen reagieren sollen. Daher ist es notwendig, die Systeme zur Laufzeit der aktuellen Situation anzupassen, um ihr Verhalten entsprechend zu optimieren. In eingebetteten Systemen mit begrenzten Kühlkapazitäten muss z.B. bei Erreichen einer bestimmten Temperaturschwelle eine Lastverteilung vorgenommen, die Frequenz verringert oder Verarbeitungseinheiten abgeschaltet werden, um die Wärmeentwicklung zu reduzieren. Normalerweise reicht es aber nicht aus, einfach nur auf einen ungünstigen Systemzustand zu reagieren. Das Ziel sollte darin bestehen, ungünstige oder fehlerhafte Systemzustände vor dem Auftreten zu vermeiden, um die Notwendigkeit des Aufrufs von Notfallfunktionen zu verringern und die Benutzerfreundlichkeit zu verbessern. Anstatt beispielsweise die Wärmeentwicklung durch eine Neuverteilung der Anwendungen zu reduzieren, könnten proaktive Mechanismen kritische Temperaturen bereits im Vorfeld vermeiden, indem sie bestimmte unkritische Aufgaben verzögern oder deren Genauigkeit oder QoS verringern. Auf diese Weise wird die Systemlast reduziert, bevor ein kritischer Punkt erreicht wird. Lösungen des aktuellen Stands der Technik wie einheitliche Programmiersprachen oder Laufzeitsysteme adressieren einige der oben genannten Herausforderungen, jedoch existiert kein Ansatz, der in der Lage ist, eine Optimierung mehrerer sich widersprechender Zielfunktionen dynamisch und vor allem proaktiv durchzuführen. Ein Konzept, das diese komplexe Aufgabe für den Entwickler übernimmt und eine Möglichkeit zur dynamischen und proaktiven Anpassung an Veränderungen bietet, ist die Selbstorganisation. Selbstorganisation ist jedoch definiert als ein Prozess ohne externe Kontrolle oder Steuerung. Im Kontext der Systemoptimierung kann dies leicht zu unerwünschten Ergebnissen führen. Ein Ansatz, der Selbstorganisation mit einem Kontrollmechanismus kombiniert, welcher auf Robustheit und Widerstandsfähigkeit gegenüber äußeren Störungen abzielt, ist Organic Computing. Das bestimmende Merkmal von Organic Computing ist eine Observer/Controller-Architektur. Das Konzept dieser Architektur besteht darin, den aktuellen Zustand des Systems und der Umgebung zu überwachen, diese Daten zu analysieren und auf der Grundlage dieser Analyse Entscheidungen über das zukünftige Systemverhalten zu treffen. Organic Computing ermöglicht es also auf der Grundlage der vergangenen und des aktuellen Zustands proaktiv Mechanismen auszuwählen und auszulösen, die das System optimieren und unerwünschte Zustände vermeiden. Um die Vorteile des Organic Computings auf moderne heterogene Systeme zu übertragen, kombiniere ich den Organic Computing-Ansatz mit einem Laufzeitsystem. Laufzeitsysteme sind ein vielversprechender Kandidat für die Umsetzung des Organic Computing-Ansatzes, da sie bereits die Ausführung von Anwendungen überwachen und steuern. Insbesondere betrachte und bearbeite ich in dieser Dissertation die folgenden Forschungsthemen, indem ich die Konzepte des Organic Computings und der Laufzeitsysteme kombiniere: • Erfassen des aktuellen Systemzustands durch Überwachung von Sensoren und Performance Countern • Vorhersage zukünftiger Systemzustände durch Analyse des vergangenen Verhaltens • Nutzung von Zustandsinformationen zur proaktiven Anpassung des Systems Ich erweitere das Thema der Erfassung von Systemzuständen auf zwei Arten. Zunächst führe ich eine neuartige heuristische Metrik zur Berechnung der Zuverlässigkeit einer Verarbeitungseinheit ein, die auf symptombasierter Fehlererkennung basiert. Symptombasierte Fehlererkennung ist eine leichtgewichtige Methode zur dynamischen Erkennung von soften Hardware-Fehlern durch Überwachung des Ausführungsverhaltens mit Performance Countern. Die dynamische Erkennung von Fehlern ermöglicht dann die Berechnung einer heuristischen Fehlerrate einer Verarbeitungseinheit in einem bestimmten Zeitfenster. Die Fehlerrate wird verwendet, um die Anzahl der erforderlichen Ausführungen einer Anwendung zu berechnen, um eine bestimmte Ergebniszuverlässigkeit, also eine Mindestwahrscheinlichkeit für ein korrektes Ergebnis, zu gewährleisten. Ein wichtiger Aspekt der Zustandserfassung ist die Minimierung des entstehenden Overheads. Ich verringere die Anzahl der für OpenMP-Tasks notwendigen Profiling-Durchläufe durch