A model-based design flow for embedded vision applications on heterogeneous architectures

The ability to gather information from images is straightforward to human, and one of the principal input to understand external world. Computer vision (CV) is the process to extract such knowledge from the visual domain in an algorithmic fashion. The requested computational power to process these information is very high. Until recently, the only feasible way to meet non-functional requirements like performance was to develop custom hardware, which is costly, time-consuming and can not be reused in a general purpose. The recent introduction of low-power and low-cost heterogeneous embedded boards, in which CPUs are combine with heterogeneous accelerators like GPUs, DSPs and FPGAs, can combine the hardware efficiency needed for non-functional requirements with the flexibility of software development. Embedded vision is the term used to identify the application of the aforementioned CV algorithms applied in the embedded field, which usually requires to satisfy, other than functional requirements, also non-functional requirements such as real-time performance, power, and energy efficiency. Rapid prototyping, early algorithm parametrization, testing, and validation of complex embedded video applications for such heterogeneous architectures is a very challenging task. This thesis presents a comprehensive framework that: 1) Is based on a model-based paradigm. Differently from the standard approaches at the state of the art that require designers to manually model the algorithm in any programming language, the proposed approach allows for a rapid prototyping, algorithm validation and parametrization in a model-based design environment (i.e., Matlab/Simulink). The framework relies on a multi-level design and verification flow by which the high-level model is then semi-automatically refined towards the final automatic synthesis into the target hardware device. 2) Relies on a polyglot parallel programming model. The proposed model combines different programming languages and environments such as C/C++, OpenMP, PThreads, OpenVX, OpenCV, and CUDA to best exploit different levels of parallelism while guaranteeing a semi-automatic customization. 3) Optimizes the application performance and energy efficiency through a novel algorithm for the mapping and scheduling of the application 3 tasks on the heterogeneous computing elements of the device. Such an algorithm, called exclusive earliest finish time (XEFT), takes into consideration the possible multiple implementation of tasks for different computing elements (e.g., a task primitive for CPU and an equivalent parallel implementation for GPU). It introduces and takes advantage of the notion of exclusive overlap between primitives to improve the load balancing. This thesis is the result of three years of research activity, during which all the incremental steps made to compose the framework have been tested on real case studie

On the Task Mapping and Scheduling for DAG-based Embedded Vision Applications on Heterogeneous Multi/Many-core Architectures

Embedded vision applications have stringent performance constraints that must be satisfied when they are run on low-power embedded systems. OpenVX has emerged as the de-facto reference standard to develop such applications. Starting with a DAG representation of the application and by relying on a primitive-based programming model, it allows for automatic system-level optimizations and synthesis of an implementation onto the target heterogeneous multi-core architecture. However, the state-of-the-art algorithm for task mapping and scheduling in OpenVX does not provide the performance necessary for such applications when deployed on embedded multi-/many-core architectures. %does not implement an efficient algorithm task mapping and scheduling onto embedded multi/many-core architectures. Our work addresses this challenge by making the following three contributions. First, we implemented a static task scheduling and mapping approach for OpenVX using the heterogeneous earliest finish time (HEFT) heuristic. We show that HEFT allows us to improve the system performance up to 70% on one of the most widespread embedded vision systems (i.e., NVIDIA VisionWorks on NVIDIA Jetson TX2). Second, we show that HEFT, in the context of an embedded vision application where some primitives may have multiple implementations (e.g., for CPU and for GPU), can lead to an imbalance in load amongst heterogeneous computing elements (CEs); thereby, suffering from degraded performance. Third, we propose an algorithm called exclusive earliest finish time (XEFT) that introduces the notion of exclusive overlap between single implementation primitives to improve the load balancing. We show that XEFT can further improve the system performance up to 33% over HEFT, and 82% over OpenVX. We present the results on different benchmarks, including a real-world localization and mapping application (ORB-SLAM) combined with the NVIDIA image recognition application based on deep-learning

