NoC Design Flow for TDMA and QoS Management in a GALS Context

International audienceThis paper proposes a new approach dealing with the tedious problem of NoC guaranteed traffics according to GALS constraints impelled by the upcoming large System-on-Chips with multiclock domains. Our solution has been designed to adjust a tradeoff between synchronous and clockless asynchronous techniques. By means of smart interfaces between synchronous sub-NoCs, Quality-of-Service (QoS) for guaranteed traffic is assured over the entire chip despite clock heterogeneity. This methodology can be easily integrated in the usual NoC design flow as an extension to traditional NoC synchronous design flows. We present real implementation obtained with our tool for a 4G telecom scheme

Hierarchical Agent-based Adaptation for Self-Aware Embedded Computing Systems

Siirretty Doriast

A time-predictable many-core processor design for critical real-time embedded systems

Critical Real-Time Embedded Systems (CRTES) are in charge of controlling fundamental parts of embedded system, e.g. energy harvesting solar panels in satellites, steering and breaking in cars, or flight management systems in airplanes. To do so, CRTES require strong evidence of correct functional and timing behavior. The former guarantees that the system operates correctly in response of its inputs; the latter ensures that its operations are performed within a predefined time budget. CRTES aim at increasing the number and complexity of functions. Examples include the incorporation of \smarter" Advanced Driver Assistance System (ADAS) functionality in modern cars or advanced collision avoidance systems in Unmanned Aerial Vehicles (UAVs). All these new features, implemented in software, lead to an exponential growth in both performance requirements and software development complexity. Furthermore, there is a strong need to integrate multiple functions into the same computing platform to reduce the number of processing units, mass and space requirements, etc. Overall, there is a clear need to increase the computing power of current CRTES in order to support new sophisticated and complex functionality, and integrate multiple systems into a single platform. The use of multi- and many-core processor architectures is increasingly seen in the CRTES industry as the solution to cope with the performance demand and cost constraints of future CRTES. Many-cores supply higher performance by exploiting the parallelism of applications while providing a better performance per watt as cores are maintained simpler with respect to complex single-core processors. Moreover, the parallelization capabilities allow scheduling multiple functions into the same processor, maximizing the hardware utilization. However, the use of multi- and many-cores in CRTES also brings a number of challenges related to provide evidence about the correct operation of the system, especially in the timing domain. Hence, despite the advantages of many-cores and the fact that they are nowadays a reality in the embedded domain (e.g. Kalray MPPA, Freescale NXP P4080, TI Keystone II), their use in CRTES still requires finding efficient ways of providing reliable evidence about the correct operation of the system. This thesis investigates the use of many-core processors in CRTES as a means to satisfy performance demands of future complex applications while providing the necessary timing guarantees. To do so, this thesis contributes to advance the state-of-the-art towards the exploitation of parallel capabilities of many-cores in CRTES contributing in two different computing domains. From the hardware domain, this thesis proposes new many-core designs that enable deriving reliable and tight timing guarantees. From the software domain, we present efficient scheduling and timing analysis techniques to exploit the parallelization capabilities of many-core architectures and to derive tight and trustworthy Worst-Case Execution Time (WCET) estimates of CRTES.Los sistemas críticos empotrados de tiempo real (en ingles Critical Real-Time Embedded Systems, CRTES) se encargan de controlar partes fundamentales de los sistemas integrados, e.g. obtención de la energía de los paneles solares en satélites, la dirección y frenado en automóviles, o el control de vuelo en aviones. Para hacerlo, CRTES requieren fuerte evidencias del correcto comportamiento funcional y temporal. El primero garantiza que el sistema funciona correctamente en respuesta de sus entradas; el último asegura que sus operaciones se realizan dentro de unos limites temporales establecidos previamente. El objetivo de los CRTES es aumentar el número y la complejidad de las funciones. Algunos ejemplos incluyen los sistemas inteligentes de asistencia a la conducción en automóviles modernos o los sistemas avanzados de prevención de colisiones en vehiculos aereos no tripulados. Todas estas nuevas características, implementadas en software,conducen a un crecimiento exponencial tanto en los requerimientos de rendimiento como en la complejidad de desarrollo de software. Además, existe una gran necesidad de integrar múltiples funciones en una sóla plataforma para así reducir el número de unidades de procesamiento, cumplir con requisitos de peso y espacio, etc. En general, hay una clara necesidad de aumentar la potencia de cómputo de los actuales CRTES para soportar nueva funcionalidades sofisticadas y complejas e integrar múltiples sistemas en una sola plataforma. El uso de arquitecturas multi- y many-core se ve cada vez más en la industria CRTES como la solución para hacer frente a la demanda de mayor rendimiento y las limitaciones de costes de los futuros CRTES. Las arquitecturas many-core proporcionan un mayor rendimiento explotando el paralelismo de aplicaciones al tiempo que proporciona un mejor rendimiento por vatio ya que los cores se mantienen más simples con respecto a complejos procesadores de un solo core. Además, las capacidades de paralelización permiten programar múltiples funciones en el mismo procesador, maximizando la utilización del hardware. Sin embargo, el uso de multi- y many-core en CRTES también acarrea ciertos desafíos relacionados con la aportación de evidencias sobre el correcto funcionamiento del sistema, especialmente en el ámbito temporal. Por eso, a pesar de las ventajas de los procesadores many-core y del hecho de que éstos son una realidad en los sitemas integrados (por ejemplo Kalray MPPA, Freescale NXP P4080, TI Keystone II), su uso en CRTES aún precisa de la búsqueda de métodos eficientes para proveer evidencias fiables sobre el correcto funcionamiento del sistema. Esta tesis ahonda en el uso de procesadores many-core en CRTES como un medio para satisfacer los requisitos de rendimiento de aplicaciones complejas mientras proveen las garantías de tiempo necesarias. Para ello, esta tesis contribuye en el avance del estado del arte hacia la explotación de many-cores en CRTES en dos ámbitos de la computación. En el ámbito del hardware, esta tesis propone nuevos diseños many-core que posibilitan garantías de tiempo fiables y precisas. En el ámbito del software, la tesis presenta técnicas eficientes para la planificación de tareas y el análisis de tiempo para aprovechar las capacidades de paralelización en arquitecturas many-core, y también para derivar estimaciones de peor tiempo de ejecución (Worst-Case Execution Time, WCET) fiables y precisas

