Optimizing soft error reliability through scheduling on heterogeneous multicore processors

Reliability to soft errors is an increasingly important issue as technology continues to shrink. In this paper, we show that applications exhibit different reliability characteristics on big, high-performance cores versus small, power-efficient cores, and that there is significant opportunity to improve system reliability through reliability-aware scheduling on heterogeneous multicore processors. We monitor the reliability characteristics of all running applications, and dynamically schedule applications to the different core types in a heterogeneous multicore to maximize system reliability. Reliability-aware scheduling improves reliability by 25.4 percent on average (and up to 60.2 percent) compared to performance-optimized scheduling on a heterogeneous multicore processor with two big cores and two small cores, while degrading performance by 6.3 percent only. We also introduce a novel system-level reliability metric for multiprogram workloads on (heterogeneous) multicores. We provide a trade-off analysis among reliability-, power- and performance-optimized scheduling, and evaluate reliability-aware scheduling under performance constraints and for unprotected L1 caches. In addition, we also extend our scheduling mechanisms to multithreaded programs. The hardware cost in support of our reliability-aware scheduler is limited to 296 bytes per core

A Survey of Fault-Tolerance Techniques for Embedded Systems from the Perspective of Power, Energy, and Thermal Issues

The relentless technology scaling has provided a significant increase in processor performance, but on the other hand, it has led to adverse impacts on system reliability. In particular, technology scaling increases the processor susceptibility to radiation-induced transient faults. Moreover, technology scaling with the discontinuation of Dennard scaling increases the power densities, thereby temperatures, on the chip. High temperature, in turn, accelerates transistor aging mechanisms, which may ultimately lead to permanent faults on the chip. To assure a reliable system operation, despite these potential reliability concerns, fault-tolerance techniques have emerged. Specifically, fault-tolerance techniques employ some kind of redundancies to satisfy specific reliability requirements. However, the integration of fault-tolerance techniques into real-time embedded systems complicates preserving timing constraints. As a remedy, many task mapping/scheduling policies have been proposed to consider the integration of fault-tolerance techniques and enforce both timing and reliability guarantees for real-time embedded systems. More advanced techniques aim additionally at minimizing power and energy while at the same time satisfying timing and reliability constraints. Recently, some scheduling techniques have started to tackle a new challenge, which is the temperature increase induced by employing fault-tolerance techniques. These emerging techniques aim at satisfying temperature constraints besides timing and reliability constraints. This paper provides an in-depth survey of the emerging research efforts that exploit fault-tolerance techniques while considering timing, power/energy, and temperature from the real-time embedded systems’ design perspective. In particular, the task mapping/scheduling policies for fault-tolerance real-time embedded systems are reviewed and classified according to their considered goals and constraints. Moreover, the employed fault-tolerance techniques, application models, and hardware models are considered as additional dimensions of the presented classification. Lastly, this survey gives deep insights into the main achievements and shortcomings of the existing approaches and highlights the most promising ones

Resource management for extreme scale high performance computing systems in the presence of failures

2018 Summer.Includes bibliographical references.High performance computing (HPC) systems, such as data centers and supercomputers, coordinate the execution of large-scale computation of applications over tens or hundreds of thousands of multicore processors. Unfortunately, as the size of HPC systems continues to grow towards exascale complexities, these systems experience an exponential growth in the number of failures occurring in the system. These failures reduce performance and increase energy use, reducing the efficiency and effectiveness of emerging extreme-scale HPC systems. Applications executing in parallel on individual multicore processors also suffer from decreased performance and increased energy use as a result of applications being forced to share resources, in particular, the contention from multiple application threads sharing the last-level cache causes performance degradation. These challenges make it increasingly important to characterize and optimize the performance and behavior of applications that execute in these systems. To address these challenges, in this dissertation we propose a framework for intelligently characterizing and managing extreme-scale HPC system resources. We devise various techniques to mitigate the negative effects of failures and resource contention in HPC systems. In particular, we develop new HPC resource management techniques for intelligently utilizing system resources through the (a) optimal scheduling of applications to HPC nodes and (b) the optimal configuration of fault resilience protocols. These resource management techniques employ information obtained from historical analysis as well as theoretical and machine learning methods for predictions. We use these data to characterize system performance, energy use, and application behavior when operating under the uncertainty of performance degradation from both system failures and resource contention. We investigate how to better characterize and model the negative effects from system failures as well as application co-location on large-scale HPC computing systems. Our analysis of application and system behavior also investigates: the interrelated effects of network usage of applications and fault resilience protocols; checkpoint interval selection and its sensitivity to system parameters for various checkpoint-based fault resilience protocols; and performance comparisons of various promising strategies for fault resilience in exascale-sized systems

ParaDox: Eliminating Voltage Margins via Heterogeneous Fault Tolerance.