Geometry-Oblivious FMM for Compressing Dense SPD Matrices

We present GOFMM (geometry-oblivious FMM), a novel method that creates a hierarchical low-rank approximation, "compression," of an arbitrary dense symmetric positive definite (SPD) matrix. For many applications, GOFMM enables an approximate matrix-vector multiplication in $N \log N$ or even $N$ time, where $N$ is the matrix size. Compression requires $N \log N$ storage and work. In general, our scheme belongs to the family of hierarchical matrix approximation methods. In particular, it generalizes the fast multipole method (FMM) to a purely algebraic setting by only requiring the ability to sample matrix entries. Neither geometric information (i.e., point coordinates) nor knowledge of how the matrix entries have been generated is required, thus the term "geometry-oblivious." Also, we introduce a shared-memory parallel scheme for hierarchical matrix computations that reduces synchronization barriers. We present results on the Intel Knights Landing and Haswell architectures, and on the NVIDIA Pascal architecture for a variety of matrices.Comment: 13 pages, accepted by SC'1

A (ir)regularity-aware task scheduler for heterogeneous platforms

This paper addresses the design, implementation and validation of an e ective scheduling scheme for both regular and irregular applications on heterogeneous platforms. The scheduler uses an empirical performance model to dynamically schedule the workload, organized into a given number of chunks, and follows the Heterogeneous Earliest Finish Time (HEFT) scheduling algorithm, which ranks the tasks based on both their computation and communication costs. The evaluation of the proposed approach is based on three case studies { the SAXPY, the FFT and the Barnes-Hut algorithms { two regular and one irregular application. The scheduler was evaluated on a heterogeneous platform with one quad-core CPU-chip accelerated by one or two GPU devices, embedded in the GAMA framework. The evaluation runs measured the e ectiveness, the e ciency and the scalability of the proposed method. Results show that the proposed model was e active in addressing both regular and irregular applications, on heterogeneous platforms, while achieving ideal ( 100%) levels of e ciency in the irregular Barnes-Hut algorithm.Fundação para a Ciência e Tecnologi

Proactive Adaptation in Self-Organizing Task-based Runtime Systems for Different Computing Classes

