Near-Threshold Computing: Past, Present, and Future.

Transistor threshold voltages have stagnated in recent years, deviating from constant-voltage scaling theory and directly limiting supply voltage scaling. To overcome the resulting energy and power dissipation barriers, energy efficiency can be improved through aggressive voltage scaling, and there has been increased interest in operating at near-threshold computing (NTC) supply voltages. In this region sizable energy gains are achieved with moderate performance loss, some of which can be regained through parallelism. This thesis first provides a methodical definition of how near to threshold is "near threshold" and continues with an in-depth examination of NTC across past, present, and future CMOS technologies. By systematically defining near-threshold, the trends and tradeoffs are analyzed, lending insight in how best to design and optimize near-threshold systems. NTC works best for technologies that feature good circuit delay scalability, therefore technologies without strong short-channel effects. Early planar technologies (prior to 90nm or so) featured good circuit scalability (8x energy gains), but lacked area in which to add cores for parallelization. Recent planar nodes (32nm – 20nm) feature more area for cores but suffer from poor delay scalability, and so are not well-suited for NTC (4x energy gains). The switch to FinFET CMOS technology allows for a return to strong voltage scalability (8x gain), reversing trends seen in planar technologies, while dark silicon has created an opportunity to add cores for parallelization. Improved FinFET voltage scalability even allows for latency reduction of a single task, as long as the task is sufficiently parallelizable (< 10% serial code). Finally, we will look at a technique for fast voltage boosting, called Shortstop, in which a core's operating voltage is raised in 10s of cycles. Shortstop can be used to quickly respond to single-threaded performance demands of a near-threshold system by leveraging the innate parasitic inductance of a dedicated dirty supply rail, further improving energy efficiency. The technique is demonstrated in a wirebond implementation and is able to boost a core up to 1.8x faster than a header-based approach, while reducing supply droop by 2-7x. An improved flip-chip architecture is also proposed.PhDElectrical EngineeringUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttp://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/113600/1/npfet_1.pd

Enhanced modeling methodology for system-level electrostatic discharge simulation

To enable accurate system-level electrostatic discharge (ESD) simulation, models for the equipment under test, the ESD source, and the environment are required. This work presents advanced modeling methods for the ESD source, the victim IC, and other on-board components, most notably the transient voltage suppressor. Kernel regression is used to generate an enhanced quasistatic I-V model of an IC pin, which reflects its dependency on the circuit board’s power delivery network. S-parameter measurements enable the development of a model for an IEC 61000-4-2 ESD source that comprehends the coupling among the ground straps and the ground plane. The transient-voltage-suppressor device is modeled using a behavioral snapback model that shows better convergence in circuit simulation than piece-wise models. Furthermore, ESD-induced soft failures are often caused by the noise coupled between the IC package traces. To help identify this type of failure, a hybrid electromagnetic and circuit simulation approach is demonstrated

Energy reconstruction on the LHC ATLAS TileCal upgraded front end: feasibility study for a sROD co-processing unit

Dissertation presented in ful lment of the requirements for the degree of: Master of Science in Physics 2016The Phase-II upgrade of the Large Hadron Collider at CERN in the early 2020s will enable an order of magnitude increase in the data produced, unlocking the potential for new physics discoveries. In the ATLAS detector, the upgraded Hadronic Tile Calorimeter (TileCal) Phase-II front end read out system is currently being prototyped to handle a total data throughput of 5.1 TB/s, from the current 20.4 GB/s. The FPGA based Super Read Out Driver (sROD) prototype must perform an energy reconstruction algorithm on 2.88 GB/s raw data, or 275 million events per second. Due to the very high level of pro ciency required and time consuming nature of FPGA rmware development, it may be more e ective to implement certain complex energy reconstruction and monitoring algorithms on a general purpose, CPU based sROD co-processor. Hence, the feasibility of a general purpose ARM System on Chip based co-processing unit (PU) for the sROD is determined in this work. A PCI-Express test platform was designed and constructed to link two ARM Cortex-A9 SoCs via their PCI-Express Gen-2 x1 interfaces. Test results indicate that the latency of the PCI-Express interface is su ciently low and the data throughput is superior to that of alternative interfaces such as Ethernet, for use as an interconnect for the SoCs to the sROD. CPU performance benchmarks were performed on ve ARM development platforms to determine the CPU integer, oating point and memory system performance as well as energy e ciency. To complement the benchmarks, Fast Fourier Transform and Optimal Filtering (OF) applications were also tested. Based on the test results, in order for the PU to process 275 million events per second with OF, within the 6 s timing budget of the ATLAS triggering system, a cluster of three Tegra-K1, Cortex-A15 SoCs connected to the sROD via a Gen-2 x8 PCI-Express interface would be suitable. A high level design for the PU is proposed which surpasses the requirements for the sROD co-processor and can also be used in a general purpose, high data throughput system, with 80 Gb/s Ethernet and 15 GB/s PCI-Express throughput, using four X-Gene SoCs

