LQG Control and Sensing Co-Design

We investigate a Linear-Quadratic-Gaussian (LQG) control and sensing co-design problem, where one jointly designs sensing and control policies. We focus on the realistic case where the sensing design is selected among a finite set of available sensors, where each sensor is associated with a different cost (e.g., power consumption). We consider two dual problem instances: sensing-constrained LQG control, where one maximizes control performance subject to a sensor cost budget, and minimum-sensing LQG control, where one minimizes sensor cost subject to performance constraints. We prove no polynomial time algorithm guarantees across all problem instances a constant approximation factor from the optimal. Nonetheless, we present the first polynomial time algorithms with per-instance suboptimality guarantees. To this end, we leverage a separation principle, that partially decouples the design of sensing and control. Then, we frame LQG co-design as the optimization of approximately supermodular set functions; we develop novel algorithms to solve the problems; and we prove original results on the performance of the algorithms, and establish connections between their suboptimality and control-theoretic quantities. We conclude the paper by discussing two applications, namely, sensing-constrained formation control and resource-constrained robot navigation.Comment: Accepted to IEEE TAC. Includes contributions to submodular function optimization literature, and extends conference paper arXiv:1709.0882

Bibliographical review on cyber attacks from a control oriented perspective

This paper presents a bibliographical review of definitions, classifications and applications concerning cyber attacks in networked control systems (NCSs) and cyber-physical systems (CPSs). This review tackles the topic from a control-oriented perspective, which is complementary to information or communication ones. After motivating the importance of developing new methods for attack detection and secure control, this review presents security objectives, attack modeling, and a characterization of considered attacks and threats presenting the detection mechanisms and remedial actions. In order to show the properties of each attack, as well as to provide some deeper insight into possible defense mechanisms, examples available in the literature are discussed. Finally, open research issues and paths are presented.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

State of the art of cyber-physical systems security: An automatic control perspective

Cyber-physical systems are integrations of computation, networking, and physical processes. Due to the tight cyber-physical coupling and to the potentially disrupting consequences of failures, security here is one of the primary concerns. Our systematic mapping study sheds light on how security is actually addressed when dealing with cyber-physical systems from an automatic control perspective. The provided map of 138 selected studies is defined empirically and is based on, for instance, application fields, various system components, related algorithms and models, attacks characteristics and defense strategies. It presents a powerful comparison framework for existing and future research on this hot topic, important for both industry and academia

Energy-Efficient and Reliable Computing in Dark Silicon Era

Dark silicon denotes the phenomenon that, due to thermal and power constraints, the fraction of transistors that can operate at full frequency is decreasing in each technology generation. Moore’s law and Dennard scaling had been backed and coupled appropriately for five decades to bring commensurate exponential performance via single core and later muti-core design. However, recalculating Dennard scaling for recent small technology sizes shows that current ongoing multi-core growth is demanding exponential thermal design power to achieve linear performance increase. This process hits a power wall where raises the amount of dark or dim silicon on future multi/many-core chips more and more. Furthermore, from another perspective, by increasing the number of transistors on the area of a single chip and susceptibility to internal defects alongside aging phenomena, which also is exacerbated by high chip thermal density, monitoring and managing the chip reliability before and after its activation is becoming a necessity. The proposed approaches and experimental investigations in this thesis focus on two main tracks: 1) power awareness and 2) reliability awareness in dark silicon era, where later these two tracks will combine together. In the first track, the main goal is to increase the level of returns in terms of main important features in chip design, such as performance and throughput, while maximum power limit is honored. In fact, we show that by managing the power while having dark silicon, all the traditional benefits that could be achieved by proceeding in Moore’s law can be also achieved in the dark silicon era, however, with a lower amount. Via the track of reliability awareness in dark silicon era, we show that dark silicon can be considered as an opportunity to be exploited for different instances of benefits, namely life-time increase and online testing. We discuss how dark silicon can be exploited to guarantee the system lifetime to be above a certain target value and, furthermore, how dark silicon can be exploited to apply low cost non-intrusive online testing on the cores. After the demonstration of power and reliability awareness while having dark silicon, two approaches will be discussed as the case study where the power and reliability awareness are combined together. The first approach demonstrates how chip reliability can be used as a supplementary metric for power-reliability management. While the second approach provides a trade-off between workload performance and system reliability by simultaneously honoring the given power budget and target reliability