Moderne Computersysteme bieten Anwendern und Anwendungsentwicklern ein hohes Maß an Parallelität und Heterogenität. Die effiziente Nutzung dieser Systeme erfordert jedoch tiefgreifende Kenntnisse, z.B. der darunterliegenden Hardware-Plattform und den notwendigen Programmiermodellen, und umfangreiche Arbeit des Entwicklers. In dieser Thesis bezieht sich die effiziente Nutzung auf die Gesamtausführungszeit der Anwendungen, den Energieverbrauch des Systems, die maximale Temperatur der Verarbeitungseinheiten und die Zuverlässigkeit des Systems. Neben den verschiedenen Optimierungszielen muss ein Anwendungsentwickler auch die spezifischen Einschränkungen und Randbedingungen des Systems berücksichtigen, wie z. B. Deadlines oder Sicherheitsgarantien, die mit bestimmten Anwendungsbereichen einhergehen. Diese Komplexität heterogener Systeme macht es unmöglich, alle potenziellen Systemzustände und Umwelteinflüsse, die zur Laufzeit auftreten können, vorherzusagen. Die System- und Anwendungsentwickler sind somit nicht in der Lage, zur Entwurfszeit festzulegen, wie das System und die Anwendungen in allen möglichen Situationen reagieren sollen. Daher ist es notwendig, die Systeme zur Laufzeit der aktuellen Situation anzupassen, um ihr Verhalten entsprechend zu optimieren. In eingebetteten Systemen mit begrenzten Kühlkapazitäten muss z.B. bei Erreichen einer bestimmten Temperaturschwelle eine Lastverteilung vorgenommen, die Frequenz verringert oder Verarbeitungseinheiten abgeschaltet werden, um die Wärmeentwicklung zu reduzieren. Normalerweise reicht es aber nicht aus, einfach nur auf einen ungünstigen Systemzustand zu reagieren. Das Ziel sollte darin bestehen, ungünstige oder fehlerhafte Systemzustände vor dem Auftreten zu vermeiden, um die Notwendigkeit des Aufrufs von Notfallfunktionen zu verringern und die Benutzerfreundlichkeit zu verbessern. Anstatt beispielsweise die Wärmeentwicklung durch eine Neuverteilung der Anwendungen zu reduzieren, könnten proaktive Mechanismen kritische Temperaturen bereits im Vorfeld vermeiden, indem sie bestimmte unkritische Aufgaben verzögern oder deren Genauigkeit oder QoS verringern. Auf diese Weise wird die Systemlast reduziert, bevor ein kritischer Punkt erreicht wird. Lösungen des aktuellen Stands der Technik wie einheitliche Programmiersprachen oder Laufzeitsysteme adressieren einige der oben genannten Herausforderungen, jedoch existiert kein Ansatz, der in der Lage ist, eine Optimierung mehrerer sich widersprechender Zielfunktionen dynamisch und vor allem proaktiv durchzuführen. Ein Konzept, das diese komplexe Aufgabe für den Entwickler übernimmt und eine Möglichkeit zur dynamischen und proaktiven Anpassung an Veränderungen bietet, ist die Selbstorganisation. Selbstorganisation ist jedoch definiert als ein Prozess ohne externe Kontrolle oder Steuerung. Im Kontext der Systemoptimierung kann dies leicht zu unerwünschten Ergebnissen führen. Ein Ansatz, der Selbstorganisation mit einem Kontrollmechanismus kombiniert, welcher auf Robustheit und Widerstandsfähigkeit gegenüber äußeren Störungen abzielt, ist Organic Computing. Das bestimmende Merkmal von Organic Computing ist eine Observer/Controller-Architektur. Das Konzept dieser Architektur besteht darin, den aktuellen Zustand des Systems und der Umgebung zu überwachen, diese Daten zu analysieren und auf der Grundlage dieser Analyse Entscheidungen über das zukünftige Systemverhalten zu treffen. Organic Computing ermöglicht es also auf der Grundlage der vergangenen und des aktuellen Zustands proaktiv Mechanismen auszuwählen und auszulösen, die das System optimieren und unerwünschte Zustände vermeiden. Um die Vorteile des Organic Computings auf moderne heterogene Systeme zu übertragen, kombiniere ich den Organic Computing-Ansatz mit einem Laufzeitsystem. Laufzeitsysteme sind ein vielversprechender Kandidat für die Umsetzung des Organic Computing-Ansatzes, da sie bereits die Ausführung von Anwendungen überwachen und steuern. Insbesondere betrachte und bearbeite ich in dieser Dissertation die folgenden Forschungsthemen, indem ich die Konzepte des Organic Computings und der Laufzeitsysteme kombiniere: • Erfassen des aktuellen Systemzustands durch Überwachung von Sensoren und Performance Countern • Vorhersage zukünftiger Systemzustände durch Analyse des vergangenen Verhaltens • Nutzung von Zustandsinformationen zur proaktiven Anpassung des Systems Ich erweitere das Thema der Erfassung von Systemzuständen auf zwei Arten. Zunächst führe ich eine neuartige heuristische Metrik zur Berechnung der Zuverlässigkeit einer Verarbeitungseinheit ein, die auf symptombasierter Fehlererkennung basiert. Symptombasierte