Erreichen von Performance in Netzwerken-On-Chip für Echtzeitsysteme

In many new applications, such as in automatic driving, high performance requirements have reached safety critical real-time systems. Consequently, Networks-on-Chip (NoCs) must efficiently host new sets of highly dynamic workloads e.g., high resolution sensor fusion and data processing, autonomous decision’s making combined with machine learning. The static platform management, as used in current safety critical systems, is no more sufficient to provide the needed level of service. A dynamic platform management could meet the challenge, but it usually suffers from a lack of predictability and the simplicity necessary for certification of safety and real-time properties. In this work, we propose a novel, global and dynamic arbitration for NoCs with real-time QoS requirements. The mechanism decouples the admission control from arbitration in routers thereby simplifying a dynamic adaptation and real-time analysis. Consequently, the proposed solution allows the deployment of a sophisticated contract-based QoS provisioning without introducing complicated and hard to maintain schemes, known from the frequently applied static arbiters. The presented work introduces an overlay network to synchronize transmissions using arbitration units called Resource Managers (RMs), which allows global and work-conserving scheduling. The description of resource allocation strategies is supplemented by protocol design and verification methodology bringing adaptive control to NoC communication in setups with different QoS requirements and traffic classes. For doing that, a formal worst-case timing analysis for the mechanism has been proposed which demonstrates that this solution not only exposes higher performance in simulation but, even more importantly, consistently reaches smaller formally guaranteed worst-case latencies than other strategies for realistic levels of system's utilization. The approach is not limited to a specific network architecture or topology as the mechanism does not require modifications of routers and therefore can be used together with the majority of existing manycore systems. Indeed, the evaluation followed using the generic performance optimized router designs, as well as two systems-on-chip focused on real-time deployments. The results confirmed that the proposed approach proves to exhibit significantly higher average performance in simulation and execution.In vielen neuen sicherheitskritische Anwendungen, wie z.B. dem automatisierten Fahren, werden große Anforderungen an die Leistung von Echtzeitsysteme gestellt. Daher müssen Networks-on-Chip (NoCs) neue, hochdynamische Workloads wie z.B. hochauflösende Sensorfusion und Datenverarbeitung oder autonome Entscheidungsfindung kombiniert mit maschineller Lernen, effizient auf einem System unterbringen. Die Steuerung der zugrunde liegenden NoC-Architektur, muss die Systemsicherheit vor Fehlern, resultierend aus dem dynamischen Verhalten des Systems schützen und gleichzeitig die geforderte Performance bereitstellen. In dieser Arbeit schlagen wir eine neuartige, globale und dynamische Steuerung für NoCs mit Echtzeit QoS Anforderungen vor. Das Schema entkoppelt die Zutrittskontrolle von der Arbitrierung in Routern. Hierdurch wird eine dynamische Anpassung ermöglicht und die Echtzeitanalyse vereinfacht. Der Einsatz einer ausgefeilten vertragsbasierten Ressourcen-Zuweisung wird so ermöglicht, ohne komplexe und schwer wartbare Mechanismen, welche bereits aus dem statischen Plattformmanagement bekannt sind einzuführen. Diese Arbeit stellt ein übergelagertes Netzwerk vor, welches Übertragungen mit Hilfe von Arbitrierungseinheiten, den so genannten Resource Managern (RMs), synchronisiert. Dieses überlagerte Netzwerk ermöglicht eine globale und lasterhaltende Steuerung. Die Beschreibung verschiedener Ressourcenzuweisungstrategien wird ergänzt durch ein Protokolldesign und Methoden zur Verifikation der adaptiven NoC Steuerung mit unterschiedlichen QoS Anforderungen und Verkehrsklassen. Hierfür wird eine formale Worst Case Timing Analyse präsentiert, welche das vorgestellte Verfahren abbildet. Die Resultate bestätitgen, dass die präsentierte Lösung nicht nur eine höhere Performance in der Simulation bietet, sondern auch formal kleinere Worst-Case Latenzen für realistische Systemauslastungen als andere Strategien garantiert. Der vorgestellte Ansatz ist nicht auf eine bestimmte Netzwerkarchitektur oder Topologie beschränkt, da der Mechanismus keine Änderungen an den unterliegenden Routern erfordert und kann daher zusammen mit bestehenden Manycore-Systemen eingesetzt werden. Die Evaluierung erfolgte auf Basis eines leistungsoptimierten Router-Designs sowie zwei auf Echtzeit-Anwendungen fokusierten Platformen. Die Ergebnisse bestätigten, dass der vorgeschlagene Ansatz im Durchschnitt eine deutlich höhere Leistung in der Simulation und Ausführung liefert

