Performance, Power and Cooling Trade-Offs with NCFET-based Many-Cores

Negative Capacitance Field-Effect Transistor (NCFET) is an emerging technology that incorporates a ferroelectric layer within the transistor gate stack to overcome the fundamental limit of sub-threshold swing in transistors. Even though physics-based NCFET models have been recently proposed, system-level NCFET models do not exist and research is still in its infancy. In this work, we are the first to investigate the impact of NCFET on performance, energy and cooling costs in many-core processors. Our proposed methodology starts from accurate physics models all the way up to the system level, where the performance and power of a many-core are widely affected. Our new methodology and system-level models allow, for the first time, the exploration of the novel trade-offs between performance gains and power losses that NCFET now offers to system-level designers. We demonstrate that an optimal ferroelectric thickness does exist. In addition, we reveal that current state-of-the-art power management techniques fail when NCFET (with a thick ferroelectric layer) comes into play

Machine Learning for Resource-Constrained Computing Systems

Die verfügbaren Ressourcen in Informationsverarbeitungssystemen wie Prozessoren sind in der Regel eingeschränkt. Das umfasst z. B. die elektrische Leistungsaufnahme, den Energieverbrauch, die Wärmeabgabe oder die Chipfläche. Daher ist die Optimierung der Verwaltung der verfügbaren Ressourcen von größter Bedeutung, um Ziele wie maximale Performanz zu erreichen. Insbesondere die Ressourcenverwaltung auf der Systemebene hat über die (dynamische) Zuweisung von Anwendungen zu Prozessorkernen und über die Skalierung der Spannung und Frequenz (dynamic voltage and frequency scaling, DVFS) einen großen Einfluss auf die Performanz, die elektrische Leistung und die Temperatur während der Ausführung von Anwendungen. Die wichtigsten Herausforderungen bei der Ressourcenverwaltung sind die hohe Komplexität von Anwendungen und Plattformen, unvorhergesehene (zur Entwurfszeit nicht bekannte) Anwendungen oder Plattformkonfigurationen, proaktive Optimierung und die Minimierung des Laufzeit-Overheads. Bestehende Techniken, die auf einfachen Heuristiken oder analytischen Modellen basieren, gehen diese Herausforderungen nur unzureichend an. Aus diesem Grund ist der Hauptbeitrag dieser Dissertation der Einsatz maschinellen Lernens (ML) für Ressourcenverwaltung. ML-basierte Lösungen ermöglichen die Bewältigung dieser Herausforderungen durch die Vorhersage der Auswirkungen potenzieller Entscheidungen in der Ressourcenverwaltung, durch Schätzung verborgener (unbeobachtbarer) Eigenschaften von Anwendungen oder durch direktes Lernen einer Ressourcenverwaltungs-Strategie. Diese Dissertation entwickelt mehrere neuartige ML-basierte Ressourcenverwaltung-Techniken für verschiedene Plattformen, Ziele und Randbedingungen. Zunächst wird eine auf Vorhersagen basierende Technik zur Maximierung der Performanz von Mehrkernprozessoren mit verteiltem Last-Level Cache und limitierter Maximaltemperatur vorgestellt. Diese verwendet ein neuronales Netzwerk (NN) zur Vorhersage der Auswirkungen potenzieller Migrationen von Anwendungen zwischen Prozessorkernen auf die Performanz. Diese Vorhersagen erlauben die Bestimmung der bestmöglichen Migration und ermöglichen eine proaktive Verwaltung. Das NN ist so trainiert, dass es mit unbekannten Anwendungen und verschiedenen Temperaturlimits zurechtkommt. Zweitens wird ein Boosting-Verfahren zur Maximierung der Performanz homogener Mehrkernprozessoren mit limitierter Maximaltemperatur mithilfe von DVFS vorgestellt. Dieses basiert auf einer neuartigen {Boostability}-Metrik, die die Abhängigkeiten von Performanz, elektrischer Leistung und Temperatur auf Spannungs/Frequenz-Änderungen in einer Metrik vereint. % ignorerepeated Die Abhängigkeiten von Performanz und elektrischer Leistung hängen von der Anwendung ab und können zur Laufzeit nicht direkt beobachtet (gemessen) werden. Daher wird ein NN verwendet, um diese Werte für unbekannte Anwendungen zu schätzen und so die Komplexität der Boosting-Optimierung zu bewältigen. Drittens wird eine Technik zur Temperaturminimierung von heterogenen Mehrkernprozessoren mit Quality of Service-Zielen vorgestellt. Diese verwendet Imitationslernen, um eine Migrationsstrategie von Anwendungen aus optimalen Orakel-Demonstrationen zu lernen. Dafür wird ein NN eingesetzt, um die Komplexität der Plattform und des Anwendungsverhaltens zu bewältigen. Die Inferenz des NNs wird mit Hilfe eines vorhandenen generischen Beschleunigers, einer Neural Processing Unit (NPU), beschleunigt. Auch die ML Algorithmen selbst müssen auch mit begrenzten Ressourcen ausgeführt werden. Zuletzt wird eine Technik für ressourcenorientiertes Training auf verteilten Geräten vorgestellt, um einen konstanten Trainingsdurchsatz bei sich schnell ändernder Verfügbarkeit von Rechenressourcen aufrechtzuerhalten, wie es z.~B.~aufgrund von Konflikten bei gemeinsam genutzten Ressourcen der Fall ist. Diese Technik verwendet Structured Dropout, welches beim Training zufällige Teile des NNs auslässt. Dadurch können die erforderlichen Ressourcen für das Training dynamisch angepasst werden -- mit vernachlässigbarem Overhead, aber auf Kosten einer langsameren Trainingskonvergenz. Die Pareto-optimalen Dropout-Parameter pro Schicht des NNs werden durch eine Design Space Exploration bestimmt. Evaluierungen dieser Techniken werden sowohl in Simulationen als auch auf realer Hardware durchgeführt und zeigen signifikante Verbesserungen gegenüber dem Stand der Technik, bei vernachlässigbarem Laufzeit-Overhead. Zusammenfassend zeigt diese Dissertation, dass ML eine Schlüsseltechnologie zur Optimierung der Verwaltung der limitierten Ressourcen auf Systemebene ist, indem die damit verbundenen Herausforderungen angegangen werden