ALEA: A Fine-grained Energy Profiling Tool

Energy efficiency is becoming increasingly important, yet few developers understand how source code changes affect the energy and power consumption of their programs. To enable them to achieve energy savings, we must associate energy consumption with software structures, especially at the fine-grained level of functions and loops. Most research in the field relies on direct power/energy measurements taken from on-board sensors or performance counters. However, this coarse granularity does not directly provide the needed fine-grained measurements. This article presents ALEA, a novel fine-grained energy profiling tool based on probabilistic analysis for fine-grained energy accounting. ALEA overcomes the limitations of coarse-grained power-sensing instruments to associate energy information effectively with source code at a fine-grained level. We demonstrate and validate that ALEA can perform accurate energy profiling at various granularity levels on two different architectures: Intel Sandy Bridge and ARM big.LITTLE. ALEA achieves a worst case error of only 2% for coarse-grained code structures and 6% for fine-grained ones, with less than 1% runtime overhead. Our use cases demonstrate that ALEA supports energy optimizations, with energy savings of up to 2.87 times for a latency-critical option pricing workload under a given power budget

Methods for Robust and Energy-Efficient Microprocessor Architectures

Σήμερα, η εξέλιξη της τεχνολογίας επιτρέπει τη βελτίωση τριών βασικών στοιχείων της σχεδίασης των επεξεργαστών: αυξημένες επιδόσεις, χαμηλότερη κατανάλωση ισχύος και χαμηλότερο κόστος παραγωγής του τσιπ, ενώ οι σχεδιαστές επεξεργαστών έχουν επικεντρωθεί στην παραγωγή επεξεργαστών με περισσότερες λειτουργίες σε χαμηλότερο κόστος. Οι σημερινοί επεξεργαστές είναι πολύ ταχύτεροι και διαθέτουν εξελιγμένες λειτουργικές μονάδες συγκριτικά με τους προκατόχους τους, ωστόσο, καταναλώνουν αρκετά μεγάλη ενέργεια. Τα ποσά ηλεκτρικής ισχύος που καταναλώνονται, και η επακόλουθη έκλυση θερμότητας, αυξάνονται παρά τη μείωση του μεγέθους των τρανζίστορ. Αναπτύσσοντας όλο και πιο εξελιγμένους μηχανισμούς και λειτουργικές μονάδες για την αύξηση της απόδοσης και βελτίωση της ενέργειας, σε συνδυασμό με τη μείωση του μεγέθους των τρανζίστορ, οι επεξεργαστές έχουν γίνει εξαιρετικά πολύπλοκα συστήματα, καθιστώντας τη διαδικασία της επικύρωσής τους σημαντική πρόκληση για τη βιομηχανία ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. Συνεπώς, οι κατασκευαστές επεξεργαστών αφιερώνουν επιπλέον χρόνο, προϋπολογισμό και χώρο στο τσιπ για να διασφαλίσουν ότι οι επεξεργαστές θα λειτουργούν σωστά κατά τη διάθεσή τους στη αγορά. Για τους λόγους αυτούς, η εργασία αυτή παρουσιάζει νέες μεθόδους για την επιτάχυνση και τη βελτίωση της φάσης της επικύρωσης, καθώς και για τη βελτίωση της ενεργειακής απόδοσης των σύγχρονων επεξεργαστών. Στο πρώτο μέρος της διατριβής προτείνονται δύο διαφορετικές μέθοδοι για την επικύρωση του επεξεργαστή, οι οποίες συμβάλλουν στην επιτάχυνση αυτής της διαδικασίας και στην αποκάλυψη σπάνιων σφαλμάτων στους μηχανισμούς μετάφρασης διευθύνσεων των σύγχρονων επεξεργαστών. Και οι δύο μέθοδοι καθιστούν ευκολότερη την ανίχνευση και τη διάγνωση σφαλμάτων, και επιταχύνουν την ανίχνευση του σφάλματος κατά τη φάση της επικύρωσης. Στο δεύτερο μέρος της διατριβής παρουσιάζεται μια λεπτομερής μελέτη χαρακτηρισμού των περιθωρίων τάσης σε επίπεδο συστήματος σε δύο σύγχρονους ARMv8 επεξεργαστές. Η μελέτη του χαρακτηρισμού προσδιορίζει τα αυξημένα περιθώρια τάσης που έχουν προκαθοριστεί κατά τη διάρκεια κατασκευής του κάθε μεμονωμένου πυρήνα του επεξεργαστή και αναλύει τυχόν απρόβλεπτες συμπεριφορές που μπορεί να προκύψουν σε συνθήκες μειωμένης τάσης. Για την μελέτη και καταγραφή της συμπεριφοράς του συστήματος υπό συνθήκες μειωμένης τάσης, παρουσιάζεται επίσης σε αυτή τη διατριβή μια απλή και ενοποιημένη συνάρτηση: η συνάρτηση πυκνότητας-σοβαρότητας. Στη συνέχεια, παρουσιάζεται αναλυτικά η ανάπτυξη ειδικά σχεδιασμένων προγραμμάτων (micro-viruses) τα οποία υποβάλουν της θεμελιώδεις δομές του επεξεργαστή σε μεγάλο φορτίο εργασίας. Αυτά τα προγράμματα στοχεύουν στην γρήγορη αναγνώριση των ασφαλών περιθωρίων τάσης. Τέλος, πραγματοποιείται ο χαρακτηρισμός των περιθωρίων τάσης σε εκτελέσεις πολλαπλών πυρήνων, καθώς