Conflict-Free Networks on Chip for Real Time Systems

[ES] La constante necesidad de un mayor rendimiento para cumplir con la gran demanda de potencia de cómputo de las nuevas aplicaciones, (ej. sistemas de conducción autónoma), obliga a la industria a apostar por la tecnología basada en Sistemas en Chip con Procesadores Multinúcleo (MPSoCs) en sus sistemas embebidos de seguridad-crítica. Los sistemas MPSoCs generalmente incluyen una red en el chip (NoC) para interconectar los núcleos de procesamiento entre ellos, con la memoria y con el resto de recursos compartidos. Desafortunadamente, el uso de las NoCs dificulta alcanzar la predecibilidad en el tiempo, ya que pueden aparecer conflictos en muchos puntos y de forma distribuida a nivel de red. Para afrontar este problema, en esta tesis se propone un nuevo paradigma de diseño para NoCs de tiempo real donde los conflictos en la red son eliminados por diseño. Este nuevo paradigma parte del Grafo de Dependencia de Canales (CDG) para evitar los conflictos de red de forma determinista. Nuestra solución es capaz de inyectar mensajes de forma natural usando un periodo TDM igual al límite teórico óptimo sin la necesidad de usar un proceso offline exigente computacionalmente. La red se ha integrado en un sistema multinúcleo basado en tiles y adaptado a su jerarquía de memoria. Como segunda contribución principal, proponemos un nuevo planificador dinámico y distribuido capaz de alcanzar un rendimiento pico muy cercanos a las NoC basadas en un diseño wormhole sin comprometer sus garantías de tiempo real. El planificador se basa en nuestro diseño de red para explotar sus propiedades clave. Los resultados de nuestra NoC muestran que nuestro diseño garantiza la predecibilidad en el tiempo evitando interferencias en la red entre múltiples aplicaciones ejecutándose concurrentemente. La red siempre garantiza el rendimiento y también mejora el rendimiento respecto al de las redes wormhole en una red 4 x 4 en un factor de 3,7x cuando se inyecta trafico para generar interferencias. En una red 8 x 8 las diferencias son incluso mayores. Además, la red obtiene un ahorro de área total del 10,79% frente a una implementación básica de una red wormhole. El planificador propuesto alcanza una mejora de rendimiento de 6,9x y 14,4x frente la versión básica de la red DCFNoC para redes en forma de malla de 16 y 64 nodos, respectivamente. Cuando lo comparamos frente a un conmutador estándar wormhole se preserva un rendimiento de red del 95% al mismo tiempo que preserva la estricta predecibilidad en el tiempo. Este logro abre la puerta a nuevos diseños de NoCs de alto rendimiento con predecibilidad en el tiempo. Como contribución final, construimos una taxonomía de NoCs basadas en TDM con propiedades de tiempo real. Con esta taxonomía realizamos un análisis exhaustivo para estudiar y comparar desde tiempos de respuesta, a implementaciones con bajo coste, pasando por soluciones de compromiso para diseños de NoCs de tiempo real. Como resultado, obtenemos nuevos diseños de NoCs basadas en TDM.[CA] La constant necessitat d'un major rendiment per a complir amb la gran demanda de potència de còmput de les noves aplicacions, (ex. sistemes de conducció autònoma), obliga la indústria a apostar per la tecnologia basada en Sistemes en Xip amb Processadors Multinucli (MPSoCs) en els seus sistemes embeguts de seguretat-crítica. Els sistemes MPSoCs generalment inclouen una xarxa en el xip (NoC) per a interconnectar els nuclis de processament entre ells, amb la memòria i amb la resta de recursos compartits. Desafortunadament, l'ús de les NoCs dificulta aconseguir la predictibilitat en el temps, ja que poden aparéixer conflictes en molts punts i de forma distribuïda a nivell de xarxa. Per a afrontar aquest problema, en aquesta tesi es proposa un nou paradigma de disseny per a NoCs de temps real on els conflictes en la xarxa són eliminats per disseny. Aquest nou paradigma parteix del Graf de Dependència de Canals (CDG) per a evitar els conflictes de xarxa de manera determinista. La nostra solució és capaç d'injectar missatges de mra natural fent ús d'un període TDM igual al límit teòric òptim sense la necessitat de fer ús d'un procés offline exigent computacionalment. La xarxa s'ha integrat en un sistema multinucli basat en tiles i adaptat a la seua jerarquia de memòria. Com a segona contribució principal, proposem