Energy-Efficient Recurrent Neural Network Accelerators for Real-Time Inference

Over the past decade, Deep Learning (DL) and Deep Neural Network (DNN) have gone through a rapid development. They are now vastly applied to various applications and have profoundly changed the life of hu- man beings. As an essential element of DNN, Recurrent Neural Networks (RNN) are helpful in processing time-sequential data and are widely used in applications such as speech recognition and machine translation. RNNs are difficult to compute because of their massive arithmetic operations and large memory footprint. RNN inference workloads used to be executed on conventional general-purpose processors including Central Processing Units (CPU) and Graphics Processing Units (GPU); however, they have un- necessary hardware blocks for RNN computation such as branch predictor, caching system, making them not optimal for RNN processing. To accelerate RNN computations and outperform the performance of conventional processors, previous work focused on optimization methods on both software and hardware. On the software side, previous works mainly used model compression to reduce the memory footprint and the arithmetic operations of RNNs. On the hardware side, previous works also designed domain-specific hardware accelerators based on Field Pro- grammable Gate Arrays (FPGA) or Application Specific Integrated Circuits (ASIC) with customized hardware pipelines optimized for efficient pro- cessing of RNNs. By following this software-hardware co-design strategy, previous works achieved at least 10X speedup over conventional processors. Many previous works focused on achieving high throughput with a large batch of input streams. However, in real-time applications, such as gaming Artificial Intellegence (AI), dynamical system control, low latency is more critical. Moreover, there is a trend of offloading neural network workloads to edge devices to provide a better user experience and privacy protection. Edge devices, such as mobile phones and wearable devices, are usually resource-constrained with a tight power budget. They require RNN hard- ware that is more energy-efficient to realize both low-latency inference and long battery life. Brain neurons have sparsity in both the spatial domain and time domain. Inspired by this human nature, previous work mainly explored model compression to induce spatial sparsity in RNNs. The delta network algorithm alternatively induces temporal sparsity in RNNs and can save over 10X arithmetic operations in RNNs proven by previous works. In this work, we have proposed customized hardware accelerators to exploit temporal sparsity in Gated Recurrent Unit (GRU)-RNNs and Long Short-Term Memory (LSTM)-RNNs to achieve energy-efficient real-time RNN inference. First, we have proposed DeltaRNN, the first-ever RNN accelerator to exploit temporal sparsity in GRU-RNNs. DeltaRNN has achieved 1.2 TOp/s effective throughput with a batch size of 1, which is 15X higher than its related works. Second, we have designed EdgeDRNN to accelerate GRU-RNN edge inference. Compared to DeltaRNN, EdgeDRNN does not rely on on-chip memory to store RNN weights and focuses on reducing off-chip Dynamic Random Access Memory (DRAM) data traffic using a more scalable architecture. EdgeDRNN have realized real-time inference of large GRU-RNNs with submillisecond latency and only 2.3 W wall plug power consumption, achieving 4X higher energy efficiency than commercial edge AI platforms like NVIDIA Jetson Nano. Third, we have used DeltaRNN to realize the first-ever continuous speech recognition sys- tem with the Dynamic Audio Sensor (DAS) as the front-end. The DAS is a neuromorphic event-driven sensor that produces a stream of asyn- chronous events instead of audio data sampled at a fixed sample rate. We have also showcased how an RNN accelerator can be integrated with an event-driven sensor on the same chip to realize ultra-low-power Keyword Spotting (KWS) on the extreme edge. Fourth, we have used EdgeDRNN to control a powered robotic prosthesis using an RNN controller to replace a conventional proportional–derivative (PD) controller. EdgeDRNN has achieved 21 μs latency of running the RNN controller and could maintain stable control of the prosthesis. We have used DeltaRNN and EdgeDRNN to solve these problems to prove their value in solving real-world problems. Finally, we have applied the delta network algorithm on LSTM-RNNs and have combined it with a customized structured pruning method, called Column-Balanced Targeted Dropout (CBTD), to induce spatio-temporal sparsity in LSTM-RNNs. Then, we have proposed another FPGA-based accelerator called Spartus, the first RNN accelerator that exploits spatio- temporal sparsity. Spartus achieved 9.4 TOp/s effective throughput with a batch size of 1, the highest among present FPGA-based RNN accelerators with a power budget around 10 W. Spartus can complete the inference of an LSTM layer having 5 million parameters within 1 μs