επίσης και σε διαφορετικές συχνότητες, και προτείνεται ένα πρόγραμμα το οποίο εκμεταλλεύεται όλες τις διαφορετικές πτυχές του προβλήματος της κατανάλωσης ενέργειας και παρέχει μεγάλη εξοικονόμηση ενέργειας διατηρώντας παράλληλα υψηλά επίπεδα απόδοσης. Αυτή η μελέτη έχει ως στόχο τον εντοπισμό και την ανάλυση της σχέσης μεταξύ ενέργειας και απόδοσης σε διαφορετικούς συνδυασμούς τάσης και συχνότητας, καθώς και σε διαφορετικό αριθμό νημάτων/διεργασιών που εκτελούνται στο σύστημα, αλλά και κατανομής των προγραμμάτων στους διαθέσιμους πυρήνες.Technology scaling has enabled improvements in the three major design optimization objectives: increased performance, lower power consumption, and lower die cost, while system design has focused on bringing more functionality into products at lower cost. While today&apos;s microprocessors, are much faster and much more versatile than their predecessors, they also consume much power. As operating frequency and integration density increase, the total chip power dissipation increases. This is evident from the fact that due to the demand for increased functionality on a single chip, more and more transistors are being packed on a single die and hence, the switching frequency increases in every technology generation. However, by developing aggressive and sophisticated mechanisms to boost performance and to enhance the energy efficiency in conjunction with the decrease of the size of transistors, microprocessors have become extremely complex systems, making the microprocessor verification and manufacturing testing a major challenge for the semiconductor industry. Manufacturers, therefore, choose to spend extra effort, time, budget and chip area to ensure that the delivered products are operating correctly. To meet high-dependability requirements, manufacturers apply a sequence of verification tasks throughout the entire life-cycle of the microprocessor to ensure the correct functionality of the microprocessor chips from the various types of errors that may occur after the products are released to the market. To this end, this work presents novel methods for ensuring the correctness of the microprocessor during the post-silicon validation phase and for improving the energy efficiency requirements of modern microprocessors. These methods can be applied during the prototyping phase of the microprocessors or after their release to the market. More specifically, in the first part of the thesis, we present and describe two different ISA-independent software-based post-silicon validation methods, which contribute to formalization and modeling as well as the acceleration of the post-silicon validation process and expose difficult-to-find bugs in the address translation mechanisms (ATM) of modern microprocessors. Both methods improve the detection and diagnosis of a hardware design bug in the ATM structures and significantly accelerate the bug detection during the post-silicon validation phase. In the second part of the thesis we present a detailed system-level voltage scaling characterization study for two state-of-the-art ARMv8-based multicore CPUs. We present an extensive characterization study which identifies the pessimistic voltage guardbands (the increased voltage margins set by the manufacturer) of each individual microprocessor core and analyze any abnormal behavior that may occur in off-nominal voltage conditions. Towards the formalization of the any abnormal behavior we also present a simple consolidated function; the Severity function, which aggregates the effects of reduced voltage operation. We then introduce the development of dedicated programs (diagnostic micro-viruses) that aim to accelerate the time-consuming voltage margins characterization studies by stressing the fundamental hardware components. Finally, we present a comprehensive exploration of how two server-grade systems behave in different frequency and core allocation configurations beyond nominal voltage operation in multicore executions. This analysis aims (1) to identify the best performance per watt operation points, (2) to reveal how and why the different core allocation options affect the energy consumption, and (3) to enhance the default Linux scheduler to take task allocation decisions for balanced performance and energy efficiency

