Static task mapping for tiled chip multiprocessors with multiple voltage islands

The complexity of large Chip Multiprocessors (CMP) makes design reuse a practical approach to reduce the manufacturing and design cost of high-performance systems. This paper proposes techniques for static task mapping onto general-purpose CMPs with multiple pre-defined voltage islands for power management. The CMPs are assumed to contain different classes of processing elements with multiple voltage/frequency execution modes to better cover a large range of applications. Task mapping is performed with awareness of both on-chip and off-chip memory traffic, and communication constraints such as the link and memory bandwidth. Besides proposing a linear programming model for small systems, a novel mapping approach based on Extremal Optimization is proposed for large-scale CMPs. This new combinatorial optimization method has delivered very good results in quality and computational cost when compared to the classical simulated annealing.Postprint (published version

On Energy Efficient Computing Platforms

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

Static Task Mapping for Tiled Chip Multiprocessors with Multiple Voltage Islands

Abstract. The complexity of large Chip Multiprocessors (CMP) makes design reuse a practical approach to reduce the manufacturing and design cost of high-performance systems. This paper proposes techniques for static task mapping onto general-purpose CMPs with multiple predefined voltage islands for power management. The CMPs are assumed to contain different classes of processing elements with multiple voltage/frequency execution modes to better cover a large range of applications. Task mapping is performed with awareness of both on-chip and off-chip memory traffic, and communication constraints such as the link and memory bandwidth. A novel mapping approach based on Extremal Optimization is proposed for large-scale CMPs. This new combinatorial optimization method has delivered very good results in quality and computational cost when compared to the classical simulated annealing

Thermal Management for Dependable On-Chip Systems

This thesis addresses the dependability issues in on-chip systems from a thermal perspective. This includes an explanation and analysis of models to show the relationship between dependability and tempature. Additionally, multiple novel methods for on-chip thermal management are introduced aiming to optimize thermal properties. Analysis of the methods is done through simulation and through infrared thermal camera measurements

Automatic synthesis and optimization of chip multiprocessors

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

Optimisation, Optimal Control and Nonlinear Dynamics in Electrical Power, Energy Storage and Renewable Energy Systems

The electrical power system is undergoing a revolution enabled by advances in telecommunications, computer hardware and software, measurement, metering systems, IoT, and power electronics. Furthermore, the increasing integration of intermittent renewable energy sources, energy storage devices, and electric vehicles and the drive for energy efficiency have pushed power systems to modernise and adopt new technologies. The resulting smart grid is characterised, in part, by a bi-directional flow of energy and information. The evolution of the power grid, as well as its interconnection with energy storage systems and renewable energy sources, has created new opportunities for optimising not only their techno-economic aspects at the planning stages but also their control and operation. However, new challenges emerge in the optimization of these systems due to their complexity and nonlinear dynamic behaviour as well as the uncertainties involved.This volume is a selection of 20 papers carefully made by the editors from the MDPI topic “Optimisation, Optimal Control and Nonlinear Dynamics in Electrical Power, Energy Storage and Renewable Energy Systems”, which was closed in April 2022. The selected papers address the above challenges and exemplify the significant benefits that optimisation and nonlinear control techniques can bring to modern power and energy systems