Resource-aware scheduling for 2D/3D multi-/many-core processor-memory systems

This dissertation addresses the complexities of 2D/3D multi-/many-core processor-memory systems, focusing on two key areas: enhancing timing predictability in real-time multi-core processors and optimizing performance within thermal constraints. The integration of an increasing number of transistors into compact chip designs, while boosting computational capacity, presents challenges in resource contention and thermal management. The first part of the thesis improves timing predictability. We enhance shared cache interference analysis for set-associative caches, advancing the calculation of Worst-Case Execution Time (WCET). This development enables accurate assessment of cache interference and the effectiveness of partitioned schedulers in real-world scenarios. We introduce TCPS, a novel task and cache-aware partitioned scheduler that optimizes cache partitioning based on task-specific WCET sensitivity, leading to improved schedulability and predictability. Our research explores various cache and scheduling configurations, providing insights into their performance trade-offs. The second part focuses on thermal management in 2D/3D many-core systems. Recognizing the limitations of Dynamic Voltage and Frequency Scaling (DVFS) in S-NUCA many-core processors, we propose synchronous thread migrations as a thermal management strategy. This approach culminates in the HotPotato scheduler, which balances performance and thermal safety. We also introduce 3D-TTP, a transient temperature-aware power budgeting strategy for 3D-stacked systems, reducing the need for Dynamic Thermal Management (DTM) activation. Finally, we present 3QUTM, a novel method for 3D-stacked systems that combines core DVFS and memory bank Low Power Modes with a learning algorithm, optimizing response times within thermal limits. This research contributes significantly to enhancing performance and thermal management in advanced processor-memory systems