Methodologies for Accelerated Analysis of the Reliability and the Energy Efficiency Levels of Modern Microprocessor Architectures

Η εξέλιξη της τεχνολογίας ημιαγωγών, της αρχιτεκτονικής υπολογιστών και της σχεδίασης οδηγεί σε αύξηση της απόδοσης των σύγχρονων μικροεπεξεργαστών, η οποία επίσης συνοδεύεται από αύξηση της ευπάθειας των προϊόντων. Οι σχεδιαστές εφαρμόζουν διάφορες τεχνικές κατά τη διάρκεια της ζωής των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων με σκοπό να διασφαλίσουν τα υψηλά επίπεδα αξιοπιστίας των παραγόμενων προϊόντων και να τα προστατέψουν από διάφορες κατηγορίες σφαλμάτων διασφαλίζοντας την ορθή λειτουργία τους. Αυτή η διδακτορική διατριβή προτείνει καινούριες μεθόδους για να διασφαλίσει τα υψηλά επίπεδα αξιοπιστίας και ενεργειακής απόδοσης των σύγχρονων μικροεπεξεργαστών οι οποίες μπορούν να εφαρμοστούν κατά τη διάρκεια του πρώιμου σχεδιαστικού σταδίου, του σταδίου παραγωγής ή του σταδίου της κυκλοφορίας των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων στην αγορά. Οι συνεισφορές αυτής της διατριβής μπορούν να ομαδοποιηθούν στις ακόλουθες δύο κατηγορίες σύμφωνα με το στάδιο της ζωής των μικροεπεξεργαστών στο οποίο εφαρμόζονται: • Πρώιμο σχεδιαστικό στάδιο: Η στατιστική εισαγωγή σφαλμάτων σε δομές που είναι μοντελοποιημένες σε προσομοιωτές οι οποίοι στοχεύουν στην μελέτη της απόδοσης είναι μια επιστημονικά καθιερωμένη μέθοδος για την ακριβή μέτρηση της αξιοπιστίας, αλλά υστερεί στον αργό χρόνο εκτέλεσης. Σε αυτή τη διατριβή, αρχικά παρουσιάζουμε ένα νέο πλήρως αυτοματοποιημένο εργαλείο εισαγωγής σφαλμάτων σε μικροαρχιτεκτονικό επίπεδο που στοχεύει στην ακριβή αξιολόγηση της αξιοπιστίας ενός μεγάλου πλήθους μονάδων υλικού σε σχέση με διάφορα μοντέλα σφαλμάτων (παροδικά, διακοπτόμενα, μόνιμα σφάλματα). Στη συνέχεια, χρησιμοποιώντας το ίδιο εργαλείο και στοχεύοντας τα παροδικά σφάλματα, παρουσιάζουμε διάφορες μελέτες σχετιζόμενες με την αξιοπιστία και την απόδοση, οι οποίες μπορούν να βοηθήσουν τις σχεδιαστικές αποφάσεις στα πρώιμα στάδια της ζωής των επεξεργαστών. Τελικά, προτείνουμε δύο μεθοδολογίες για να επιταχύνουμε τα μαζικά πειράματα στατιστικής εισαγωγής σφαλμάτων. Στην πρώτη, επιταχύνουμε τα πειράματα έπειτα από την πραγματική εισαγωγή των σφαλμάτων στις δομές του υλικού. Στη δεύτερη, επιταχύνουμε ακόμη περισσότερο τα πειράματα προτείνοντας τη μεθοδολογία με όνομα MeRLiN, η οποία βασίζεται στη μείωση της αρχικής λίστας σφαλμάτων μέσω της ομαδοποίησής τους σε ισοδύναμες ομάδες έπειτα από κατηγοριοποίηση σύμφωνα με την εντολή που τελικά προσπελαύνει τη δομή που φέρει το σφάλμα. • Παραγωγικό στάδιο και στάδιο κυκλοφορίας στην αγορά: Οι συνεισφορές αυτής της διδακτορικής διατριβής σε αυτά τα στάδια της ζωής των μικροεπεξεργαστών καλύπτουν δύο σημαντικά επιστημονικά πεδία. Αρχικά, χρησιμοποιώντας το ολοκληρωμένο κύκλωμα των 48 πυρήνων με ονομασία Intel SCC, προτείνουμε μια τεχνική επιτάχυνσης του εντοπισμού μονίμων σφαλμάτων που εφαρμόζεται κατά τη διάρκεια λειτουργίας αρχιτεκτονικών με πολλούς πυρήνες, η οποία εκμεταλλεύεται το δίκτυο υψηλής ταχύτητας μεταφοράς