Head-of-Line Blocking Reduction in Power-Efficient Networks-on-Chip

Tesis por compendioNowadays, thanks to the continuous improvements in the integration scale, more and more cores are added on the same chip, leading to higher system performance. In order to interconnect all nodes, a network-on-chip (NoC) is used, which is in charge of delivering data between cores. However, increasing the number of cores leads to a significant power consumption increase, leading the NoC to be one of the most expensive components in terms of power. Because of this, during the last years, several mechanisms have been proposed to address the NoC power consumption by means of DVFS (Dynamic Voltage and Frequency Scaling) and power-gating strategies. Nevertheless, improvements achieved by these mechanisms are achieved, to a greater or lesser extent, at the cost of system performance, potentially increasing the risk of saturating the network by forming congested points which, in turn, compromise the rest of the system functionality. One side effect is the creation of the "Head-of-Line blocking" effect where congested packets at the head of queues prevent other non-blocked packets from advancing. To address this issue, in this thesis, on one hand, we propose novel congestion control techniques in order to improve system performance by removing the "Head-of-Line" blocking effect. On the other hand, we propose combined solutions adapted to DVFS in order to achieve improvements in terms of performance and power. In addition to this, we propose a path-aware power-gating-based mechanism, which is capable of detecting the flows sharing buffer resources along data paths and perform to switch them off when not needed. With all these combined solutions we can significantly reduce the power consumption of the NoC when compared with state-of-the-art proposals.Hoy en día, gracias a las mejoras en la escala de integración cada vez se integran más y más núcleos en un mismo chip, mejorando así sus prestaciones. Para interconectar todos los nodos dentro del chip se emplea una red en chip (NoC, Network-on-Chip), la cual es la encargada de intercambiar información entre núcleos. No obstante, aumentar el número de núcleos en el chip también conlleva a su vez un importante incremento en el consumo de la NoC, haciendo que ésta se convierta en una de las partes más caras del chip en términos de consumo. Por ello, en los últimos años se han propuesto diversas técnicas de ahorro de energía orientadas a reducir el consumo de la NoC mediante el uso de DVFS (Dynamic Voltage and Frequency Scaling) o estrategias basadas en "power-gating". Sin embargo, éstas mejoras de consumo normalmente se obtienen a costa de sacrificar, en mayor o menor medida, las prestaciones del sistema, aumentado potencialmente así el riesgo de saturar la red, generando puntos de congestión que, a su vez, comprometen el rendimiento del resto del sistema. Un efecto colateral es el "Head-of-Line blocking", mediante el que paquetes congestionados en la cabeza de la cola impiden que otros paquetes no congestionados avancen. Con el fin de solucionar este problema, en ésta tesis, en primer lugar, proponemos técnicas novedosas de control de congestión para incrementar el rendimiento del sistema mediante la eliminación del "Head-of-Line blocking", mientras que, por otra parte, proponemos soluciones combinadas adaptadas a DVFS con el fin de conseguir mejoras en términos de rendimiento y energía. Además, proponemos una técnica de "power-gating" orientada a rutas de datos, la cual es capaz de detectar flujos de datos compartiendo recursos a lo largo de rutas y apagar dichos recursos de forma dinámica cuando no son necesarios. Con todas éstas soluciones combinadas podemos reducir el consumo de energía de la NoC en comparación con otras técnicas presentes en el estado del arte.Hui en dia, gr\`acies a les millores en l'escala d'integraci\'o, cada vegada s'integren m\'es i m\'es nuclis en un mateix xip, la qual cosa millora les seues prestacions. Per tal d'interconectar tots els nodes dins el xip es fa \'us d'una Xarxa en Xip (NoC; Network-on-Chip), la qual \'es l'encarregada d'intercanviar informaci\'o entre els nuclis. No obstant aix\`o, incrementar el nombre de nuclis en el xip tamb\'e comporta un important augment en el consum de la NoC, la qual cosa fa que aquesta es convertisca en una de les parts m\'es costoses del xip en termes de consum. Per aix\`o, en els \'ultims anys s'han proposat diverses t\`ecniques d'estalvi d'energia orientades a reduir el consum de la NoC mitjançant l'\'us de DVFS (Dynamic Voltage and Frequency Scaling) o estrat\`egies basades en ``power-gating''. Malgrat aix\`o, aquestes millores en les prestacions normalment s'obtenen a costa de sacrificar, en major o menor mesura, les prestacions del sistema i augmenta aix\'i el risc de saturar la xarxa al generar-se punts de congesti\'o, que al mateix temps, comprometen el rendiment de la resta del sistema. Un efecte col-lateral \'es el ``Head-of- Line blocking'', mitjançant el qual, els paquets congestionats al cap de la cua, impedixen que altres paquets no congestionats avancen. A fi de solucionar eixe problema, en aquesta tesi, en primer lloc, proposem noves t\`ecniques de control de congesti\'o amb l'objectiu d'incrementar el rendiment del sistema per mitj\`a de l'eliminaci\'o del ``Head-of- Line blocking'', i d'altra banda, proposem solucions combinades adaptades a DVFS amb la finalitat d'aconseguir millores en termes de rendiment i energia. A m\'es, proposem una t\`ecnica de ``power-gating'' orientada a rutes de dades, la qual \'es capa\c c de detectar fluxos de dades al compartir recursos al llarg de les rutes i apagar eixos recursos de forma din\`amica quan no s\'on necessaris. Amb totes aquestes solucions combinades podem reduir el consum d'energia de la NoC en comparaci\'o amb altres t\`ecniques presents en l'estat de l'art.Escamilla López, JV. (2017). Head-of-Line Blocking Reduction in Power-Efficient Networks-on-Chip [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/90419TESISCompendi

