SQUASH: Simple QoS-Aware High-Performance Memory Scheduler for Heterogeneous Systems with Hardware Accelerators

Modern SoCs integrate multiple CPU cores and Hardware Accelerators (HWAs) that share the same main memory system, causing interference among memory requests from different agents. The result of this interference, if not controlled well, is missed deadlines for HWAs and low CPU performance. State-of-the-art mechanisms designed for CPU-GPU systems strive to meet a target frame rate for GPUs by prioritizing the GPU close to the time when it has to complete a frame. We observe two major problems when such an approach is adapted to a heterogeneous CPU-HWA system. First, HWAs miss deadlines because they are prioritized only close to their deadlines. Second, such an approach does not consider the diverse memory access characteristics of different applications running on CPUs and HWAs, leading to low performance for latency-sensitive CPU applications and deadline misses for some HWAs, including GPUs. In this paper, we propose a Simple Quality of service Aware memory Scheduler for Heterogeneous systems (SQUASH), that overcomes these problems using three key ideas, with the goal of meeting deadlines of HWAs while providing high CPU performance. First, SQUASH prioritizes a HWA when it is not on track to meet its deadline any time during a deadline period. Second, SQUASH prioritizes HWAs over memory-intensive CPU applications based on the observation that the performance of memory-intensive applications is not sensitive to memory latency. Third, SQUASH treats short-deadline HWAs differently as they are more likely to miss their deadlines and schedules their requests based on worst-case memory access time estimates. Extensive evaluations across a wide variety of different workloads and systems show that SQUASH achieves significantly better CPU performance than the best previous scheduler while always meeting the deadlines for all HWAs, including GPUs, thereby largely improving frame rates

Thermal Analysis of a 3D Stacked High-Performance Commercial Microprocessor using Face-to-Face Wafer Bonding Technology

3D integration technologies are seeing widespread adoption in the semiconductor industry to offset the limitations and slowdown of two-dimensional scaling. High-density 3D integration techniques such as face-to-face wafer bonding with sub-10 $\mu$m pitch can enable new ways of designing SoCs using all 3 dimensions, like folding a microprocessor design across multiple 3D tiers. However, overlapping thermal hotspots can be a challenge in such 3D stacked designs due to a general increase in power density. In this work, we perform a thorough thermal simulation study on sign-off quality physical design implementation of a state-of-the-art, high-performance, out-of-order microprocessor on a 7nm process technology. The physical design of the microprocessor is partitioned and implemented in a 2-tier, 3D stacked configuration with logic blocks and memory instances in separate tiers (logic-over-memory 3D). The thermal simulation model was calibrated to temperature measurement data from a high-performance, CPU-based 2D SoC chip fabricated on the same 7nm process technology. Thermal profiles of different 3D configurations under various workload conditions are simulated and compared. We find that stacking microprocessor designs in 3D without considering thermal implications can result in maximum die temperature up to 12{\deg}C higher than their 2D counterparts under the worst-case power-indicative workload. This increase in temperature would reduce the amount of time for which a power-intensive workload can be run before throttling is required. However, logic-over-memory partitioned 3D CPU implementation can mitigate this temperature increase by half, which makes the temperature of the 3D design only 6$^\circ$C higher than the 2D baseline. We conclude that using thermal aware design partitioning and improved cooling techniques can overcome the thermal challenges associated with 3D stacking

Energy Efficient Mapping in 3D Mesh Communication Architecture for NoC

By the end of this decade we will be entering into the era of thousand cores SoCs. 3D integration technologies have opened the door of new opportunities for NoC architecture design in SoCs providing higher efficiency compared to 2D integration by appropriately adjusting the increased path lengths of 2D NoC. The application to core mapping on NoC architecture can significantly affect the amount of system's dynamic communication energy consumption. The considerable amount of energy savings can be achieved by appropriately optimizing the application to core mapping in NoC architecture. This paper presents a Branch-and-Bound heuristic for smart application to core mapping in 3D Mesh NoC architecture. Experimental results show that proposed heuristic saves about 42%-55% and 19%-28% of dynamic communication energy consumption in comparison to random mapping in 3D NoC communication architecture and the energy aware-mapping in 2D NoC architecture of same size, respectively

Cross-Layer Rapid Prototyping and Synthesis of Application-Specific and Reconfigurable Many-accelerator Platforms

