Static analysis of energy consumption for LLVM IR programs

Energy models can be constructed by characterizing the energy consumed by executing each instruction in a processor's instruction set. This can be used to determine how much energy is required to execute a sequence of assembly instructions, without the need to instrument or measure hardware. However, statically analyzing low-level program structures is hard, and the gap between the high-level program structure and the low-level energy models needs to be bridged. We have developed techniques for performing a static analysis on the intermediate compiler representations of a program. Specifically, we target LLVM IR, a representation used by modern compilers, including Clang. Using these techniques we can automatically infer an estimate of the energy consumed when running a function under different platforms, using different compilers. One of the challenges in doing so is that of determining an energy cost of executing LLVM IR program segments, for which we have developed two different approaches. When this information is used in conjunction with our analysis, we are able to infer energy formulae that characterize the energy consumption for a particular program. This approach can be applied to any languages targeting the LLVM toolchain, including C and XC or architectures such as ARM Cortex-M or XMOS xCORE, with a focus towards embedded platforms. Our techniques are validated on these platforms by comparing the static analysis results to the physical measurements taken from the hardware. Static energy consumption estimation enables energy-aware software development, without requiring hardware knowledge

Work Analysis with Resource-Aware Session Types

While there exist several successful techniques for supporting programmers in deriving static resource bounds for sequential code, analyzing the resource usage of message-passing concurrent processes poses additional challenges. To meet these challenges, this article presents an analysis for statically deriving worst-case bounds on the total work performed by message-passing processes. To decompose interacting processes into components that can be analyzed in isolation, the analysis is based on novel resource-aware session types, which describe protocols and resource contracts for inter-process communication. A key innovation is that both messages and processes carry potential to share and amortize cost while communicating. To symbolically express resource usage in a setting without static data structures and intrinsic sizes, resource contracts describe bounds that are functions of interactions between processes. Resource-aware session types combine standard binary session types and type-based amortized resource analysis in a linear type system. This type system is formulated for a core session-type calculus of the language SILL and proved sound with respect to a multiset-based operational cost semantics that tracks the total number of messages that are exchanged in a system. The effectiveness of the analysis is demonstrated by analyzing standard examples from amortized analysis and the literature on session types and by a comparative performance analysis of different concurrent programs implementing the same interface.Comment: 25 pages, 2 pages of references, 11 pages of appendix, Accepted at LICS 201

A General Framework for Static Profiling of Parametric Resource Usage

Traditional static resource analyses estimate the total resource usage of a program, without executing it. In this paper we present a novel resource analysis whose aim is instead the static profiling of accumulated cost, i.e., to discover, for selected parts of the program, an estimate or bound of the resource usage accumulated in each of those parts. Traditional resource analyses are parametric in the sense that the results can be functions on input data sizes. Our static profiling is also parametric, i.e., our accumulated cost estimates are also parameterized by input data sizes. Our proposal is based on the concept of cost centers and a program transformation that allows the static inference of functions that return bounds on these accumulated costs depending on input data sizes, for each cost center of interest. Such information is much more useful to the software developer than the traditional resource usage functions, as it allows identifying the parts of a program that should be optimized, because of their greater impact on the total cost of program executions. We also report on our implementation of the proposed technique using the CiaoPP program analysis framework, and provide some experimental results. This paper is under consideration for acceptance in TPLP.Comment: Paper presented at the 32nd International Conference on Logic Programming (ICLP 2016), New York City, USA, 16-21 October 2016, 22 pages, LaTe

Symbolic and analytic techniques for resource analysis of Java bytecode

Recent work in resource analysis has translated the idea of amortised resource analysis to imperative languages using a program logic that allows mixing of assertions about heap shapes, in the tradition of separation logic, and assertions about consumable resources. Separately, polyhedral methods have been used to calculate bounds on numbers of iterations in loop-based programs. We are attempting to combine these ideas to deal with Java programs involving both data structures and loops, focusing on the bytecode level rather than on source code