Providing reliability is becoming a challenge for chip manufacturers, faced with simultaneously trying to improve miniaturization, performance and energy efficiency. This leads to very large margins on voltage and frequency, designed to avoid errors even in the worst case, along with significant hardware expenditure on eliminating voltage spikes and other forms of transient error, causing considerable inefficiency in power consumption and performance. We flip traditional ideas about reliability and performance around, by exploring the use of error resilience for power and performance gains. ParaMedic is a recent architecture that provides a solution for reliability with low overheads via automatic hardware error recovery. It works by splitting up checking onto many small cores in a heterogeneous multicore system with hardware logging support. However, its design is based on the idea that errors are exceptional. We transform ParaMedic into ParaDox, which shows high performance in both error-intensive and scarce-error scenarios, thus allowing correct execution even when undervolted and overclocked. Evaluation within error-intensive simulation environments confirms the error resilience of ParaDox and the low associated recovery cost. We estimate that compared to a non-resilient system with margins, ParaDox can reduce energy-delay product by 15% through undervolting, while completely recovering from any induced errors

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 $3\,s$

Learning-based run-time power and energy management of multi/many-core systems: current and future trends

Multi/Many-core systems are prevalent in several application domains targeting different scales of computing such as embedded and cloud computing. These systems are able to fulfil the everincreasing performance requirements by exploiting their parallel processing capabilities. However, effective power/energy management is required during system operations due to several reasons such as to increase the operational time of battery operated systems, reduce the energy cost of datacenters, and improve thermal efficiency and reliability. This article provides an extensive survey of learning-based run-time power/energy management approaches. The survey includes a taxonomy of the learning-based approaches. These approaches perform design-time and/or run-time power/energy management by employing some learning principles such as reinforcement learning. The survey also highlights the trends followed by the learning-based run-time power management approaches, their upcoming trends and open research challenges

Exceeding Conservative Limits: A Consolidated Analysis on Modern Hardware Margins

Modern large-scale computing systems (data centers, supercomputers, cloud and edge setups and high-end cyber-physical systems) employ heterogeneous architectures that consist of multicore CPUs, general-purpose many-core GPUs, and programmable FPGAs. The effective utilization of these architectures poses several challenges, among which a primary one is power consumption. Voltage reduction is one of the most efficient methods to reduce power consumption of a chip. With the galloping adoption of hardware accelerators (i.e., GPUs and FPGAs) in large datacenters and other large-scale computing infrastructures, a comprehensive evaluation of the safe voltage reduction levels for each different chip can be employed for efficient reduction of the total power. We present a survey of recent studies in voltage margins reduction at the system level for modern CPUs, GPUs and FPGAs. The pessimistic voltage guardbands inserted by the silicon vendors can be exploited in all devices for significant power savings. On average, voltage reduction can reach 12% in multicore CPUs, 20% in manycore GPUs and 39% in FPGAs.Comment: Accepted for publication in IEEE Transactions on Device and Materials Reliabilit

DeSyRe: on-Demand System Reliability

The DeSyRe project builds on-demand adaptive and reliable Systems-on-Chips (SoCs). As fabrication technology scales down, chips are becoming less reliable, thereby incurring increased power and performance costs for fault tolerance. To make matters worse, power density is becoming a significant limiting factor in SoC design, in general. In the face of such changes in the technological landscape, current solutions for fault tolerance are expected to introduce excessive overheads in future systems. Moreover, attempting to design and manufacture a totally defect and fault-free system, would impact heavily, even prohibitively, the design, manufacturing, and testing costs, as well as the system performance and power consumption. In this context, DeSyRe delivers a new generation of systems that are reliable by design at well-balanced power, performance, and design costs. In our attempt to reduce the overheads of fault-tolerance, only a small fraction of the chip is built to be fault-free. This fault-free part is then employed to manage the remaining fault-prone resources of the SoC. The DeSyRe framework is applied to two medical systems with high safety requirements (measured using the IEC 61508 functional safety standard) and tight power and performance constraints