Thread-Interpolation und Überprüfungen des Skalierungsverhaltens. Zusätzlich untersuche ich die Vorhersage von OpenCL Task-Ausführungszeiten. Die Prädiktoren der Ausführungszeiten werden mit verschiedenen maschinellen Lernalgorithmen trainiert. Als Input werden Profile der Kernel verwendet, die durch statische Codeanalyse erstellt wurden. Um in dieser Dissertation zukünftige Systemzustände vorherzusagen, sollen Anwendungen vorausgesagt werden, die in naher Zukunft im System vorkommen werden. In Kombination mit der Ausführungsdatenbank ermöglicht dies die Schätzung der anstehenden Kosten, die das System zu bewältigen hat. In dieser Arbeit werden zwei Mechanismen zur Vorhersage von Anwendungen/Tasks entwickelt. Der erste Prädiktor zielt darauf ab, neue Instanzen unabhängiger Tasks vorherzusagen. Der zweite Mechanismus betrachtet Ausführungsmuster abhängiger Anwendungen und sagt auf dieser Grundlage zukünftig auftretende Anwendungen vorher. Beide Mechanismen verwenden eine Vorhersagetabelle, die auf Markov-Prädiktoren und dem Abgleich von Mustern basiert. In dieser Arbeit wird das Wissen, das durch die Systemüberwachung und die Vorhersage zukünftiger Anwendungen gewonnen wird, verwendet, um die Optimierungsziele des Systems proaktiv in Einklang zu bringen und zu gewichten. Dies geschieht durch eine Reihe von Regeln, die eine Systemzustandsbeschreibung, bestehend aus dem aktuellen Zustand, Vorhersagen und Randbedingungen bzw. Beschränkungen, auf einen Vektor aus Gewichten abbilden. Zum Erlernen der Regelmenge wird ein Extended Classifer System (XCS) eingesetzt. Das XCS ist in eine hierarchische Architektur eingebettet, die nach den Prinzipien des Organic Computing entworfen wurde. Eine wichtige Designentscheidung ist dabei die Auslagerung der Erstellung neuer Regeln an einen Offline-Algorithmus, der einen Simulator nutzt und parallel zum normalen Systemablauf ausgeführt wird. Dadurch wird sichergestellt, dass keine ungetesteten Regeln, deren Auswirkungen noch nicht bekannt sind, dem laufenden System hinzugefügt werden. Die sich daraus ergebenden Gewichte werden schließlich verwendet, um eine Bewertungsfunktion für List Scheduling-Algorithmen zu erstellen. Diese Dissertation erweitert das Forschungsgebiet der Scheduling-Algorithmen durch zwei Mechanismen für dynamisches Scheduling. Die erste Erweiterung konzentriert sich auf nicht sicherheitskritische Systeme, die Prioritäten verwenden, um die unterschiedliche Wichtigkeit von Tasks auszudrücken. Da statische Prioritäten in stark ausgelasteten Systemen zu Starvation führen können, habe ich einen dynamischen Ageing-Mechanismus entwickelt, der dazu in der Lage ist, die Prioritäten der Tasks entsprechend der aktuellen Auslastung und ihrer Wartezeiten anzupassen. Dadurch reduziert der Mechanismus die Gesamtlaufzeit über alle Tasks und die Wartezeit für Tasks mit niedrigerer Priorität. Noch ist eine große Anzahl von Anwendungen nicht dazu bereit, den hohen Grad an Parallelität zu nutzen, den moderne Computersysteme bieten. Ein Konzept, das versucht dieses Problem zu lösen, indem es mehrere verschiedene Prozesse auf demselben Rechenknoten zur Ausführung bringt, ist das Co-Scheduling. In dieser Dissertation stelle ich einen neuartigen Co-Scheduling-Mechanismus vor, welcher die Task-Schedules mehrerer Laufzeitsysteminstanzen optimiert, die auf demselben Rechenknoten ausgeführt werden. Um die notwendigen Informationen zwischen den Laufzeitsysteminstanzen zu teilen, speichert der Mechanismus die Daten in Shared Memory. Sobald ein Laufzeitsystem neue Tasks in das System einfügt, prüft der Mechanismus, ob die Berechnung eines neuen Schedules sinnvoll ist. Wird die Entscheidung getroffen, einen neuen Schedule zu berechnen, setzt der Mechanismus Simulated Annealing ein, um alle Tasks, die bisher noch nicht mit ihrer Ausführung begonnen haben, neu auf Ausführungseinheiten abzubilden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass diese Arbeit neuartige Mechanismen und Algorithmen sowie Erweiterungen zu verschiedenen Forschungsgebieten anbietet, um ein proaktives selbst-organisierendes System zu implementieren, das sich an neue und unbekannte Situationen anpassen kann. Dabei wird die Komplexität für Benutzer und Anwendungsentwickler reduziert, indem die Entscheidungsfindung