Fehlererkennung ist eine leichtgewichtige Methode zur dynamischen Erkennung von soften Hardware-Fehlern durch Überwachung des Ausführungsverhaltens mit Performance Countern. Die dynamische Erkennung von Fehlern ermöglicht dann die Berechnung einer heuristischen Fehlerrate einer Verarbeitungseinheit in einem bestimmten Zeitfenster. Die Fehlerrate wird verwendet, um die Anzahl der erforderlichen Ausführungen einer Anwendung zu berechnen, um eine bestimmte Ergebniszuverlässigkeit, also eine Mindestwahrscheinlichkeit für ein korrektes Ergebnis, zu gewährleisten. Ein wichtiger Aspekt der Zustandserfassung ist die Minimierung des entstehenden Overheads. Ich verringere die Anzahl der für OpenMP-Tasks notwendigen Profiling-Durchläufe durch Thread-Interpolation und Überprüfungen des Skalierungsverhaltens. Zusätzlich untersuche ich die Vorhersage von OpenCL Task-Ausführungszeiten. Die Prädiktoren der Ausführungszeiten werden mit verschiedenen maschinellen Lernalgorithmen trainiert. Als Input werden Profile der Kernel verwendet, die durch statische Codeanalyse erstellt wurden. Um in dieser Dissertation zukünftige Systemzustände vorherzusagen, sollen Anwendungen vorausgesagt werden, die in naher Zukunft im System vorkommen werden. In Kombination mit der Ausführungsdatenbank ermöglicht dies die Schätzung der anstehenden Kosten, die das System zu bewältigen hat. In dieser Arbeit werden zwei Mechanismen zur Vorhersage von Anwendungen/Tasks entwickelt. Der erste Prädiktor zielt darauf ab, neue Instanzen unabhängiger Tasks vorherzusagen. Der zweite Mechanismus betrachtet Ausführungsmuster abhängiger Anwendungen und sagt auf dieser Grundlage zukünftig auftretende Anwendungen vorher. Beide Mechanismen verwenden eine Vorhersagetabelle, die auf Markov-Prädiktoren und dem Abgleich von Mustern basiert. In dieser Arbeit wird das Wissen, das durch die Systemüberwachung und die Vorhersage zukünftiger Anwendungen gewonnen wird, verwendet, um die Optimierungsziele des Systems proaktiv in Einklang zu bringen und zu gewichten. Dies geschieht durch eine Reihe von Regeln, die eine Systemzustandsbeschreibung, bestehend aus dem aktuellen Zustand, Vorhersagen und Randbedingungen bzw. Beschränkungen, auf einen Vektor aus Gewichten abbilden. Zum Erlernen der Regelmenge wird ein Extended Classifer System (XCS) eingesetzt. Das XCS ist in eine hierarchische Architektur eingebettet, die nach den Prinzipien des Organic Computing entworfen wurde. Eine wichtige Designentscheidung ist dabei die Auslagerung der Erstellung neuer Regeln an einen Offline-Algorithmus, der einen Simulator nutzt und parallel zum normalen Systemablauf ausgeführt wird. Dadurch wird sichergestellt, dass keine ungetesteten Regeln, deren Auswirkungen noch nicht bekannt sind, dem laufenden System hinzugefügt werden. Die sich daraus ergebenden Gewichte werden schließlich verwendet, um eine Bewertungsfunktion für List Scheduling-Algorithmen zu erstellen. Diese Dissertation erweitert das Forschungsgebiet der Scheduling-Algorithmen durch zwei Mechanismen für dynamisches Scheduling. Die erste Erweiterung konzentriert sich auf nicht sicherheitskritische Systeme, die Prioritäten verwenden, um die unterschiedliche Wichtigkeit von Tasks auszudrücken. Da statische Prioritäten in stark ausgelasteten Systemen zu Starvation führen können, habe ich einen dynamischen Ageing-Mechanismus entwickelt, der dazu in der Lage ist, die Prioritäten der Tasks entsprechend der aktuellen Auslastung und ihrer Wartezeiten anzupassen. Dadurch reduziert der Mechanismus die Gesamtlaufzeit über alle Tasks und die Wartezeit für Tasks mit niedrigerer Priorität. Noch ist eine große Anzahl von Anwendungen nicht dazu bereit, den hohen Grad an Parallelität zu nutzen, den moderne Computersysteme bieten. Ein Konzept, das versucht dieses Problem zu lösen, indem es mehrere verschiedene Prozesse auf demselben Rechenknoten zur Ausführung bringt, ist das Co-Scheduling. In dieser Dissertation stelle ich einen neuartigen Co-Scheduling-Mechanismus vor, welcher die Task-Schedules mehrerer Laufzeitsysteminstanzen optimiert, die auf demselben Rechenknoten ausgeführt werden. Um die notwendigen Informationen zwischen den Laufzeitsysteminstanzen zu teilen, speichert der Mechanismus die Daten in Shared Memory. Sobald ein Laufzeitsystem neue Tasks in das System einfügt, prüft der Mechanismus, ob die Berechnung eines neuen Schedules sinnvoll ist. Wird die Entscheidung getroffen, einen neuen Schedule zu berechnen, setzt der Mechanismus Simulated Annealing ein, um alle Tasks, die bisher noch nicht mit ihrer Ausführung begonnen haben, neu auf Ausführungseinheiten abzubilden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass diese Arbeit neuartige Mechanismen und Algorithmen sowie Erweiterungen zu verschiedenen Forschungsgebieten anbietet, um ein proaktives selbst-organisierendes System zu implementieren, das sich an neue und unbekannte Situationen anpassen kann. Dabei wird die Komplexität für Benutzer und Anwendungsentwickler reduziert, indem die Entscheidungsfindung in das System selbst ausgelagert wird. Gleichzeitig sorgt dieser Ansatz für eine effiziente Nutzung der Ressourcen des Systems. Insgesamt leistet diese Arbeit die folgenden Beiträge zur Erweiterung des Stands der Forschung: • Einführung einer neuartigen heuristischen Metrik zur Messung der Zuverlässigkeit von Verarbeitungseinheiten. Die Metrik basiert auf einer leichtgewichtigen Methode zur Fehlererkennung, genannt symptombasierte Fehlererkennung. Mit der symptombasierten Fehlererkennung ist es möglich, mehrere injizierte Fehlerklassen und Interferenzen, die Soft-Hardware-Fehler simulieren, sowohl auf einer CPU als auch auf einer GPU zuverlässig zu erkennen. Darüber hinaus werden diese Ergebnisse durch Welch\u27s t-Test statistisch bestätigt. • Vorschlag eines Vorhersagemodells für die Ausführungszeit von OpenCL Kerneln, das auf statischer Code-Analyse basiert. Das Modell ist in der Lage, die schnellste Verarbeitungseinheit aus einer Menge von Verarbeitungseinheiten mit einer Genauigkeit von im schlechtesten Fall $69\,\%$ auszuwählen. Zum Vergleich: eine Referenzvariante, welche immer den Prozessor vorhersagt, der die meisten Kernel am schnellsten ausführt, erzielt eine Genauigkeit von $25\,\%$. Im besten Fall erreicht das Modell eine Genauigkeit von bis zu $83\,\%$. • Bereitstellung von zwei Prädiktoren für kommende Tasks/Anwendungen. Der erste Mechanismus betrachtet unabhängige Tasks, die ständig neue Task-Instanzen erstellen, der zweite abhängige Anwendungen, die Ausführungsmuster bilden. Dabei erzielt der erste Mechanismus bei der Vorhersage der Zeitspanne zwischen zwei aufeinanderfolgenden Task-Instanzen einen maximalen\\ $sMAPE$-Wert von $4,33\,\%$ für sporadische und $0,002 \,\%$ für periodische Tasks. Darüber hinaus werden Tasks mit einem aperiodischen Ausführungsschema zuverlässig erkannt. Der zweite Mechanismus erreicht eine Genauigkeit von $77,6 \,\%$ für die Vorhersage der nächsten anstehenden Anwendung und deren Startzeit. • Einführung einer Umsetzung eines hierarchischen Organic Computing Frameworks mit dem Anwendungsgebiet Task-Scheduling. Dieses Framework enthält u.a. ein modifiziertes XCS, für dessen Design und Implementierung ein neuartiger Reward-Mechanismus entwickelt wird. Der Mechanismus bedient sich dabei eines speziell für diesen Zweck entwickelten Simulators zur Berechnung von Task-Ausführungskosten. Das XCS bildet Beschreibungen des Systemzustands auf Gewichte zur Balancierung der Optimierungsziele des Systems ab. Diese Gewichte werden in einer Bewertungsfunktion für List Scheduling-Algorithmen verwendet. Damit wird in einem Evaluationsszenario, welches aus einem fünfmal wiederholten Muster aus Anwendungen besteht, eine Reduzierung der Gesamtlaufzeit um $10,4\,\%$ bzw. $26,7\,s$, des Energieverbrauchs um $4,7\,\%$ bzw. $2061,1\,J$ und der maximalen Temperatur der GPU um $3,6\,\%$ bzw. $2,7 K$ erzielt. Lediglich die maximale Temperatur über alle CPU-Kerne erhöht sich um $6\,\%$ bzw. $2,3\,K$. • Entwicklung von zwei Erweiterungen zur Verbesserung des dynamischen Task-Schedulings für einzelne und mehrere Prozesse, z.B. mehrere Laufzeitsysteminstanzen. Der erste Mechanismus, ein Ageing-Algorithmus, betrachtet nicht sicherheitskritische Systeme, welche Task-Prioritäten verwenden, um die unterschiedliche Bedeutung von Anwendungen darzustellen. Da es in solchen Anwendungsszenarien in Kombination mit hoher Systemauslastung zu Starvation kommen kann, passt der Mechanismus die Task-Prioritäten dynamisch an die aktuelle Auslastung und die Task-Wartezeiten an. Insgesamt erreicht dieser Mechanismus in zwei Bewertungsszenarien eine durchschnittliche Laufzeitverbesserung von $3,75\,\%$ und $3,16\,\%$ bei gleichzeitiger Reduzierung der Durchlaufzeit von Tasks mit niedrigerer Priorität um bis zu $25,67\,\%$. Der zweite Mechanismus ermöglicht die Optimierung von Schedules mehrerer Laufzeitsysteminstanzen, die parallel auf demselben Rechenknoten ausgeführt werden. Dieser Co-Scheduling-Ansatz verwendet Shared Memory zum Austausch von Informationen zwischen den Prozessen und Simulated Annealing zur Berechnung neuer Task-Schedules. In zwei Evaluierungsszenarien erzielt der Mechanismus durchschnittliche Laufzeitverbesserungen von $19,74\,\%$ und $20,91\,\%$ bzw. etwa $2,7\,s$ und $3\,s$

