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

Ray: A Distributed Execution Engine for the Machine Learning Ecosystem

In recent years, growing data volumes and more sophisticated computational procedures have greatly increased the demand for computational power. Machine learning and artificial intelligence applications, for example, are notorious for their computational requirements. At the same time, Moores law is ending and processor speeds are stalling. As a result, distributed computing has become ubiquitous. While the cloud makes distributed hardware infrastructure widely accessible and therefore offers the potential of horizontal scale, developing these distributed algorithms and applications remains surprisingly hard. This is due to the inherent complexity of concurrent algorithms, the engineering challenges that arise when communicating between many machines, the requirements like fault tolerance and straggler mitigation that arise at large scale and the lack of a general-purpose distributed execution engine that can support a wide variety of applications.In this thesis, we study the requirements for a general-purpose distributed computation model and present a solution that is easy to use yet expressive and resilient to faults. At its core our model takes familiar concepts from serial programming, namely functions and classes, and generalizes them to the distributed world, therefore unifying stateless and stateful distributed computation. This model not only supports many machine learning workloads like training or serving, but is also a good t for cross-cutting machine learning applications like reinforcement learning and data processing applications like streaming or graph processing. We implement this computational model as an open-source system called Ray, which matches or exceeds the performance of specialized systems in many application domains, while also offering horizontally scalability and strong fault tolerance properties

SCALABLE TECHNIQUES FOR SCHEDULING AND MAPPING DSP APPLICATIONS ONTO EMBEDDED MULTIPROCESSOR PLATFORMS

A variety of multiprocessor architectures has proliferated even for off-the-shelf computing platforms. To make use of these platforms, traditional implementation frameworks focus on implementing Digital Signal Processing (DSP) applications using special platform features to achieve high performance. However, due to the fast evolution of the underlying architectures, solution redevelopment is error prone and re-usability of existing solutions and libraries is limited. In this thesis, we facilitate an efficient migration of DSP systems to multiprocessor platforms while systematically leveraging previous investment in optimized library kernels using dataflow design frameworks. We make these library elements, which are typically tailored to specialized architectures, more amenable to extensive analysis and optimization using an efficient and systematic process. In this thesis we provide techniques to allow such migration through four basic contributions: 1. We propose and develop a framework to explore efficient utilization of Single Instruction Multiple Data (SIMD) cores and accelerators available in heterogeneous multiprocessor platforms consisting of General Purpose Processors (GPPs) and Graphics Processing Units (GPUs). We also propose new scheduling techniques by applying extensive block processing in conjunction with appropriate task mapping and task ordering methods that match efficiently with the underlying architecture. The approach gives the developer the ability to prototype a GPU-accelerated application and explore its design space efficiently and effectively. 2. We introduce the concept of Partial Expansion Graphs (PEGs) as an implementation model and associated class of scheduling strategies. PEGs are designed to help realize DSP systems in terms of forms and granularities of parallelism that are well matched to the given applications and targeted platforms. PEGs also facilitate derivation of both static and dynamic scheduling techniques, depending on the amount of variability in task execution times and other operating conditions. We show how to implement efficient PEG-based scheduling methods using real time operating systems, and to re-use pre-optimized libraries of DSP components within such implementations. 3. We develop new algorithms for scheduling and mapping systems implemented using PEGs. Collectively, these algorithms operate in three steps. First, the amount of data parallelism in the application graph is tuned systematically over many iterations to profit from the available cores in the target platform. Then a mapping algorithm that uses graph analysis is developed to distribute data and task parallel instances over different cores while trying to balance the load of all processing units to make use of pipeline parallelism. Finally, we use a novel technique for performance evaluation by implementing the scheduler and a customizable solution on the programmable platform. This allows accurate fitness functions to be measured and used to drive runtime adaptation of schedules. 4. In addition to providing scheduling techniques for the mentioned applications and platforms, we also show how to integrate the resulting solution in the underlying environment. This is achieved by leveraging existing libraries and applying the GPP-GPU scheduling framework to augment a popular existing Software Defined Radio (SDR) development environment -- GNU Radio -- with a dataflow foundation and a stand-alone GPU-accelerated library. We also show how to realize the PEG model on real time operating system libraries, such as the Texas Instruments DSP/BIOS. A code generator that accepts a manual system designer solution as well as automatically configured solutions is provided to complete the design flow starting from application model to running system