Design and Optimization for Resilient Energy Efficient Computing

Heutzutage sind moderne elektronische Systeme ein integraler Bestandteil unseres Alltags. Dies wurde unter anderem durch das exponentielle Wachstum der Integrationsdichte von integrierten Schaltkreisen ermöglicht zusammen mit einer Verbesserung der Energieeffizienz, welche in den letzten 50 Jahren stattfand, auch bekannt als Moore‘s Gesetz. In diesem Zusammenhang ist die Nachfrage von energieeffizienten digitalen Schaltkreisen enorm angestiegen, besonders in Anwendungsfeldern wie dem Internet of Things (IoT). Da der Leistungsverbrauch von Schaltkreisen stark mit der Versorgungsspannung verknüpft ist, wurden effiziente Verfahren entwickelt, welche die Versorgungsspannung in den nahen Schwellenspannung-Bereich skalieren, zusammengefasst unter dem Begriff Near-Threshold-Computing (NTC). Mithilfe dieser Verfahren kann eine Erhöhung der Energieeffizienz von Schaltungen um eine ganze Größenordnung ermöglicht werden. Neben der verbesserten Energiebilanz ergeben sich jedoch zahlreiche Herausforderungen was den Schaltungsentwurf angeht. Zum Beispiel führt das Reduzieren der Versorgungsspannung in den nahen Schwellenspannungsbereich zu einer verzehnfachten Erhöhung der Sensibilität der Schaltkreise gegenüber Prozessvariation, Spannungsfluktuationen und Temperaturveränderungen. Die Einflüsse dieser Variationen reduzieren die Zuverlässigkeit von NTC Schaltkreisen und sind ihr größtes Hindernis bezüglich einer umfassenden Nutzung. Traditionelle Ansätze und Methoden aus dem nominalen Spannungsbereich zur Kompensation von Variabilität können nicht effizient angewandt werden, da die starken Performance-Variationen und Sensitivitäten im nahen Schwellenspannungsbereich dessen Kapazitäten übersteigen. Aus diesem Grund sind neue Entwurfsparadigmen und Entwurfsautomatisierungskonzepte für die Anwendung von NTC erforderlich. Das Ziel dieser Arbeit ist die zuvor erwähnten Probleme durch die Bereitstellung von ganzheitlichen Methoden zum Design von NTC Schaltkreisen sowie dessen Entwurfsautomatisierung anzugehen, welche insbesondere auf der Schaltungs- sowie Logik-Ebene angewandt werden. Dabei werden tiefgehende Analysen der Zuverlässigkeit von NTC Systemen miteinbezogen und Optimierungsmethoden werden vorgeschlagen welche die Zuverlässigkeit, Performance und Energieeffizienz verbessern. Die Beiträge dieser Arbeit sind wie folgt: Schaltungssynthese und Timing Closure unter Einbezug von Variationen: Das Einhalten von Anforderungen an das zeitliche Verhalten und Zuverlässigkeit von NTC ist eine anspruchsvolle Aufgabe. Die Auswirkungen von Variabilität kommen bei starken Performance-Schwankungen, welche zu teuren zeitlichen Sicherheitsmargen führen, oder sich in Hold-Time Verstößen ausdrücken, verursacht durch funktionale Störungen, zum Vorschein. Die konventionellen Ansätze beschränken sich dabei alleine auf die Erhöhung von zeitlichen Sicherheitsmargen. Dies ist jedoch sehr ineffizient für NTC, wegen dem starken Ausmaß an Variationen und den erhöhten Leckströmen. In dieser Arbeit wird ein Konzept zur Synthese und Timing Closure von Schaltkreisen unter Variationen vorgestellt, welches sowohl die Sensitivität gegenüber Variationen reduziert als auch die Energieeffizienz, Performance und Zuverlässigkeit verbessert und zugleich den Mehraufwand von Timing Closures [1, 2] verringert. Simulationsergebnisse belegen, dass unser vorgeschlagener Ansatz die Verzögerungszeit um 87% reduziert und die Performance und Energieeffizienz um 25% beziehungsweise 7.4% verbessert, zu Kosten eines erhöhten Flächenbedarfs von 4.8%. Schichtübergreifende Zuverlässigkeits-, Energieeffizienz- und Performance-Optimierung von Datenpfaden: Schichtübergreifende Analyse von Prozessor-Datenpfaden, welche den ganzen Weg spannen vom Kompilierer zum Schaltungsentwurf, kann potenzielle Optimierungsansätze aufzeigen. Ein Datenpfad ist eine Kombination von mehreren funktionalen Einheiten, welche diverse Instruktionen verarbeiten können. Unsere Analyse zeigt, dass die Ausführungszeiten von Instruktionen bei niedrigen Versorgungsspannungen stark variieren, weshalb eine Klassifikation in schnelle und langsame Instruktionen vorgenommen werden kann. Des Weiteren können funktionale Instruktionen als häufig und selten genutzte Instruktionen kategorisiert werden. Diese Arbeit stellt eine Multi-Zyklen-Instruktionen-Methode