Technological advances of recent years laid the foundation consolidation of informatisationof society, impacting on economic, political, cultural and socialdimensions. At the peak of this realization, today, more and more everydaydevices are connected to the web, giving the term ”Internet of Things”. The futureholds the full connection and interaction of IT and communications systemsto the natural world, delimiting the transition to natural cyber systems and offeringmeta-services in the physical world, such as personalized medical care, autonomoustransportation, smart energy cities etc. . Outlining the necessities of this dynamicallyevolving market, computer engineers are required to implement computingplatforms that incorporate both increased systemic complexity and also cover awide range of meta-characteristics, such as the cost and design time, reliabilityand reuse, which are prescribed by a conflicting set of functional, technical andconstruction constraints. This thesis aims to address these design challenges bydeveloping methodologies and hardware/software co-design tools that enable therapid implementation and efficient synthesis of architectural solutions, which specifyoperating meta-features required by the modern market. Specifically, this thesispresents a) methodologies to accelerate the design flow for both reconfigurableand application-specific architectures, b) coarse-grain heterogeneous architecturaltemplates for processing and communication acceleration and c) efficient multiobjectivesynthesis techniques both at high abstraction level of programming andphysical silicon level.Regarding to the acceleration of the design flow, the proposed methodologyemploys virtual platforms in order to hide architectural details and drastically reducesimulation time. An extension of this framework introduces the systemicco-simulation using reconfigurable acceleration platforms as co-emulation intermediateplatforms. Thus, the development cycle of a hardware/software productis accelerated by moving from a vertical serial flow to a circular interactive loop.Moreover the simulation capabilities are enriched with efficient detection and correctiontechniques of design errors, as well as control methods of performancemetrics of the system according to the desired specifications, during all phasesof the system development. In orthogonal correlation with the aforementionedmethodological framework, a new architectural template is proposed, aiming atbridging the gap between design complexity and technological productivity usingspecialized hardware accelerators in heterogeneous systems-on-chip and networkon-chip platforms. It is presented a novel co-design methodology for the hardwareaccelerators and their respective programming software, including the tasks allocationto the available resources of the system/network. The introduced frameworkprovides implementation techniques for the accelerators, using either conventionalprogramming flows with hardware description language or abstract programmingmodel flows, using techniques from high-level synthesis. In any case, it is providedthe option of systemic measures optimization, such as the processing speed,the throughput, the reliability, the power consumption and the design silicon area.Finally, on addressing the increased complexity in design tools of reconfigurablesystems, there are proposed novel multi-objective optimization evolutionary algo-rithms which exploit the modern multicore processors and the coarse-grain natureof multithreaded programming environments (e.g. OpenMP) in order to reduce theplacement time, while by simultaneously grouping the applications based on theirintrinsic characteristics, the effectively explore the design space effectively.The efficiency of the proposed architectural templates, design tools and methodologyflows is evaluated in relation to the existing edge solutions with applicationsfrom typical computing domains, such as digital signal processing, multimedia andarithmetic complexity, as well as from systemic heterogeneous environments, suchas a computer vision system for autonomous robotic space navigation and manyacceleratorsystems for HPC and workstations/datacenters. The results strengthenthe belief of the author, that this thesis provides competitive expertise to addresscomplex modern - and projected future - design challenges.Οι τεχνολογικές εξελίξεις των τελευταίων ετών έθεσαν τα θεμέλια εδραίωσης της πληροφοριοποίησης της κοινωνίας, επιδρώντας σε οικονομικές,πολιτικές, πολιτιστικές και κοινωνικές διαστάσεις. Στο απόγειο αυτής τη ςπραγμάτωσης, σήμερα, ολοένα και περισσότερες καθημερινές συσκευές συνδέονται στο παγκόσμιο ιστό, αποδίδοντας τον όρο «Ίντερνετ των πραγμάτων».