Efficient Q. S support for higt-performance interconnects

Las redes de interconexión son un componente clave en un gran número de sistemas. Los mecanismos de calidad de servicio (qos) son responsables de asegurar que se alcanza un cierto rendimiento en la red. Las soluciones tradicionales para ofrecer qos en redes de interconexión de altas prestaciones normalmente se basan en arquitecturas complejas. El principal objetivo de esta tesis es investigar si podemos ofrecer mecanismos eficientes de qos. Nuestro propósito es alcanzar un soporte completo de qos con el mínimo de recursos. Para ello, se identifican redundancias en los mecanismos propuestos de qos y son eliminados sin afectar al rendimiento. Esta tesis consta de tres partes. En la primera comenzamos con las propuestas tradicionales de qos a nivel de clase de tráfico. En la segunda parte, proponemos como adaptar los mecanismos de qos basados en deadlines para redes de interconexión de altas prestaciones. Por último, también investigamos la interacción de los mecanismos de qos con el control de congestión

Predictive and distributed routing balancing (PR-DRB) : high speed interconnection networks

Current parallel applications running on clusters require the use of an interconnection network to perform communications among all computing nodes available. Imbalance of communications can produce network congestion, reducing throughput and increasing latency, degrading the overall system performance. On the other hand, parallel applications running on these networks posses representative stages which allow their characterization, as well as repetitive behavior that can be identified on the basis of this characterization. This work presents the Predictive and Distributed Routing Balancing (PR-DRB), a new method developed to gradually control network congestion, based on paths expansion, traffic distribution and effective traffic load, in order to maintain low latency values. PR-DRB monitors messages latencies on intermediate routers, makes decisions about alternative paths and record communication pattern information encountered during congestion situation. Based on the concept of applications repetitiveness, best solution recorded are reapplied when saved communication pattern re-appears. Traffic congestion experiments were conducted in order to evaluate the performance of the method, and improvements were observed.Les aplicacions paral·leles actuals en els Clústers requereixen l'ús d'una xarxa d'interconnexió per comunicar a tots els nodes de còmput disponibles. El desequilibri en la càrrega de comunicacions pot congestionar la xarxa, incrementant la latència i disminuint el throughput, degradant el rendiment total del sistema. D'altra banda, les aplicacions paral·leles que s'executen sobre aquestes xarxes contenen etapes representatives durant la seva execució les quals permeten caracteritzar-les, a més d'extraure un comportament repetitiu que pot ser identificat en base a aquesta caracterització. Aquest treball presenta el Balanceig Predictiu de Encaminament Distribuït (PR-DRB), un nou mètode desenvolupat per controlar la congestió a la xarxa en forma gradual, basat en l'expansió de camins, la distribució de trànsit i càrrega efectiva actual per tal de mantenir una latència baixa. PR-DRB monitoritza la latència dels missatges en els encaminadors, pren decisions sobre els camins alternatius a utilitzar i registra la informació de la congestió sobre la base del patró de comunicacions detectat, utilitzant com a concepte base la repetitivitat de les aplicacions per després tornar a aplicar la millor solució quan aquest patró es repeteixi. Experiments de trànsit amb congestió van ser portats a terme per avaluar el rendiment del mètode, els quals van mostrar la bondat del mateix.Las aplicaciones paralelas actuales en los Clústeres requieren el uso de una red de interconexión para comunicar a todos los nodos de cómputo disponibles. El desbalance en la carga de comunicaciones puede congestionar la red, incrementando la latencia y disminuyendo el throughput, degradando el rendimiento total del sistema. Por otro lado, las aplicaciones paralelas que corren sobre estas redes contienen etapas representativas durante su ejecución las cuales permiten caracterizarlas, además de un comportamiento repetitivo que puede ser identificado en base a dicha caracterización. Este trabajo presenta el Balanceo Predictivo de Encaminamiento Distribuido (PR-DRB), un nuevo método desarrollado para controlar la congestión en la red en forma gradual; basado en la expansión de caminos, la distribución de tráfico y carga efectiva actual, a fin de mantener una latencia baja. PR-DRB monitorea la latencia de los mensajes en los encaminadores, toma decisiones sobre los caminos alternativos a utilizar y registra la información de la congestión en base al patrón de comunicaciones detectado, usando como concepto base la repetitividad de las aplicaciones para luego volver a aplicar la mejor solución cuando dicho patrón se repita. Experimentos de tráfico con congestión fueron llevados a cabo para evaluar el rendimiento del método, los cuales mostraron la bondad del mismo