vor, welche die Energieeffizienz und Belastbarkeit von funktionalen Einheiten erhöhen kann [3]. Zusätzlich stellen wir einen Partitionsalgorithmus vor, welcher ein fein-granulares Power-gating von selten genutzten Einheiten ermöglicht [4] durch Partition von einzelnen funktionalen Einheiten in mehrere kleinere Einheiten. Die vorgeschlagenen Methoden verbessern das zeitliche Schaltungsverhalten signifikant, und begrenzen zugleich die Leckströme beträchtlich, durch Einsatz einer Kombination von Schaltungs-Redesign- und Code-Replacement-Techniken. Simulationsresultate zeigen, dass die entwickelten Methoden die Performance und Energieeffizienz von arithmetisch-logischen Einheiten (ALU) um 19% beziehungsweise 43% verbessern. Des Weiteren kann der Zuwachs in Performance der optimierten Schaltungen in eine Verbesserung der Zuverlässigkeit umgewandelt werden [5, 6]. Post-Fabrication und Laufzeit-Tuning: Prozess- und Laufzeitvariationen haben einen starken Einfluss auf den Minimum Energy Point (MEP) von NTC-Schaltungen, welcher mit der energieeffizientesten Versorgungsspannung assoziiert ist. Es ist ein besonderes Anliegen, die NTC-Schaltung nach der Herstellung (post-fabrication) so zu kalibrieren, dass sich die Schaltung im MEP-Zustand befindet, um die beste Energieeffizient zu erreichen. In dieser Arbeit, werden Post-Fabrication und Laufzeit-Tuning vorgeschlagen, welche die Schaltung basierend auf Geschwindigkeits- und Leistungsverbrauch-Messungen nach der Herstellung auf den MEP kalibrieren. Die vorgestellten Techniken ermitteln den MEP per Chip-Basis um den Einfluss von Prozessvariationen mit einzubeziehen und dynamisch die Versorgungsspannung und Frequenz zu adaptieren um zeitabhängige Variationen wie Workload und Temperatur zu adressieren. Zu diesem Zweck wird in die Firmware eines Chips ein Regression-Modell integriert, welches den MEP basierend auf Workload- und Temperatur-Messungen zur Laufzeit extrahiert. Das Regressions-Modell ist für jeden Chip einzigartig und basiert lediglich auf Post-Fabrication-Messungen. Simulationsergebnisse zeigen das der entwickelte Ansatz eine sehr hohe prognostische Treffsicherheit und Energieeffizienz hat, ähnlich zu hardware-implementierten Methoden, jedoch ohne hardware-seitigen Mehraufwand [7, 8]. Selektierte Flip-Flop Optimierung: Ultra-Low-Voltage Schaltungen müssen im nominalen Versorgungsspannungs-Mode arbeiten um zeitliche Anforderungen von laufenden Anwendungen zu erfüllen. In diesem Fall ist die Schaltung von starken Alterungsprozessen betroffen, welche die Transistoren durch Erhöhung der Schwellenspannungen degradieren. Unsere tiefgehenden Analysen haben gezeigt das gewisse Flip-Flop-Architekturen von diesen Alterungserscheinungen beeinflusst werden indem fälschlicherweise konstante Werte ( \u270\u27 oder \u271\u27) für eine lange Zeit gespeichert sind. Im Vergleich zu anderen Komponenten sind Flip-Flops sensitiver zu Alterungsprozessen und versagen unter anderem dabei einen neuen Wert innerhalb des vorgegebenen zeitlichen Rahmens zu übernehmen. Außerdem kann auch ein geringfügiger Spannungsabfall zu diesen zeitlichen Verstößen führen, falls die betreffenden gealterten Flip-Flops zum kritischen Pfad zuzuordnen sind. In dieser Arbeit wird eine selektiver Flip-Flop-Optimierungsmethode vorgestellt, welche die Schaltungen bezüglich Robustheit gegen statische Alterung und Spannungsabfall optimieren. Dabei werden zuerst optimierte robuste Flip-Flops generiert und diese dann anschließend in die Standard-Zellen-Bibliotheken integriert. Flip-Flops, die in der Schaltung zum kritischen Pfad gehören und Alterung sowie Spannungsabfall erfahren, werden durch die optimierten robusten Versionen ersetzt, um das Zeitverhalten und die Zuverlässigkeit der Schaltung zu verbessern [9, 10]. Simulationsergebnisse zeigen, dass die erwartete Lebenszeit eines Prozessors um 37% verbessert werden kann, während Leckströme um nur 0.1% erhöht werden. Während NTC das Potenzial hat große Energieeffizienz zu ermöglichen, ist der Einsatz in neue Anwendungsfeldern wie IoT wegen den zuvor erwähnten Problemen bezüglich der hohen Sensitivität gegenüber Variationen und deshalb mangelnder Zuverlässigkeit, noch nicht durchsetzbar. In dieser Dissertation und in noch nicht publizierten Werken [11–17], stellen wir Lösungen zu diesen Problemen vor, die eine Integration von NTC in heutige Systeme ermöglichen