System-level design of energy-efficient sensor-based human activity recognition systems: a model-based approach

This thesis contributes an evaluation of state-of-the-art dataflow models of computation regarding their suitability for a model-based design and analysis of human activity recognition systems, in terms of expressiveness and analyzability, as well as model accuracy. Different aspects of state-of-the-art human activity recognition systems have been modeled and analyzed. Based on existing methods, novel analysis approaches have been developed to acquire extra-functional properties like processor utilization, data communication rates, and finally energy consumption of the system

A Survey of Pipelined Workflow Scheduling: Models and Algorithms

International audienceA large class of applications need to execute the same workflow on different data sets of identical size. Efficient execution of such applications necessitates intelligent distribution of the application components and tasks on a parallel machine, and the execution can be orchestrated by utilizing task-, data-, pipelined-, and/or replicated-parallelism. The scheduling problem that encompasses all of these techniques is called pipelined workflow scheduling, and it has been widely studied in the last decade. Multiple models and algorithms have flourished to tackle various programming paradigms, constraints, machine behaviors or optimization goals. This paper surveys the field by summing up and structuring known results and approaches

Exploring resource/performance trade-offs for streaming applications on embedded multiprocessors

Embedded system design is challenged by the gap between the ever-increasing customer demands and the limited resource budgets. The tough competition demands ever-shortening time-to-market and product lifecycles. To solve or, at least to alleviate, the aforementioned issues, designers and manufacturers need model-based quantitative analysis techniques for early design-space exploration to study trade-offs of different implementation candidates. Moreover, modern embedded applications, especially the streaming applications addressed in this thesis, face more and more dynamic input contents, and the platforms that they are running on are more flexible and allow runtime configuration. Quantitative analysis techniques for embedded system design have to be able to handle such dynamic adaptable systems. This thesis has the following contributions: - A resource-aware extension to the Synchronous Dataflow (SDF) model of computation. - Trade-off analysis techniques, both in the time-domain and in the iterationdomain (i.e., on an SDF iteration basis), with support for resource sharing. - Bottleneck-driven design-space exploration techniques for resource-aware SDF. - A game-theoretic approach to controller synthesis, guaranteeing performance under dynamic input. As a first contribution, we propose a new model, as an extension of static synchronous dataflow graphs (SDF) that allows the explicit modeling of resources with consistency checking. The model is called resource-aware SDF (RASDF). The extension enables us to investigate resource sharing and to explore different scheduling options (ways to allocate the resources to the different tasks) using state-space exploration techniques. Consistent SDF and RASDF graphs have the property that an execution occurs in so-called iterations. An iteration typically corresponds to the processing of a meaningful piece of data, and it returns the graph to its initial state. On multiprocessor platforms, iterations may be executed in a pipelined fashion, which makes performance analysis challenging. As the second contribution, this thesis develops trade-off analysis techniques for RASDF, both in the time-domain and in the iteration-domain (i.e., on an SDF iteration basis), to dimension resources on platforms. The time-domain analysis allows interleaving of different iterations, but the size of the explored state space grows quickly. The iteration-based technique trades the potential of interleaving of iterations for a compact size of the iteration state space. An efficient bottleneck-driven designspace exploration technique for streaming applications, the third main contribution in this thesis, is derived from analysis of the critical cycle of the state space, to reveal bottleneck resources that are limiting the throughput. All techniques are based on state-based exploration. They enable system designers to tailor their platform to the required applications, based on their own specific performance requirements. Pruning techniques for efficient exploration of the state space have been developed. Pareto dominance in terms of performance and resource usage is used for exact pruning, and approximation techniques are used for heuristic pruning. Finally, the thesis investigates dynamic scheduling techniques to respond to dynamic changes in input streams. The fourth contribution in this thesis is a game-theoretic approach to tackle controller synthesis to select the appropriate schedules in response to dynamic inputs from the environment. The approach transforms the explored iteration state space of a scenario- and resource-aware SDF (SARA SDF) graph to a bipartite game graph, and maps the controller synthesis problem to the problem of finding a winning positional strategy in a classical mean payoff game. A winning strategy of the game can be used to synthesize the controller of schedules for the system that is guaranteed to satisfy the throughput requirement given by the designer