μηνυμάτων που διατίθεται στα ολοκληρωμένα κυκλώματα αυτού του είδους. Δεύτερον, προτείνουμε μια λεπτομερή στατιστική μεθοδολογία με σκοπό την ακριβή πρόβλεψη σε επίπεδο συστήματος των ασφαλών ορίων λειτουργίας της τάσης των πυρήνων τύπου ARMv8 που βρίσκονται πάνω στη CPU X-Gene 2.The evolution in semiconductor manufacturing technology, computer architecture and design leads to increase in performance of modern microprocessors, which is also accompanied by increase in products’ vulnerability to errors. Designers apply different techniques throughout microprocessors life-time in order to ensure the high reliability requirements of the delivered products that are defined as their ability to avoid service failures that are more frequent and more severe than is acceptable. This thesis proposes novel methods to guarantee the high reliability and energy efficiency requirements of modern microprocessors that can be applied during the early design phase, the manufacturing phase or after the chips release to the market. The contributions of this thesis can be grouped in the two following categories according to the phase of the CPUs lifecycle that are applied at: • Early design phase: Statistical fault injection using microarchitectural structures modeled in performance simulators is a state-of-the-art method to accurately measure the reliability, but suffers from low simulation throughput. In this thesis, we firstly present a novel fully-automated versatile microarchitecture-level fault injection framework (called MaFIN) for accurate characterization of a wide range of hardware components of an x86-64 microarchitecture with respect to various fault models (transient, intermittent, permanent faults). Next, using the same tool and focusing on transient faults, we present several reliability and performance related studies that can assist design decision in the early design phases. Moreover, we propose two methodologies to accelerate the statistical fault injection campaigns. In the first one, we accelerate the fault injection campaigns after the actual injection of the faults in the simulated hardware structures. In the second, we further accelerate the microarchitecture level fault injection campaigns by proposing MeRLiN a fault pre-processing methodology that is based on the pruning of the initial fault list by grouping the faults in equivalent classes according to the instruction access patterns to hardware entries. • Manufacturing phase and release to the market: The contributions of this thesis in these phases of microprocessors life-cycle cover two important aspects. Firstly, using the 48-core Intel’s SCC architecture, we propose a technique to accelerate online error detection of permanent faults for many-core architectures by exploiting their high-speed message passing on-chip network. Secondly, we propose a comprehensive statistical analysis methodology to accurately predict at the system level the safe voltage operation margins of the ARMv8 cores of the X- Gene 2 chip when it operates in scaled voltage conditions