in das System selbst ausgelagert wird. Gleichzeitig sorgt dieser Ansatz für eine effiziente Nutzung der Ressourcen des Systems. Insgesamt leistet diese Arbeit die folgenden Beiträge zur Erweiterung des Stands der Forschung: • Einführung einer neuartigen heuristischen Metrik zur Messung der Zuverlässigkeit von Verarbeitungseinheiten. Die Metrik basiert auf einer leichtgewichtigen Methode zur Fehlererkennung, genannt symptombasierte Fehlererkennung. Mit der symptombasierten Fehlererkennung ist es möglich, mehrere injizierte Fehlerklassen und Interferenzen, die Soft-Hardware-Fehler simulieren, sowohl auf einer CPU als auch auf einer GPU zuverlässig zu erkennen. Darüber hinaus werden diese Ergebnisse durch Welch\u27s t-Test statistisch bestätigt. • Vorschlag eines Vorhersagemodells für die Ausführungszeit von OpenCL Kerneln, das auf statischer Code-Analyse basiert. Das Modell ist in der Lage, die schnellste Verarbeitungseinheit aus einer Menge von Verarbeitungseinheiten mit einer Genauigkeit von im schlechtesten Fall $69\,\%$ auszuwählen. Zum Vergleich: eine Referenzvariante, welche immer den Prozessor vorhersagt, der die meisten Kernel am schnellsten ausführt, erzielt eine Genauigkeit von $25\,\%$. Im besten Fall erreicht das Modell eine Genauigkeit von bis zu $83\,\%$. • Bereitstellung von zwei Prädiktoren für kommende Tasks/Anwendungen. Der erste Mechanismus betrachtet unabhängige Tasks, die ständig neue Task-Instanzen erstellen, der zweite abhängige Anwendungen, die Ausführungsmuster bilden. Dabei erzielt der erste Mechanismus bei der Vorhersage der Zeitspanne zwischen zwei aufeinanderfolgenden Task-Instanzen einen maximalen\\ $sMAPE$-Wert von $4,33\,\%$ für sporadische und $0,002 \,\%$ für periodische Tasks. Darüber hinaus werden Tasks mit einem aperiodischen Ausführungsschema zuverlässig erkannt. Der zweite Mechanismus erreicht eine Genauigkeit von $77,6 \,\%$ für die Vorhersage der nächsten anstehenden Anwendung und deren Startzeit. • Einführung einer Umsetzung eines hierarchischen Organic Computing Frameworks mit dem Anwendungsgebiet Task-Scheduling. Dieses Framework enthält u.a. ein modifiziertes XCS, für dessen Design und Implementierung ein neuartiger Reward-Mechanismus entwickelt wird. Der Mechanismus bedient sich dabei eines speziell für diesen Zweck entwickelten Simulators zur Berechnung von Task-Ausführungskosten. Das XCS bildet Beschreibungen des Systemzustands auf Gewichte zur Balancierung der Optimierungsziele des Systems ab. Diese Gewichte werden in einer Bewertungsfunktion für List Scheduling-Algorithmen verwendet. Damit wird in einem Evaluationsszenario, welches aus einem fünfmal wiederholten Muster aus Anwendungen besteht, eine Reduzierung der Gesamtlaufzeit um $10,4\,\%$ bzw. $26,7\,s$, des Energieverbrauchs um $4,7\,\%$ bzw. $2061,1\,J$ und der maximalen Temperatur der GPU um $3,6\,\%$ bzw. $2,7 K$ erzielt. Lediglich die maximale Temperatur über alle CPU-Kerne erhöht sich um $6\,\%$ bzw. $2,3\,K$. • Entwicklung von zwei Erweiterungen zur Verbesserung des dynamischen Task-Schedulings für einzelne und mehrere Prozesse, z.B. mehrere Laufzeitsysteminstanzen. Der erste Mechanismus, ein Ageing-Algorithmus, betrachtet nicht sicherheitskritische Systeme, welche Task-Prioritäten verwenden, um die unterschiedliche Bedeutung von Anwendungen darzustellen. Da es in solchen Anwendungsszenarien in Kombination mit hoher Systemauslastung zu Starvation kommen kann, passt der Mechanismus die Task-Prioritäten dynamisch an die aktuelle Auslastung und die Task-Wartezeiten an. Insgesamt erreicht dieser Mechanismus in zwei Bewertungsszenarien eine durchschnittliche Laufzeitverbesserung von $3,75\,\%$ und $3,16\,\%$ bei gleichzeitiger Reduzierung der Durchlaufzeit von Tasks mit niedrigerer Priorität um bis zu $25,67\,\%$. Der zweite Mechanismus ermöglicht die Optimierung von Schedules mehrerer Laufzeitsysteminstanzen, die parallel auf demselben Rechenknoten ausgeführt werden. Dieser Co-Scheduling-Ansatz verwendet Shared Memory zum Austausch von Informationen zwischen den Prozessen und Simulated Annealing zur Berechnung neuer Task-Schedules. In zwei Evaluierungsszenarien erzielt der Mechanismus durchschnittliche Laufzeitverbesserungen von $19,74\,\%$ und $20,91\,\%$ bzw. etwa $2,7\,s$ und $3\,s$