Dynamic Processor Reconfiguration for Power, Performance and Reliability Management

Technology advancements allowed more transistors to be packed in a smaller area, while the improved performance helped in achieving higher clock frequencies. This, unfortunately led to a power density problem, forcing processor industry to lower the clock frequency and integrate multiple cores on the same die. Depending on core characteristics, the multiple cores in the die could be symmetric or asymmetric. Asymmetric multi-core processors (AMPs) have been proposed as an alternative to symmetric multi-cores to improve power efficiency. AMPs comprise of cores that implement the same ISA, but differ in performance and power characteristics due to varying sizes of micro-architectural resources. As the computational bottleneck of a workload shifts from one resource to another during its course of execution, reassigning it to another core (where it runs more efficiently), can improve the overall power efficiency. Thus achieving high power efficiency in AMPs requires (i) a diverse set of cores that are optimized for various program phases, (ii) runtime analysis to determine the best core to run on, and (iii) low overhead of re-assigning a thread to a different core type. Decisions to swap threads between AMPs are made at coarse grain granularity of millions of instructions, to mitigate the impact of thread migration overhead. But the computational needs of the program rapidly change during the course of its execution. The best core configuration for an application such that, both power consumption and performance are optimized, changes over time rapidly at fine granularity of thousands of instructions. This dissertation explores ways to design core micro-architecture such that high power efficiency could be achieved, if switching overhead could be lowered, enabling fine grain switching. To take advantage of power saving opportunities at fine grain granularity, this thesis explores reconfigurable/morphable architectures where core resources are reconfigured on demand to suit the needs of the executing application. At first, we explore reconfigurable architectures consisting of two kinds of cores: out-of-order (OOO) big cores and in-order (InO) small cores. The big cores provide higher performance while the small cores are more power efficient. In this proposed architecture, OOO core reconfigures into InO core at run time. Our proposed online management scheme decides to switch between these core types such that we obtain significant power benefits without impacting performance. We also observe that, resource requirements of applications can be quite diverse and consequently, resource bottlenecks or excesses can vary considerably. Thus, reconfiguration between just two core modes may not fully exploit power and performance improvement opportunities. We therefore, explore reconfigurable architectures consisting of diverse core types that not limited to big and little cores. A single core can reconfigure into multiple core modes where each mode has unique power and performance characteristics. Workload performance on a particular core mode depends on a large set of processor resources. Some workloads are highly memory intensive, some exhibit large instruction dependency, some experience high rates of branch mis-prediction, while other workloads exhibit large exploitable instruction level parallelism. A diverse set of core modes is needed, that could address shifting resource needs during various program phases of an application. Different trade-offs in power and performance could be achieved by reducing or expanding the size of various resource. Trade-offs for each core mode are also affected by operating voltage and frequency. We therefore, propose joint core resource resizing with dynamic voltage and frequency scaling (DVFS), which is important for applications whose performance is sensitive to changes in frequency. Thus, at fine granularity, the core should adapt to varying instruction window sizes, execution bandwidth and frequency to meet the demands of the workload at run-time to improve power efficiency. Many current processors employ DVFS aggressively to improve power efficiency and maximize performance. This dissertation studies the tradeoff in power efficiency in using fine grain DVFS and reconfigurable architectures mentioned above.We also explore another important problem due to continued scaling of devices which results in higher vulnerability to soft-errors. We consider dynamic core reconfiguration from the perspectives of both power efficiency and vulnerability to soft-errors. An online management scheme is proposed such that core reconfiguration upon a thread switch not only improves power efficiency but also does not increase the vulnerability to soft errors. In summary, we propose in this thesis several solutions for improving power efficiency by integrating heterogeneity within the core. We also address how popular power reduction techniques like DVFS are comparable to our approach. Finally, we address reliability challenges along with improving power efficiency