DESIGN OF EFFICIENT PACKET MARKING-BASED CONGESTION MANAGEMENT TECHNIQUES FOR CLUSTER INTERCONNECTS

El crecimiento de los computadores paralelos basados en redes de altas prestaciones ha aumentado el interés y esfuerzo de la comunidad investigadora en desarrollar nuevas técnicas que permitan obtener el mejor rendimiento de estas redes. En particular, el desarrollo de nuevas técnicas que permitan un encaminamiento eficiente y que reduzcan la latencia de los paquetes, aumentando así la productividad de la red. Sin embargo, una alta tasa de utilización de la red podría conllevar el que se conoce como "congestión de red", el cual puede causar una degradación del rendimiento. El control de la congestión en redes multietapa es un problema importante que no está completamente resuelto. Con el fin de evitar la degradación del rendimiento de la red cuando aparece congestión, se han propuesto diferentes mecanismos para el control de la congestión. Muchos de estos mecanismos están basados en notificación explícita de la congestión. Para este propósito, los switches detectan congestión y dependiendo de la estrategia aplicada, los paquetes son marcados con la finalidad de advertir a los nodos origenes. Como respuesta, los nodos origenes aplican acciones correctivas para ajustar su tasa de inyección de paquetes. El propósito de esta tesis es analizar las diferentes estratégias de detección y corrección de la congestión en redes multietapa, y proponer nuevos mecanismos de control de la congestión encaminados a este tipo de redes sin descarte de paquetes. Las nuevas propuestas están basadas en una estrategia más refinada de marcaje de paquetes en combinación con un conjunto de acciones correctivas justas que harán al mecanismo capaz de controlar la congestión de manera efectiva con independencia del grado de congestión y de las condiciones de tráfico.Ferrer Pérez, JL. (2012). DESIGN OF EFFICIENT PACKET MARKING-BASED CONGESTION MANAGEMENT TECHNIQUES FOR CLUSTER INTERCONNECTS [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/18197Palanci

Computer Science & Technology Series : XVI Argentine Congress of Computer Science - Selected papers

CACIC’10 was the sixteenth Congress in the CACIC series. It was organized by the School of Computer Science of the University of Moron. The Congress included 10 Workshops with 104 accepted papers, 1 main Conference, 4 invited tutorials, different meetings related with Computer Science Education (Professors, PhD students, Curricula) and an International School with 5 courses. (http://www.cacic2010.edu.ar/). CACIC 2010 was organized following the traditional Congress format, with 10 Workshops covering a diversity of dimensions of Computer Science Research. Each topic was supervised by a committee of three chairs of different Universities. The call for papers attracted a total of 195 submissions. An average of 2.6 review reports were collected for each paper, for a grand total of 507 review reports that involved about 300 different reviewers. A total of 104 full papers were accepted and 20 of them were selected for this book.Red de Universidades con Carreras en Informática (RedUNCI

16th Annual Environmental Law Institute

Materials from the 16th Annual Environmental Law Institute held by UK/CLE in May 2000