Remote Attacks on FPGA Hardware

Immer mehr Computersysteme sind weltweit miteinander verbunden und über das Internet zugänglich, was auch die Sicherheitsanforderungen an diese erhöht. Eine neuere Technologie, die zunehmend als Rechenbeschleuniger sowohl für eingebettete Systeme als auch in der Cloud verwendet wird, sind Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs). Sie sind sehr flexible Mikrochips, die per Software konfiguriert und programmiert werden können, um beliebige digitale Schaltungen zu implementieren. Wie auch andere integrierte Schaltkreise basieren FPGAs auf modernen Halbleitertechnologien, die von Fertigungstoleranzen und verschiedenen Laufzeitschwankungen betroffen sind. Es ist bereits bekannt, dass diese Variationen die Zuverlässigkeit eines Systems beeinflussen, aber ihre Auswirkungen auf die Sicherheit wurden nicht umfassend untersucht. Diese Doktorarbeit befasst sich mit einem Querschnitt dieser Themen: Sicherheitsprobleme die dadurch entstehen wenn FPGAs von mehreren Benutzern benutzt werden, oder über das Internet zugänglich sind, in Kombination mit physikalischen Schwankungen in modernen Halbleitertechnologien. Der erste Beitrag in dieser Arbeit identifiziert transiente Spannungsschwankungen als eine der stärksten Auswirkungen auf die FPGA-Leistung und analysiert experimentell wie sich verschiedene Arbeitslasten des FPGAs darauf auswirken. In der restlichen Arbeit werden dann die Auswirkungen dieser Spannungsschwankungen auf die Sicherheit untersucht. Die Arbeit zeigt, dass verschiedene Angriffe möglich sind, von denen früher angenommen wurde, dass sie physischen Zugriff auf den Chip und die Verwendung spezieller und teurer Test- und Messgeräte erfordern. Dies zeigt, dass bekannte Isolationsmaßnahmen innerhalb FPGAs von böswilligen Benutzern umgangen werden können, um andere Benutzer im selben FPGA oder sogar das gesamte System anzugreifen. Unter Verwendung von Schaltkreisen zur Beeinflussung der Spannung innerhalb eines FPGAs zeigt diese Arbeit aktive Angriffe, die Fehler (Faults) in anderen Teilen des Systems verursachen können. Auf diese Weise sind Denial-of-Service Angriffe möglich, als auch Fault-Angriffe um geheime Schlüsselinformationen aus dem System zu extrahieren. Darüber hinaus werden passive Angriffe gezeigt, die indirekt die Spannungsschwankungen auf dem Chip messen. Diese Messungen reichen aus, um geheime Schlüsselinformationen durch Power Analysis Seitenkanalangriffe zu extrahieren. In einer weiteren Eskalationsstufe können sich diese Angriffe auch auf andere Chips auswirken die an dasselbe Netzteil angeschlossen sind wie der FPGA. Um zu beweisen, dass vergleichbare Angriffe nicht nur innerhalb FPGAs möglich sind, wird gezeigt, dass auch kleine IoT-Geräte anfällig für Angriffe sind welche die gemeinsame Spannungsversorgung innerhalb eines Chips ausnutzen. Insgesamt zeigt diese Arbeit, dass grundlegende physikalische Variationen in integrierten Schaltkreisen die Sicherheit eines gesamten Systems untergraben können, selbst wenn der Angreifer keinen direkten Zugriff auf das Gerät hat. Für FPGAs in ihrer aktuellen Form müssen diese Probleme zuerst gelöst werden, bevor man sie mit mehreren Benutzern oder mit Zugriff von Drittanbietern sicher verwenden kann. In Veröffentlichungen die nicht Teil dieser Arbeit sind wurden bereits einige erste Gegenmaßnahmen untersucht