DiviML: A Module-based Heuristic for Mapping Neural Networks onto Heterogeneous Platforms

Datacenters are increasingly becoming heterogeneous, and are starting to include specialized hardware for networking, video processing, and especially deep learning. To leverage the heterogeneous compute capability of modern datacenters, we develop an approach for compiler-level partitioning of deep neural networks (DNNs) onto multiple interconnected hardware devices. We present a general framework for heterogeneous DNN compilation, offering automatic partitioning and device mapping. Our scheduler integrates both an exact solver, through a mixed integer linear programming (MILP) formulation, and a modularity-based heuristic for scalability. Furthermore, we propose a theoretical lower bound formula for the optimal solution, which enables the assessment of the heuristic solutions' quality. We evaluate our scheduler in optimizing both conventional DNNs and randomly-wired neural networks, subject to latency and throughput constraints, on a heterogeneous system comprised of a CPU and two distinct GPUs. Compared to na\"ively running DNNs on the fastest GPU, he proposed framework can achieve more than 3$\times$ times lower latency and up to 2.9$\times$ higher throughput by automatically leveraging both data and model parallelism to deploy DNNs on our sample heterogeneous server node. Moreover, our modularity-based "splitting" heuristic improves the solution runtime up to 395$\times$ without noticeably sacrificing solution quality compared to an exact MILP solution, and outperforms all other heuristics by 30-60% solution quality. Finally, our case study shows how we can extend our framework to schedule large language models across multiple heterogeneous servers by exploiting symmetry in the hardware setup. Our code can be easily plugged in to existing frameworks, and is available at https://github.com/abdelfattah-lab/diviml.Comment: accepted at ICCAD'2