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

Automated Hardware Prototyping for 3D Network on Chips

Vor mehr als 50 Jahren stellte Intel® Mitbegründer Gordon Moore eine Prognose zum Entwicklungsprozess der Transistortechnologie auf. Er prognostizierte, dass sich die Zahl der Transistoren in integrierten Schaltungen alle zwei Jahre verdoppeln wird. Seine Aussage ist immer noch gültig, aber ein Ende von Moores Gesetz ist in Sicht. Mit dem Ende von Moore’s Gesetz müssen neue Aspekte untersucht werden, um weiterhin die Leistung von integrierten Schaltungen zu steigern. Zwei mögliche Ansätze für "More than Moore” sind 3D-Integrationsverfahren und heterogene Systeme. Gleichzeitig entwickelt sich ein Trend hin zu Multi-Core Prozessoren, basierend auf Networks on chips (NoCs). Neben dem Ende des Mooreschen Gesetzes ergeben sich bei immer kleiner werdenden Technologiegrößen, vor allem jenseits der 60 nm, neue Herausforderungen. Eine Schwierigkeit ist die Wärmeableitung in großskalierten integrierten Schaltkreisen und die daraus resultierende Überhitzung des Chips. Um diesem Problem in modernen Multi-Core Architekturen zu begegnen, muss auch die Verlustleistung der Netzwerkressourcen stark reduziert werden. Diese Arbeit umfasst eine durch Hardware gesteuerte Kombination aus Frequenzskalierung und Power Gating für 3D On-Chip Netzwerke, einschließlich eines FPGA Prototypen. Dafür wurde ein Takt-synchrones 2D Netzwerk auf ein dreidimensionales asynchrones Netzwerk mit mehreren Frequenzbereichen erweitert. Zusätzlich wurde ein skalierbares Online-Power-Management System mit geringem Ressourcenaufwand entwickelt. Die Verifikation neuer Hardwarekomponenten ist einer der zeitaufwendigsten Schritte im Entwicklungsprozess hochintegrierter digitaler Schaltkreise. Um diese Aufgabe zu beschleunigen und um eine parallele Softwareentwicklung zu ermöglichen, wurde im Rahmen dieser Arbeit ein automatisiertes und benutzerfreundliches Tool für den Entwurf neuer Hardware Projekte entwickelt. Eine grafische Benutzeroberfläche zum Erstellen des gesamten Designablaufs, vom Erstellen der Architektur, Parameter Deklaration, Simulation, Synthese und Test ist Teil dieses Werkzeugs. Zudem stellt die Größe der Architektur für die Erstellung eines Prototypen eine besondere Herausforderung dar. Frühere Arbeiten haben es versäumt, eine schnelles und unkompliziertes Prototyping, insbesondere von Architekturen mit mehr als 50 Prozessorkernen, zu realisieren. Diese Arbeit umfasst eine Design Space Exploration und FPGA-basierte Prototypen von verschiedenen 3D-NoC Implementierungen mit mehr als 80 Prozessoren

The MINERν\nuA Data Acquisition System and Infrastructure

MINER$\nu$A (Main INjector ExpeRiment $\nu$-A) is a new few-GeV neutrino cross section experiment that began taking data in the FNAL NuMI (Fermi National Accelerator Laboratory Neutrinos at the Main Injector) beam-line in March of 2010. MINER$\nu$A employs a fine-grained scintillator detector capable of complete kinematic characterization of neutrino interactions. This paper describes the MINER$\nu$A data acquisition system (DAQ) including the read-out electronics, software, and computing architecture.Comment: 34 pages, 16 figure

A Survey of Software-Defined Networks-on-Chip: Motivations, Challenges and Opportunities

