Dynamic Power Management for Reactive Stream Processing on the SCC Tiled Architecture

This article is distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International License(http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/), which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided you give appropriate credit to the original author(s) and the source, provide a link to the Creative Commons license, and indicate if changes were made.Dynamic voltage and frequency scaling} (DVFS) is a means to adjust the computing capacity and power consumption of computing systems to the application demands. DVFS is generally useful to provide a compromise between computing demands and power consumption, especially in the areas of resource-constrained computing systems. Many modern processors support some form of DVFS. In this article we focus on the development of an execution framework that provides light-weight DVFS support for reactive stream-processing systems (RSPS). RSPS are a common form of embedded control systems, operating in direct response to inputs from their environment. At the execution framework we focus on support for many-core scheduling for parallel execution of concurrent programs. We provide a DVFS strategy for RSPS that is simple and lightweight, to be used for dynamic adaptation of the power consumption at runtime. The simplicity of the DVFS strategy became possible by sole focus on the application domain of RSPS. The presented DVFS strategy does not require specific assumptions about the message arrival rate or the underlying scheduling method. While DVFS is a very active field, in contrast to most existing research, our approach works also for platforms like many-core processors, where the power settings typically cannot be controlled individually for each computational unit. We also support dynamic scheduling with variable workload. While many research results are provided with simulators, in our approach we present a parallel execution framework with experiments conducted on real hardware, using the SCC many-core processor. The results of our experimental evaluation confirm that our simple DVFS strategy provides potential for significant energy saving on RSPS.Peer reviewe

3rd Many-core Applications Research Community (MARC) Symposium. (KIT Scientific Reports ; 7598)

This manuscript includes recent scientific work regarding the Intel Single Chip Cloud computer and describes approaches for novel approaches for programming and run-time organization

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

A Message-Passing, Thread-Migrating Operating System for a Non-Cache-Coherent Many-Core Architecture

The difference between emerging many-core architectures and their multi-core predecessors goes beyond just the number of cores incorporated on a chip. Current technologies for maintaining cache coherency are not scalable beyond a few dozen cores, and a lack of coherency presents a new paradigm for software developers to work with. While shared memory multithreading has been a viable and popular programming technique for multi-cores, the distributed nature of many-cores is more amenable to a model of share-nothing, message-passing threads. This model places different demands on a many-core operating system, and this thesis aims to understand and accommodate those demands. We introduce Xipx, a port of the lightweight Embedded Xinu operating system to the many-core Intel Single-chip Cloud Computer (SCC). The SCC is a 48-core x86 architecture that lacks cache coherency. It features a fast mesh network-on-chip (NoC) and on-die message passing buffers to facilitate message-passing communications between cores. Running as a separate instance per core, Xipx takes advantage of this hardware in its implementation of a message-passing device. The device multiplexes the message passing hardware, thereby allowing multiple concurrent threads to share the hardware without interfering with each other. Xipx also features a limited framework for transparent thread migration. This achievement required fundamental modifications to the kernel, including incorporation of a new type of thread. Additionally, a minimalistic framework for bare-metal development on the SCC has been produced as a pragmatic offshoot of the work on Xipx. This thesis discusses the design and implementation of the many-core extensions described above. While Xipx serves as a foundation for continued research on many-core operating systems, test results show good performance from both message passing and thread migration suggesting that, as it stands, Xipx is an effective platform for exploration of many-core development at the application level as well

Market-Based Resourse Management for Many-Core Systems

101 σ.Αντικείμενο της διπλωματικής αποτελεί η μελέτη και η ανάπτυξη μιας κλιμακώσιμης και κατανεμημένης πλατφόρμας (framework) διαχείρισης πόρων σε χρόνο εκτέλεσης για συστήματα πολλαπλών πυρήνων. Σε αυτήν την πλατφόρμα η διαχείριση πόρων είναι βασισμένη σε μοντέλα, τα οποία είναι εμπνευσμένα από την οικονομία. Παρουσιάζεται ένας διαχειριστής πόρων, ο οποίος προσφέρει ένα περιβάλλον διαχείρισης πόρων και εφαρμογών καθ ́ όλη τη διάρκεια ζωής τους, στο οποίο η κατανομή και δρομολόγηση των εφαρμογών στους πόρους πραγματοποιείται με αλγόριθμους βασισμένους σε κανόνες αγοράς. Η αποδοτικότητα κάθε μοντέλου αξιολογείται βάσει της πτώσης της αξιοπιστίας των πόρων (μετρική MTTF-Mean Time To Failure).The purpose of this diploma thesis is the design and development of a scalable and distributed run-time resource management framework for Many-core systems. In this framework, resource management is based on economy-inspired models. The presented resource management framework offers an environment that manages both application tasks and resources at run-time, matches and distributes application tasks across resources with algorithms which are based on market principles. The efficiency of each model is evaluated with respect to resource reliability degradation (metric MTTF-Mean Time to Failure).Θεμιστοκλής Γ. Μελισσάρη