Το μέλλον επιφυλάσσει την πλήρη σύνδεση και αλληλεπίδραση των συστημάτων πληροφορικής και επικοινωνιών με τον φυσικό κόσμο, οριοθετώντας τη μετάβαση στα συστήματα φυσικού κυβερνοχώρου και προσφέροντας μεταυπηρεσίες στον φυσικό κόσμο όπως προσωποποιημένη ιατρική περίθαλψη, αυτόνομες μετακινήσεις, έξυπνες ενεργειακά πόλεις κ.α. . Σκιαγραφώντας τις ανάγκες αυτής της δυναμικά εξελισσόμενης αγοράς, οι μηχανικοί υπολογιστών καλούνται να υλοποιήσουν υπολογιστικές πλατφόρμες που αφενός ενσωματώνουν αυξημένη συστημική πολυπλοκότητα και αφετέρου καλύπτουν ένα ευρύ φάσμα μεταχαρακτηριστικών, όπως λ.χ. το κόστος σχεδιασμού, ο χρόνος σχεδιασμού, η αξιοπιστία και η επαναχρησιμοποίηση, τα οποία προδιαγράφονται από ένα αντικρουόμενο σύνολο λειτουργικών, τεχνολογικών και κατασκευαστικών περιορισμών. Η παρούσα διατριβή στοχεύει στην αντιμετώπιση των παραπάνω σχεδιαστικών προκλήσεων, μέσω της ανάπτυξης μεθοδολογιών και εργαλείων συνσχεδίασης υλικού/λογισμικού που επιτρέπουν την ταχεία υλοποίηση καθώς και την αποδοτική σύνθεση αρχιτεκτονικών λύσεων, οι οποίες προδιαγράφουν τα μετα-χαρακτηριστικά λειτουργίας που απαιτεί η σύγχρονη αγορά. Συγκεκριμένα, στα πλαίσια αυτής της διατριβής, παρουσιάζονται α) μεθοδολογίες επιτάχυνσης της ροής σχεδιασμού τόσο για επαναδιαμορφούμενες όσο και για εξειδικευμένες αρχιτεκτονικές, β) ετερογενή αδρομερή αρχιτεκτονικά πρότυπα επιτάχυνσης επεξεργασίας και επικοινωνίας και γ) αποδοτικές τεχνικές πολυκριτηριακής σύνθεσης τόσο σε υψηλό αφαιρετικό επίπεδο προγραμματισμού,όσο και σε φυσικό επίπεδο πυριτίου.Αναφορικά προς την επιτάχυνση της ροής σχεδιασμού, προτείνεται μια μεθοδολογία που χρησιμοποιεί εικονικές πλατφόρμες, οι οποίες αφαιρώντας τις αρχιτεκτονικές λεπτομέρειες καταφέρνουν να μειώσουν σημαντικά το χρόνο εξομοίωσης. Παράλληλα, εισηγείται η συστημική συν-εξομοίωση με τη χρήση επαναδιαμορφούμενων πλατφορμών, ως μέσων επιτάχυνσης. Με αυτόν τον τρόπο, ο κύκλος ανάπτυξης ενός προϊόντος υλικού, μετατεθειμένος από την κάθετη σειριακή ροή σε έναν κυκλικό αλληλεπιδραστικό βρόγχο, καθίσταται ταχύτερος, ενώ οι δυνατότητες προσομοίωσης εμπλουτίζονται με αποδοτικότερες μεθόδους εντοπισμού και διόρθωσης σχεδιαστικών σφαλμάτων, καθώς και μεθόδους ελέγχου των μετρικών απόδοσης του συστήματος σε σχέση με τις επιθυμητές προδιαγραφές, σε όλες τις φάσεις ανάπτυξης του συστήματος. Σε ορθογώνια συνάφεια με το προαναφερθέν μεθοδολογικό πλαίσιο, προτείνονται νέα αρχιτεκτονικά πρότυπα που στοχεύουν στη γεφύρωση του χάσματος μεταξύ της σχεδιαστικής πολυπλοκότητας και της τεχνολογικής παραγωγικότητας, με τη χρήση συστημάτων εξειδικευμένων επιταχυντών υλικού σε ετερογενή συστήματα-σε-ψηφίδα καθώς και δίκτυα-σε-ψηφίδα. Παρουσιάζεται κατάλληλη μεθοδολογία συν-σχεδίασης των επιταχυντών υλικού και του λογισμικού προκειμένου να αποφασισθεί η κατανομή των εργασιών στους διαθέσιμους πόρους του συστήματος/δικτύου. Το μεθοδολογικό πλαίσιο προβλέπει την υλοποίηση των επιταχυντών είτε με συμβατικές μεθόδους προγραμματισμού σε γλώσσα περιγραφής υλικού είτε με αφαιρετικό προγραμματιστικό μοντέλο με τη χρήση τεχνικών υψηλού επιπέδου σύνθεσης. Σε κάθε περίπτωση, δίδεται η δυνατότητα στο σχεδιαστή για βελτιστοποίηση συστημικών μετρικών, όπως η ταχύτητα επεξεργασίας, η ρυθμαπόδοση, η αξιοπιστία, η κατανάλωση ενέργειας και η επιφάνεια πυριτίου του σχεδιασμού. Τέλος, προκειμένου να αντιμετωπισθεί η αυξημένη πολυπλοκότητα στα σχεδιαστικά εργαλεία επαναδιαμορφούμενων συστημάτων, προτείνονται νέοι εξελικτικοί αλγόριθμοι πολυκριτηριακής βελτιστοποίησης, οι οποίοι εκμεταλλευόμενοι τους σύγχρονους πολυπύρηνους επεξεργαστές και την αδρομερή φύση των πολυνηματικών περιβαλλόντων προγραμματισμού (π.χ. OpenMP), μειώνουν το χρόνο επίλυσης του προβλήματος της τοποθέτησης των λογικών πόρων σε φυσικούς,ενώ ταυτόχρονα, ομαδοποιώντας τις εφαρμογές βάση των εγγενών χαρακτηριστικών τους, διερευνούν αποτελεσματικότερα το χώρο σχεδίασης.Η αποδοτικότητά των προτεινόμενων αρχιτεκτονικών προτύπων και μεθοδολογιών επαληθεύτηκε σε σχέση με τις υφιστάμενες λύσεις αιχμής τόσο σε αυτοτελής εφαρμογές, όπως η ψηφιακή επεξεργασία σήματος, τα πολυμέσα και τα προβλήματα αριθμητικής πολυπλοκότητας, καθώς και σε συστημικά ετερογενή περιβάλλοντα, όπως ένα σύστημα όρασης υπολογιστών για αυτόνομα διαστημικά ρομποτικά οχήματα και ένα σύστημα πολλαπλών επιταχυντών υλικού για σταθμούς εργασίας και κέντρα δεδομένων, στοχεύοντας εφαρμογές υψηλής υπολογιστικής απόδοσης (HPC). Τα αποτελέσματα ενισχύουν την πεποίθηση του γράφοντα, ότι η παρούσα διατριβή παρέχει ανταγωνιστική τεχνογνωσία για την αντιμετώπιση των πολύπλοκων σύγχρονων και προβλεπόμενα μελλοντικών σχεδιαστικών προκλήσεων