Current computing platforms encourage the integration of thousands of processing cores, and their interconnections, into a single chip. Mobile smartphones, IoT, embedded devices, desktops, and data centers use Many-Core Systems-on-Chip (SoCs) to exploit their compute power and parallelism to meet the dynamic workload requirements. Networks-on-Chip (NoCs) lead to scalable connectivity for diverse applications with distinct traffic patterns and data dependencies. However, when the system executes various applications in traditional NoCs—optimized and fixed at synthesis time—the interconnection nonconformity with the different applications’ requirements generates limitations in the performance. In the literature, NoC designs embraced the Software-Defined Networking (SDN) strategy to evolve into an adaptable interconnection solution for future chips. However, the works surveyed implement a partial Software-Defined Network-on-Chip (SDNoC) approach, leaving aside the SDN layered architecture that brings interoperability in conventional networking. This paper explores the SDNoC literature and classifies it regarding the desired SDN features that each work presents. Then, we described the challenges and opportunities detected from the literature survey. Moreover, we explain the motivation for an SDNoC approach, and we expose both SDN and SDNoC concepts and architectures. We observe that works in the literature employed an uncomplete layered SDNoC approach. This fact creates various fertile areas in the SDNoC architecture where researchers may contribute to Many-Core SoCs designs.Las plataformas informáticas actuales fomentan la integración de miles de núcleos de procesamiento y sus interconexiones, en un solo chip. Los smartphones móviles, el IoT, los dispositivos embebidos, los ordenadores de sobremesa y los centros de datos utilizan sistemas en chip (SoC) de muchos núcleos para explotar su potencia de cálculo y paralelismo para satisfacer los requisitos de las cargas de trabajo dinámicas. Las redes en chip (NoC) conducen a una conectividad escalable para diversas aplicaciones con distintos patrones de tráfico y dependencias de datos. Sin embargo, cuando el sistema ejecuta varias aplicaciones en las NoC tradicionales -optimizadas y fijadas en el momento de síntesis, la disconformidad de la interconexión con los requisitos de las distintas aplicaciones genera limitaciones en el rendimiento. En la literatura, los diseños de NoC adoptaron la estrategia de redes definidas por software (SDN) para evolucionar hacia una solución de interconexión adaptable para los futuros chips. Sin embargo, los trabajos estudiados implementan un enfoque parcial de red definida por software en el chip (SDNoC) de SDN, dejando de lado la arquitectura en capas de SDN que aporta interoperabilidad en la red convencional. Este artículo explora la literatura sobre SDNoC y la clasifica en función de las características SDN que presenta cada trabajo. A continuación, describimos los retos y oportunidades detectados a partir del estudio de la literatura. Además, explicamos la motivación para un enfoque SDNoC, y exponemos los conceptos y arquitecturas de SDN y SDNoC. Observamos que los trabajos en la literatura emplean un enfoque SDNoC por capas no completo. Este hecho crea varias áreas fértiles en la arquitectura SDNoC en las que los investigadores pueden contribuir a los diseños de SoCs de muchos núcleos

Internet of Things-aided Smart Grid: Technologies, Architectures, Applications, Prototypes, and Future Research Directions

Traditional power grids are being transformed into Smart Grids (SGs) to address the issues in existing power system due to uni-directional information flow, energy wastage, growing energy demand, reliability and security. SGs offer bi-directional energy flow between service providers and consumers, involving power generation, transmission, distribution and utilization systems. SGs employ various devices for the monitoring, analysis and control of the grid, deployed at power plants, distribution centers and in consumers' premises in a very large number. Hence, an SG requires connectivity, automation and the tracking of such devices. This is achieved with the help of Internet of Things (IoT). IoT helps SG systems to support various network functions throughout the generation, transmission, distribution and consumption of energy by incorporating IoT devices (such as sensors, actuators and smart meters), as well as by providing the connectivity, automation and tracking for such devices. In this paper, we provide a comprehensive survey on IoT-aided SG systems, which includes the existing architectures, applications and prototypes of IoT-aided SG systems. This survey also highlights the open issues, challenges and future research directions for IoT-aided SG systems

Remote real-time monitoring of subsurface landfill gas migration

The cost of monitoring greenhouse gas emissions from landfill sites is of major concern for regulatory authorities. The current monitoring procedure is recognised as labour intensive, requiring agency inspectors to physically travel to perimeter borehole wells in rough terrain and manually measure gas concentration levels with expensive hand-held instrumentation. In this article we present a cost-effective and efficient system for remotely monitoring landfill subsurface migration of methane and carbon dioxide concentration levels. Based purely on an autonomous sensing architecture, the proposed sensing platform was capable of performing complex analytical measurements in situ and successfully communicating the data remotely to a cloud database. A web tool was developed to present the sensed data to relevant stakeholders. We report our experiences in deploying such an approach in the field over a period of approximately 16 months