un nou planificador dinàmic i distribuït capaç d'aconseguir un rendiment pic molt pròxims a les NoC basades en un disseny wormhole sense comprometre les seues garanties de temps real. El planificador es basa en el nostre disseny de xarxa per a explotar les seues propietats clau. Els resultats de la nostra NoC mostren que el nostre disseny garanteix la predictibilitat en el temps evitant interferències en la xarxa entre múltiples aplicacions executant-se concurrentment. La xarxa sempre garanteix el rendiment i també millora el rendiment respecte al de les xarxes wormhole en una xarxa 4 x 4 en un factor de 3,7x quan s'injecta trafic per a generar interferències. En una xarxa 8 x 8 les diferències són fins i tot majors. A més, la xarxa obté un estalvi d'àrea total del 10,79% front una implementació bàsica d'una xarxa wormhole. El planificador proposat aconsegueix una millora de rendiment de 6,9x i 14,4x front la versió bàsica de la xarxa DCFNoC per a xarxes en forma de malla de 16 i 64 nodes, respectivament. Quan ho comparem amb un commutador estàndard wormhole es preserva un rendiment de xarxa del 95% al mateix temps que preserva la estricta predictibilitat en el temps. Aquest assoliment obri la porta a nous dissenys de NoCs d'alt rendiment amb predictibilitat en el temps. Com a contribució final, construïm una taxonomia de NoCs basades en TDM amb propietats de temps real. Amb aquesta taxonomia realitzem una anàlisi exhaustiu per a estudiar i comparar des de temps de resposta, a implementacions amb baix cost, passant per solucions de compromís per a dissenys de NoCs de temps real. Com a resultat, obtenim nous dissenys de NoCs basades en TDM.[EN] The ever need for higher performance to cope with the high computational power demands of new applications (e.g autonomous driving systems), forces industry to support technology based on multi-processors system on chip (MPSoCs) in their safety-critical embedded systems. MPSoCs usually include a network-on-chip (NoC) to interconnect the cores between them and, with memory and the rest of shared resources. Unfortunately, the inclusion of NoCs difficults achieving time predictability as network-level conflicts may occur in many points in a distributed manner. To overcome this problem, this thesis proposes a new time-predictable NoC design paradigm where conflicts within the network are eliminated by design. This new paradigm builds on top of the Channel Dependency Graph (CDG) in order to deterministically avoid network conflicts. Our solution is able to naturally inject messages using a TDM period equal to the optimal theoretical bound without the need of using a computationally demanding offline process. The network is integrated in a tile-based manycore system and adapted to its memory hierarchy. As a second main contribution, we propose a novel distributed dynamic scheduler that is able to achieve peak performance close to a wormhole-based NoC design without compromising its real-time guarantees. The scheduler builds on top of our NoC design to exploit its key properties. The results of our NoC show that our design guarantees time predictability avoiding network interference among multiple running applications. The network always guarantees performance and also improves wormhole performance in a 4 x 4 setting by a factor of 3.7x when interference traffic is injected. For a 8 x 8 network differences are even larger. In addition, the network obtains a total area saving of 10.79% over a standard wormhole implementation. The proposed scheduler achieves an overall throughput improvement of 6.9x and 14.4x over a baseline conflict-free NoC for 16 and 64-node meshes, respectively. When compared against a standard wormhole router 95% of its network throughput is preserved while strict timing predictability is kept. This achievement opens the door to new high performance time predictable NoC designs. As a final contribution, we build a taxonomy of TDM-based NoCs with real-time properties. With this taxonomy we perform a comprehensive analysis to study and compare from response time specific, to low resource implementation cost, through trade-off solutions for real-time NoCs designs. As a result, we derive new TDM-based NoC designs.Picornell Sanjuan, T. (2021). Conflict-Free Networks on Chip for Real Time Systems [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/177347TESI