Digital system of quarry management as a SAAS solution: mineral deposit module

Purpose. Improving the efficiency of functioning the mining enterprises and aggregation of earlier obtained results into a unified digital system of designing and operative management by quarry operation. Methods. Both the traditional (analysis of scientific and patent literature, analytical methods of deposit parameters research, analysis of experience and exploitation of quarries, conducting the passive experiment and processing the statistical data) and new forms of scientific research - deposit modeling on the basis of classical and neural network methods of approximation – are used in the work. For the purpose of the software product realization on the basis of cloud technologies, there were used: for back-end implementation – server-based scripting language php; for the front-end – multi-paradigm programming language javascript, javascript framework jQuery and asynchronous data exchange technology Ajax. Findings. The target audience of the system has been identified, SWOT-analysis has been carried out, conceptual directions of 3D-quarry system development have been defined. The strategies of development and promotion of the software product, as well as the strategies of safety and reliability of the application both for the client and the owner of the system have been formulated. The modular structure of the application has been developed, and the system functions have been divided to implement both back-end and front-end applications. The Mineral Deposit Module has been developed: the geological structure of the deposit has been simulated and its block model has been constructed. It has been proved that the use of neural network algorithms does not give an essential increase in the accuracy of the block model for the deposits of 1 and 2 groups in terms of the geological structure complexity. The possibility and prospects of constructing the systems for subsoil users on the basis of cloud technologies and the concept of SaaS have been substantiated. Originality. For the first time, the modern software products for solving the problems of designing and operational management of mining operations have been successfully developed on the basis of the SaaS concept. Practical implications. The results are applicable for enterprises-subsoil users, working with deposits of 1 and 2 groups in terms of the geological structure complexity: design organizations, as well as mining and processing plants.Мета. Підвищення ефективності функціонування гірничорудних підприємств та агрегація раніше отриманих результатів в єдину цифрову систему проектування і оперативного управління роботою кар’єрів. Методика. У роботі використані як традиційні (аналіз науково-патентної літератури, аналітичні методи дослідження параметрів родовища, аналіз досвіду й експлуатації кар’єрів, проведення пасивного експерименту та статистичної обробки даних), так і нові форми наукового дослідження – моделювання родовища на основі класичних і нейромережевих методів апроксимації. Для реалізації програмного продукту на основі хмарних технологій використані: для реалізації back-end – серверна скриптова мова програмування php; для front-end – мультипарадігменна мова програмування javascript, javascript framework jQuery і технологія асинхронного обміну даними Ajax. Результати. Виявлено цільову аудиторію системи, проведено SWOT-аналіз, визначено концептуальні напрями розвитку системи 3D-кар’єр, розроблені стратегії розвитку та просування програмного продукту, розроблені стратегії безпеки й надійності додатки як для клієнта, так і власника системи. Розроблено модульну структуру програми, вироблено розподіл функцій системи для реалізації як back-end і front-end додатки. Розроблено модуль “Родовище”: проведено моделювання геологічної структури родовища та побудована його блокова модель. Доведено, що використання нейромережевих алгоритмів не дає принципового підвищення точності блокової моделі для родовищ 1 і 2 груп за складністю геологічної будови. Виявлено недоліки нейромережевих алгоритмів, такі як високі витрати обчислювальних ресурсів сервера і проблеми візуалізації великих масивів геоданих при використанні web-рішень, знайдені шляхи їх вирішення. Доведено можливість і перспективність побудови систем для надрокористувачів на основі хмарних технологій і концепції SaaS. Наукова новизна. Вперше на основі концепції ASP успішно побудовані сучасні програмні продукти для вирішення завдань проектування та оперативного керування гірничими роботами. Практична значимість. Результати корисні для підприємств-надрокористувачів, які працюють з родовищами 1 і 2 груп за складністю геологічної будови – проектних організацій і ГЗК.Цель. Повышение эффективности функционирования горнорудных предприятий и агрегация ранее полученных результатов в единую цифровую систему проектирования и оперативного управления работой карьеров. Методика. В работе использованы как традиционные (анализ научно-патентной литературы, аналитические методы исследования параметров месторождения, анализ опыта и эксплуатации карьеров, проведение пассивного эксперимента и статистической обработкой данных), так и новые формы научного исследования – моделирование месторождения на основе классических и нейросетевых методов аппроксимации. Для реализации программного продукта на основе облачных технологий использованы: для реализации back-end – серверный скриптовый язык программирования php; для front-end – мультипарадигменный язык программирования javascript, javascript framework jQuery и технология асинхронного обмена данными Ajax. Результаты. Выявлена целевая аудитория системы, проведен SWOT-анализ, определены концептуальные направления развития системы 3D-карьер, разработаны стратегии развития и продвижения программного продукта, разработаны стратегии безопасности и надежности приложения как для клиента, так и владельца системы. Разработана модульная структура приложения, произведено деление функций системы для реализации как back-end и front-end приложения. Разработан модуль “Месторождение”: проведено моделирование геологической структуры месторождения и построена его блочная модель. Доказано, что использование нейросетевых алгоритмов не дает принципиального повышения точности блочной модели для месторождений 1 и 2 групп по сложности геологического строения. Выявлены недостатки нейросетевых алгоритмов, такие как высокие затраты вычислительных ресурсов сервера и проблемы визуализации больших массивов геоданных при использовании web-решений, найдены пути их решения. Доказана возможность и перспективность построения систем для недропользователей на основе облачных технологий и концепции SaaS. Научная новизна. Впервые на основе концепции ASP успешно построены современные программные продукты для решения задач проектирования и оперативного управления горными работами. Практическая значимость. Результаты применимы для предприятий-недропользователей, работающих с месторождениями 1 и 2 групп по сложности геологического строения – проектных организаций и ГОКов.We express our profound gratitude to A.B. Naizabekov for his assistance in scientific research, to A.F. Tsekhovoy, P.A. Tsekhovoy, D.Sh. Akhmedov, V. V. Yankovenko and D.V. Nikitas for scientific advice in implementation of the program code. The research was carried out within the framework of the initiative research theme “Improving the Efficiency of Mining Enterprises” on the basis of the RSE at the Rudny Industrial Institute of the Ministry of Education and Science of the Republic of Kazakhstan