Zuverlässige und Energieeffiziente gemischt-kritische Echtzeit On-Chip Systeme

Multi- and many-core embedded systems are increasingly becoming the target for many applications that require high performance under varying conditions. A resulting challenge is the control, and reliable operation of such complex multiprocessing architectures under changes, e.g., high temperature and degradation. In mixed-criticality systems where many applications with varying criticalities are consolidated on the same execution platform, fundamental isolation requirements to guarantee non-interference of critical functions are crucially important. While Networks-on-Chip (NoCs) are the prevalent solution to provide scalable and efficient interconnects for the multiprocessing architectures, their associated energy consumption has immensely increased. Specifically, hard real-time NoCs must manifest limited energy consumption as thermal runaway in such a core shared resource jeopardizes the whole system guarantees. Thus, dynamic energy management of NoCs, as opposed to the related work static solutions, is highly necessary to save energy and decrease temperature, while preserving essential temporal requirements. In this thesis, we introduce a centralized management to provide energy-aware NoCs for hard real-time systems. The design relies on an energy control network, developed on top of an existing switch arbitration network to allow isolation between energy optimization and data transmission. The energy control layer includes local units called Power-Aware NoC controllers that dynamically optimize NoC energy depending on the global state and applications’ temporal requirements. Furthermore, to adapt to abnormal situations that might occur in the system due to degradation, we extend the concept of NoC energy control to include the entire system scope. That is, online resource management employing hierarchical control layers to treat system degradation (imminent core failures) is supported. The mechanism applies system reconfiguration that involves workload migration. For mixed-criticality systems, it allows flexible boundaries between safety-critical and non-critical subsystems to safely apply the reconfiguration, preserving fundamental safety requirements and temporal predictability. Simulation and formal analysis-based experiments on various realistic usecases and benchmarks are conducted showing significant improvements in NoC energy-savings and in treatment of system degradation for mixed-criticality systems improving dependability over the status quo.Eingebettete Many- und Multi-core-Systeme werden zunehmend das Ziel für Anwendungen, die hohe Anfordungen unter unterschiedlichen Bedinungen haben. Für solche hochkomplexed Multi-Prozessor-Systeme ist es eine grosse Herausforderung zuverlässigen Betrieb sicherzustellen, insbesondere wenn sich die Umgebungseinflüsse verändern. In Systeme mit gemischter Kritikalität, in denen viele Anwendungen mit unterschiedlicher Kritikalität auf derselben Ausführungsplattform bedient werden müssen, sind grundlegende Isolationsanforderungen zur Gewährleistung der Nichteinmischung kritischer Funktionen von entscheidender Bedeutung. Während On-Chip Netzwerke (NoCs) häufig als skalierbare Verbindung für die Multiprozessor-Architekturen eingesetzt werden, ist der damit verbundene Energieverbrauch immens gestiegen. Daher sind dynamische Plattformverwaltungen, im Gegensatz zu den statischen, zwingend notwendig, um ein System an die oben genannten Veränderungen anzupassen und gleichzeitig Timing zu gewährleisten. In dieser Arbeit entwickeln wir energieeffiziente NoCs für harte Echtzeitsysteme. Das Design basiert auf einem Energiekontrollnetzwerk, das auf einem bestehenden Switch-Arbitration-Netzwerk entwickelt wurde, um eine Isolierung zwischen Energieoptimierung und Datenübertragung zu ermöglichen. Die Energiesteuerungsschicht umfasst lokale Einheiten, die als Power-Aware NoC-Controllers bezeichnet werden und die die NoC-Energie in Abhängigkeit vom globalen Zustand und den zeitlichen Anforderungen der Anwendungen optimieren. Darüber hinaus wird das Konzept der NoC-Energiekontrolle zur Anpassung an Anomalien, die aufgrund von Abnutzung auftreten können, auf den gesamten Systemumfang ausgedehnt. Online- Ressourcenverwaltungen, die hierarchische Kontrollschichten zur Behandlung Abnutzung (drohender Kernausfälle) einsetzen, werden bereitgestellt. Bei Systemen mit gemischter Kritikalität erlaubt es flexible Grenzen zwischen sicherheitskritischen und unkritischen Subsystemen, um die Rekonfiguration sicher anzuwenden, wobei grundlegende Sicherheitsanforderungen erhalten bleiben und Timing Vorhersehbarkeit. Experimente werden auf der Basis von Simulationen und formalen Analysen zu verschiedenen realistischen Anwendungsfallen und Benchmarks durchgeführt, die signifikanten Verbesserungen bei On-Chip Netzwerke-Energieeinsparungen und bei der Behandlung von Abnutzung für Systeme mit gemischter Kritikalität zur Verbesserung die Systemstabilität gegenüber dem bisherigen Status quo zeigen