A survey on scheduling and mapping techniques in 3D Network-on-chip

Network-on-Chips (NoCs) have been widely employed in the design of multiprocessor system-on-chips (MPSoCs) as a scalable communication solution. NoCs enable communications between on-chip Intellectual Property (IP) cores and allow those cores to achieve higher performance by outsourcing their communication tasks. Mapping and Scheduling methodologies are key elements in assigning application tasks, allocating the tasks to the IPs, and organising communication among them to achieve some specified objectives. The goal of this paper is to present a detailed state-of-the-art of research in the field of mapping and scheduling of applications on 3D NoC, classifying the works based on several dimensions and giving some potential research directions

Design for pre-bond testability in 3D integrated circuits

In this dissertation we propose several DFT techniques specific to 3D stacked IC systems. The goal has explicitly been to create techniques that integrate easily with existing IC test systems. Specifically, this means utilizing scan- and wrapper-based techniques, two foundations of the digital IC test industry. First, we describe a general test architecture for 3D ICs. In this architecture, each tier of a 3D design is wrapped in test control logic that both manages tier test pre-bond and integrates the tier into the large test architecture post-bond. We describe a new kind of boundary scan to provide the necessary test control and observation of the partial circuits, and we propose a new design methodology for test hardcore that ensures both pre-bond functionality and post-bond optimality. We present the application of these techniques to the 3D-MAPS test vehicle, which has proven their effectiveness. Second, we extend these DFT techniques to circuit-partitioned designs. We find that boundary scan design is generally sufficient, but that some 3D designs require special DFT treatment. Most importantly, we demonstrate that the functional partitioning inherent in 3D design can potentially decrease the total test cost of verifying a circuit. Third, we present a new CAD algorithm for designing 3D test wrappers. This algorithm co-designs the pre-bond and post-bond wrappers to simultaneously minimize test time and routing cost. On average, our algorithm utilizes over 90% of the wires in both the pre-bond and post-bond wrappers. Finally, we look at the 3D vias themselves to develop a low-cost, high-volume pre-bond test methodology appropriate for production-level test. We describe the shorting probes methodology, wherein large test probes are used to contact multiple small 3D vias. This technique is an all-digital test method that integrates seamlessly into existing test flows. Our experimental results demonstrate two key facts: neither the large capacitance of the probe tips nor the process variation in the 3D vias and the probe tips significantly hinders the testability of the circuits. Taken together, this body of work defines a complete test methodology for testing 3D ICs pre-bond, eliminating one of the key hurdles to the commercialization of 3D technology.PhDCommittee Chair: Lee, Hsien-Hsin; Committee Member: Bakir, Muhannad; Committee Member: Lim, Sung Kyu; Committee Member: Vuduc, Richard; Committee Member: Yalamanchili, Sudhaka

Security of Electrical, Optical and Wireless On-Chip Interconnects: A Survey

The advancement of manufacturing technologies has enabled the integration of more intellectual property (IP) cores on the same system-on-chip (SoC). Scalable and high throughput on-chip communication architecture has become a vital component in today's SoCs. Diverse technologies such as electrical, wireless, optical, and hybrid are available for on-chip communication with different architectures supporting them. Security of the on-chip communication is crucial because exploiting any vulnerability would be a goldmine for an attacker. In this survey, we provide a comprehensive review of threat models, attacks, and countermeasures over diverse on-chip communication technologies as well as sophisticated architectures.Comment: 41 pages, 24 figures, 4 table