Temperature-Aware Design and Management for 3D Multi-Core Architectures

Vertically-integrated 3D multiprocessors systems-on-chip (3D MPSoCs) provide the means to continue integrating more functionality within a unit area while enhancing manufacturing yields and runtime performance. However, 3D MPSoCs incur amplified thermal challenges that undermine the corresponding reliability. To address these issues, several advanced cooling technologies, alongside temperature-aware design-time optimizations and run-time management schemes have been proposed. In this monograph, we provide an overall survey on the recent advances in temperature-aware 3D MPSoC considerations. We explore the recent advanced cooling strategies, thermal modeling frameworks, design-time optimizations and run-time thermal management schemes that are primarily targeted for 3D MPSoCs. Our aim of proposing this survey is to provide a global perspective, highlighting the advancements and drawbacks on the recent state-of-the-ar

Coordinated management of the processor and memory for optimizing energy efficiency

Energy efficiency is a key design goal for future computing systems. With diverse components interacting with each other on the System-on-Chip (SoC), dynamically managing performance, energy and temperature is a challenge in 2D architectures and more so in a 3D stacked environment. Temperature has emerged as the parameter of primary concern. Heuristics based schemes have been employed so far to address these issues. Looking ahead into the future, complex multiphysics interactions between performance, energy and temperature reveal the limitations of such approaches. Therefore in this thesis, first, a comprehensive characterization of existing methods is carried out to identify causes for their inefficiency. Managing different components in an independent and isolated fashion using heuristics is seen to be the primary drawback. Following this, techniques based on feedback control theory to optimize the energy efficiency of the processor and memory in a coordinated fashion are developed. They are evaluated on a real physical system and a cycle-level simulator demonstrating significant improvements over prior schemes. The two main messages of this thesis are, (i) coordination between multiple components is paramount for next generation computing systems and (ii) temperature ought to be treated as a resource like compute or memory cycles.Ph.D

Energy autonomous systems : future trends in devices, technology, and systems

The rapid evolution of electronic devices since the beginning of the nanoelectronics era has brought about exceptional computational power in an ever shrinking system footprint. This has enabled among others the wealth of nomadic battery powered wireless systems (smart phones, mp3 players, GPS, …) that society currently enjoys. Emerging integration technologies enabling even smaller volumes and the associated increased functional density may bring about a new revolution in systems targeting wearable healthcare, wellness, lifestyle and industrial monitoring applications