Control and game-theoretic methods for secure cyber-physical-human systems

This work focuses on systems comprising tightly interconnected physical and digital components. Those, aptly named, cyber-physical systems will be the core of the Fourth Industrial Revolution. Thus, cyber-physical systems will be called upon to interact with humans, either in a cooperative fashion, or as adversaries to malicious human agents that will seek to corrupt their operation. In this work, we will present methods that enable an autonomous system to operate safely among human agents and to gain an advantage in cyber-physical security scenarios by employing tools from control, game and learning theories. Our work revolves around three main axes: unpredictability-based defense, operation among agents with bounded rationality and verification of safety properties for autonomous systems. In taking advantage of the complex nature of cyber-physical systems, our unpredictability-based defense work will focus both on attacks on actuating and sensing components, which will be addressed via a novel switching-based Moving Target Defense framework, and on Denial-of-Service attacks on the underlying network via a zero-sum game exploiting redundant communication channels. Subsequently, we will take a more abstract view of complex system security by exploring the principles of bounded rationality. We will show how attackers of bounded rationality can coordinate in inducing erroneous decisions to a system while they remain stealthy. Methods of cognitive hierarchy will be employed for decision prediction, while closed form solutions of the optimization problem and the conditions of convergence to the Nash equilibrium will be investigated. The principles of bounded rationality will be brought to control systems via the use of policy iteration algorithms, enabling data-driven attack prediction in a more realistic fashion than what can be offered by game equilibrium solutions. The issue of intelligence in security scenarios will be further considered via concepts of learning manipulation through a proposed framework where bounded rationality is understood as a hierarchy in learning, rather than optimizing, capability. This viewpoint will allow us to propose methods of exploiting the learning process of an imperfect opponent in order to affect their cognitive state via the use of tools from optimal control theory. Finally, in the context of safety, we will explore verification and compositionality properties of linear systems that are designed to be added to a cascade network of similar systems. To obfuscate the need for knowledge of the system's dynamics, we will state decentralized conditions that guarantee a specific dissipativity properties for the system, which are shown to be solved by reinforcement learning techniques. Subsequently, we will propose a framework that employs a hierarchical solution of temporal logic specifications and reinforcement learning problems for optimal tracking.Ph.D

Analysis of Embedded Controllers Subject to Computational Overruns

Microcontrollers have become an integral part of modern everyday embedded systems, such as smart bikes, cars, and drones. Typically, microcontrollers operate under real-time constraints, which require the timely execution of programs on the resource-constrained hardware. As embedded systems are becoming increasingly more complex, microcontrollers run the risk of violating their timing constraints, i.e., overrunning the program deadlines. Breaking these constraints can cause severe damage to both the embedded system and the humans interacting with the device. Therefore, it is crucial to analyse embedded systems properly to ensure that they do not pose any significant danger if the microcontroller overruns a few deadlines.However, there are very few tools available for assessing the safety and performance of embedded control systems when considering the implementation of the microcontroller. This thesis aims to fill this gap in the literature by presenting five papers on the analysis of embedded controllers subject to computational overruns. Details about the real-time operating system's implementation are included into the analysis, such as what happens to the controller's internal state representation when the timing constraints are violated. The contribution includes theoretical and computational tools for analysing the embedded system's stability, performance, and real-time properties.The embedded controller is analysed under three different types of timing violations: blackout events (when no control computation is completed during long periods), weakly-hard constraints (when the number of deadline overruns is constrained over a window), and stochastic overruns (when violations of timing constraints are governed by a probabilistic process). These scenarios are combined with different implementation policies to reduce the gap between the analysis and its practical applicability. The analyses are further validated with a comprehensive experimental campaign performed on both a set of physical processes and multiple simulations.In conclusion, the findings of this thesis reveal that the effect deadline overruns have on the embedded system heavily depends the implementation details and the system's dynamics. Additionally, the stability analysis of embedded controllers subject to deadline overruns is typically conservative, implying that additional insights can be gained by also analysing the system's performance