Design Methods and Tools for Application-Specific Predictable Networks-on-Chip

As the complexity of applications grows with each new generation, so does the demand for computation power. To satisfy the computation demands at manageable power levels, we see a shift in the design paradigm from single processor systems to Multiprocessor Systems-on-Chip (MPSoCs). MPSoCs leverage the parallelism in applications to increase the performance at the same power levels. To further improve the computation to power consumption ratio, MPSoCs for embedded applications are heterogeneous and integrate cores that are specialized to perform the different functionalities of the application. With technology scaling, wire power consumption is increasing compared to logic, making communication as expensive as computation. Therefore customizing the interconnect is necessary to achieve energy efficiency. Designing an optimal application specific Network-on-Chip (NoC), that meets application demands, requires the exploration of a large design space. Automatic design and optimization of the NoC is required in order to achieve fast design closure, especially for heterogeneous MPSoCs. To continue to meet the computation requirements of future applications new technologies are emerging. Three dimensional integration promises to increase the number of transistors by stacking multiple silicon layers. This will lead to an increase in the number of cores of the MPSoCs resulting in increased communication demands. To compensate for the increase in the wire delay in new technology nodes as well as to reduce the power consumption further, multi-synchronous design is becoming popular. With multiple clock signals, different parts of the MPSoC can be clocked at different frequencies according to the current demands of the application and can even be shutdown when they are not used at all. This further complicates the design of the NoC.Many applications require different levels of guarantee from the NoC in order to perform their functionality correctly. As communication traffic patterns become more complex, the performance of the NoC can no longer be predicted statically. Therefore designing the interconnect network requires that such guarantees are provided during the dynamic operation of the system which includes the interaction with major subsystems (i.e., main memory) and not just the interconnect itself. In this thesis, I present novel methods to design application-specific NoCs that meet performance demands, under the constraints of new technologies. To provide different levels of Quality of Service, I integrate methods to estimate the NoC performance during the design phase of the interconnect topology. I present methods and architectures for NoCs to efficiently access memory systems, in order to achieve predictable operation of the systems from the point of view of the communication as well as the bottleneck target devices. Therefore the main contribution of the thesis is twofold: scientific as I propose new algorithms to perform topology synthesis and engineering by presenting extensive experiments and architectures for NoC design