Stochastic Control for Cooperative Cyber-Physical Networking

Die stetig fortschreitende Digitalisierung erlaubt einen immer autonomeren und intelligenteren Betrieb von Produktions- und Fertigungslinien, was zu einer stärker werdenden Verzahnung der physikalischen Prozesse und der Software-Komponenten zum Überwachen, Steuern und Messen führt. Cyber-physische Systeme (CPS) spielen hierbei eine Schlüsselrolle, indem sie sowohl die physikalischen als auch die Software-Komponenten zu einem verteilten System zusammenfassen, innerhalb dessen Umgebungszustände, Messwerte und Steuerbefehle über ein Kommunikationsnetzwerk ausgetauscht werden. Die Verfügbarkeit von kostengünstigen Geräten und die Möglichkeit bereits existierende Infrastruktur zu nutzen sorgen dafür, dass auch innerhalb von CPS zunehmend auf den Einsatz von Standard-Netzen auf Basis von IEEE 802.3 (Ethernet) und IEEE 802.11 (WLAN) gesetzt wird. Nachteilig bei der Nutzung von Standard-Netzen sind jedoch auftretende Dienstgüte-Schwankungen, welche aus der gemeinsamen Nutzung der vorhandenen Infrastruktur resultieren und für die Endsysteme in Form von sich ändernden Latenzen und Daten- und Paketverlustraten sichtbar werden. Regelkreise sind besonders anfällig für Dienstgüte-Schwankungen, da sie typischerweise isochrone Datenübertragungen mit festen Latenzen benötigen, um die gewünschte Regelgüte zu garantieren. Für die Vernetzung der einzelnen Komponenten, das heißt von Sensorik, Aktorik und Regler, setzt man daher klassischerweise auf Lösungen, die diese Anforderungen erfüllen. Diese Lösungen sind jedoch relativ teuer und unflexibel, da sie den Einsatz von spezialisierten Netzwerken wie z.B. Feldbussen benötigen oder über komplexe, speziell entwickelte Kommunikationsprotokolle realisiert werden wie sie beispielsweise die Time-Sensitive Networking (TSN) Standards definieren. Die vorliegende Arbeit präsentiert Ergebnisse des interdisziplinären Forschungsprojekts CoCPN:Cooperative Cyber-Physical Networking, das ein anderes Konzept verfolgt und explizit auf CPS abzielt, die Standard-Netze einsetzen. CoCPN benutzt einen neuartigen, kooperativen Ansatz um i) die Elastizität von Regelkreisen innerhalb solcher CPS zu erhöhen, das heißt sie in die Lage zu versetzen, mit den auftretenden Dienstgüte-Schwankungen umzugehen, und ii) das Netzwerk über die Anforderungen der einzelnen Regler in Kenntnis zu setzen. Kern von CoCPN ist eine verteilte Architektur für CPS, welche es den einzelnen Regelkreisen ermöglicht, die verfügbare Kommunikations-Infrastruktur gemeinsam zu nutzen. Im Gegensatz zu den oben genannten Lösungen benötigt CoCPN dafür keine zentrale Instanz mit globaler Sicht auf das Kommunikationssystem, sodass eine enge Kopplung an die Anwendungen vermieden wird. Stattdessen setzt CoCPN auf eine lose Kopplung zwischen Netzwerk und Regelkreisen, realisiert in Form eines Austauschs von Meta-Daten über den sog. CoCPN-Translator. CoCPN implementiert ein Staukontrollverfahren, welches den typischen Zusammenhang zwischen erreichbarer Regelgüte und Senderate ausnutzt: die erreichbare Regelgüte steigt mit der Senderate und umgekehrt. Durch Variieren der zu erreichenden Regelgüte kann das Sendeverhalten der Regler so eingestellt werden, dass die vorhandenen Kommunikations-Ressourcen optimal ausgenutzt und gleichzeitig Stausituationen vermieden werden. In dieser Arbeit beschäftigen wir uns mit den regelungstechnischen Fragestellungen innerhalb von CoCPN. Der Schwerpunkt liegt hierbei auf dem Entwurf und der Analyse von Algorithmen, die auf Basis der über den CoCPN-Translator ausgetauschten Meta-Daten die notwendige Elastizität liefern und es dadurch den Reglern ermöglichen, schnell auf Änderungen der Netzwerk-Dienstgüte zu reagieren. Dazu ist es notwendig, dass den Reglern ein Modell zur Verfügung gestellt wird, dass die Auswirkungen von Verzögerungen und Paketverlusten auf die Regelgüte erfasst. Im ersten Teil der Arbeit wird eine Erweiterung eines existierenden Modellierungs-Ansatzes vorgestellt, dessen Grundidee es ist, sowohl die Dynamik der Regelstrecke als auch den Einfluss von Verzögerungen und Paketverlusten durch ein hybrides System darzustellen. Hybride Systeme zeichnen sich dadurch aus, dass sie sowohl kontinuierlich- als auch diskretwertige Zustandsvariablen besitzen. Unsere vorgestellte Erweiterung ist in der Lage, Änderungen der Netzwerk-Dienstgüte abzubilden und ist nicht auf eine bestimmte probabilistische Darstellung der auftretenden Verzögerungen und Paketverluste beschränkt. Zusätzlich verzichtet unsere Erweiterung auf die in der Literatur übliche Annahme, dass Quittungen für empfangene Datenpakete stets fehlerfrei und mit vernachlässigbarer Latenz übertragen werden. Verglichen mit einem Großteil der verwandten Arbeiten, ermöglichen uns die genannten Eigenschaften daher eine realistischere Berücksichtigung der Netzwerk-Einflüsse auf die Regelgüte. Mit dem entwickelten Modell kann der Einfluss von Verzögerungen und Paketverlusten auf die Regelgüte prädiziert werden. Auf Basis dieser Prädiktion können Stellgrößen dann mit Methoden der stochastischen modellprädiktiven Regelung (stochastic model predictive control) berechnet werden. Unsere realistischere Betrachtung der Netzwerk-Einflüsse auf die Regelgüte führt hierbei zu einer gegenseitigen Abhängigkeit von Regelung und Schätzung. Zur Berechnung der Stellgrößen muss der Regler den Zustand der Strecke aus den empfangenen Messungen schätzen. Die Qualität dieser Schätzungen hängt von den berechneten Stellgrößen und deren Auswirkung auf die Regelstrecke ab. Umgekehrt beeinflusst die Qualität der Schätzungen aber maßgeblich die Qualität der Stellgrößen: Ist der Schätzfehler gering, kann der Regler bessere Entscheidungen treffen. Diese gegenseitige Abhängigkeit macht die Berechnung von optimalen Stellgrößen unmöglich und bedingt daher die Fokussierung auf das Erforschen von approximativen Ansätzen. Im zweiten Teil dieser Arbeit stellen wir zwei neuartige Verfahren für die stochastische modellprädiktive Regelung über Netzwerke vor. Im ersten Verfahren nutzen wir aus, dass bei hybriden System oft sogenannte multiple model-Algorithmen zur Zustandsschätzung verwendet werden, welche den geschätzten Zustand in Form einer Gaußmischdichte repräsentieren. Auf Basis dieses Zusammenhangs und einer globalen Approximation der Kostenfunktion leiten wir einen Algorithmus mit geringer Komplexität zur Berechnung eines (suboptimalen) Regelgesetzes her. Dieses Regelgesetz ist nichtlinear und ergibt sich aus der gewichteten Kombination mehrerer unterlagerter Regelgesetze. Jedes dieser unterlagerten Regelgesetze lässt sich dabei als lineare Funktion genau einer der Komponenten der Gaußmischdichte darstellen. Unser zweites vorgestelltes Verfahren besitzt gegensätzliche Eigenschaften. Das resultierende Regelgesetz ist linear und basiert auf einer Approximation der Kostenfunktion, welche wir nur lokal, das heißt nur in der Umgebung einer erwarteten Trajektorie des geregelten Systems, berechnen. Diese Trajektorie wird hierbei durch die Prädiktion einer initialen Zustandsschätzung über den Optimierungshorizont gewonnen. Zur Berechnung des Regelgesetzes schlagen wir dann einen iterativen Algorithmus vor, welcher diese Approximation durch wiederholtes Optimieren der System-Trajektorie verbessert. Simulationsergebnisse zeigen, dass unsere neuartigen Verfahren eine signifikant höhere Regelgüte erzielen können als verwandte Ansätze aus der Literatur. Der dritte Teil der vorliegenden Arbeit beschäftigt sich erneut mit dem hybriden System aus dem ersten Teil. Die im Rahmen dieser Arbeit verwendeten Netzwerk-Modelle, das heißt die verwendeten probabilistischen Beschreibungen der Verzögerungen und Paketverluste, werden vom CoCPN-Translator auf Grundlage von im Netzwerk gesammelten Status-Informationen erzeugt. Diese Status-Informationen bilden jedoch stets nur Ausschnitte ab und können nie exakt den "Zustand” des Netzwerks repräsentieren. Dementsprechend können die resultierenden Netzwerk-Modelle nicht als fehlerfrei erachtet werden. In diesem Teil der Arbeit untersuchen wir daher den Einfluss möglicher Fehler in den Netzwerk-Modellen auf die zu erwartende Regelgüte. Weiterhin gehen wir der Frage nach der Existenz von Reglern, die robust gegenüber solchen Fehlern und Unsicherheiten sind, nach. Dazu zeigen wir zunächst, dass sich Fehler in den Netzwerk-Modellen immer als eine polytopische Parameter-Unsicherheit im hybriden System aus dem ersten Teil manifestieren. Für solche polytopischen hybride System leiten wir dann eine sowohl notwendige als auch hinreichende Stabilitätsbedingung her, was einen signifikanten Beitrag zur Theorie der hybriden Systeme darstellt. Die Auswertung dieser Bedingung erfordert es zu bestimmen, ob der gemeinsame Spektralradius (joint spectral radius) einer Menge von Matrizen kleiner als eins ist. Dieses Entscheidungsproblem ist bekanntermaßen NP-schwer, was die Anwendbarkeit der Stabilitätsbedingung stark limitiert. Daher präsentieren wir eine hinreichende Stabilitätsbedingung, die in polynomieller Zeit überprüft werden kann, da sie auf der Erfüllbarkeit von linearen Matrixungleichungen basiert. Schließlich zeigen wir, dass die Existenz eines Reglers, der die Stabilität des betrachteten polytopischen hybriden Systems garantiert, von der Erfüllbarkeit einer ähnlichen Menge von Matrixungleichungen bestimmt wird. Diese Ungleichungen sind weniger restriktiv als die bisher in der Literatur bekannten, was die Synthese von weniger konservativen Reglern erlaubt. Schließlich zeigen wir im letzten Teil dieser Arbeit die Anwendbarkeit des kooperativen Konzepts von CoCPN in Simulations-Szenarien, in denen stark ausgelastete Netzwerk-Ressourcen mit anderen Anwendungen geteilt werden müssen. Wir demonstrieren, dass insbesondere das Zusammenspiel unserer modellprädiktiven Verfahren mit dem Staukontrollverfahren von CoCPN einen zuverlässigen Betrieb der Regelkreise ohne unerwünschte Einbußen der Regelgüte auch dann ermöglicht, wenn sich die Kommunikationsbedingungen plötzlich und unvorhergesehen ändern. Insgesamt stellt unsere Arbeit somit einen wichtigen Baustein auf dem Weg zu einem flächendeckenden Einsatz von Standard-Netzen als flexible und adaptive Basis für industrielle CPS dar

Adaptive Knobs for Resource Efficient Computing

Performance demands of emerging domains such as artificial intelligence, machine learning and vision, Internet-of-things etc., continue to grow. Meeting such requirements on modern multi/many core systems with higher power densities, fixed power and energy budgets, and thermal constraints exacerbates the run-time management challenge. This leaves an open problem on extracting the required performance within the power and energy limits, while also ensuring thermal safety. Existing architectural solutions including asymmetric and heterogeneous cores and custom acceleration improve performance-per-watt in specific design time and static scenarios. However, satisfying applications’ performance requirements under dynamic and unknown workload scenarios subject to varying system dynamics of power, temperature and energy requires intelligent run-time management. Adaptive strategies are necessary for maximizing resource efficiency, considering i) diverse requirements and characteristics of concurrent applications, ii) dynamic workload variation, iii) core-level heterogeneity and iv) power, thermal and energy constraints. This dissertation proposes such adaptive techniques for efficient run-time resource management to maximize performance within fixed budgets under unknown and dynamic workload scenarios. Resource management strategies proposed in this dissertation comprehensively consider application and workload characteristics and variable effect of power actuation on performance for pro-active and appropriate allocation decisions. Specific contributions include i) run-time mapping approach to improve power budgets for higher throughput, ii) thermal aware performance boosting for efficient utilization of power budget and higher performance, iii) approximation as a run-time knob exploiting accuracy performance trade-offs for maximizing performance under power caps at minimal loss of accuracy and iv) co-ordinated approximation for heterogeneous systems through joint actuation of dynamic approximation and power knobs for performance guarantees with minimal power consumption. The approaches presented in this dissertation focus on adapting existing mapping techniques, performance boosting strategies, software and dynamic approximations to meet the performance requirements, simultaneously considering system constraints. The proposed strategies are compared against relevant state-of-the-art run-time management frameworks to qualitatively evaluate their efficacy