OrthoNoC: a broadcast-oriented dual-plane wireless network-on-chip architecture

© 2017 IEEE. Personal use of this material is permitted. Permission from IEEE must be obtained for all other uses, in any current or future media, including reprinting/republishing this material for advertising or promotional purposes,creating new collective works, for resale or redistribution to servers or lists, or reuse of any copyrighted component of this work in other worksOn-chip communication remains as a key research issue at the gates of the manycore era. In response to this, novel interconnect technologies have opened the door to new Network-on-Chip (NoC) solutions towards greater scalability and architectural flexibility. Particularly, wireless on-chip communication has garnered considerable attention due to its inherent broadcast capabilities, low latency, and system-level simplicity. This work presents ORTHONOC, a wired-wireless architecture that differs from existing proposals in that both network planes are decoupled and driven by traffic steering policies enforced at the network interfaces. With these and other design decisions, ORTHONOC seeks to emphasize the ordered broadcast advantage offered by the wireless technology. The performance and cost of ORTHONOC are first explored using synthetic traffic, showing substantial improvements with respect to other wired-wireless designs with a similar number of antennas. Then, the applicability of ORTHONOC in the multiprocessor scenario is demonstrated through the evaluation of a simple architecture that implements fast synchronization via ordered broadcast transmissions. Simulations reveal significant execution time speedups and communication energy savings for 64-threaded benchmarks, proving that the value of ORTHONOC goes beyond simply improving the performance of the on-chip interconnect.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Broadcast-oriented wireless network-on-chip : fundamentals and feasibility

Premi extraordinari doctorat UPC curs 2015-2016, àmbit Enginyeria de les TICRecent years have seen the emergence and ubiquitous adoption of Chip Multiprocessors (CMPs), which rely on the coordinated operation of multiple execution units or cores. Successive CMP generations integrate a larger number of cores seeking higher performance with a reasonable cost envelope. For this trend to continue, however, important scalability issues need to be solved at different levels of design. Scaling the interconnect fabric is a grand challenge by itself, as new Network-on-Chip (NoC) proposals need to overcome the performance hurdles found when dealing with the increasingly variable and heterogeneous communication demands of manycore processors. Fast and flexible NoC solutions are needed to prevent communication become a performance bottleneck, situation that would severely limit the design space at the architectural level and eventually lead to the use of software frameworks that are slow, inefficient, or less programmable. The emergence of novel interconnect technologies has opened the door to a plethora of new NoCs promising greater scalability and architectural flexibility. In particular, wireless on-chip communication has garnered considerable attention due to its inherent broadcast capabilities, low latency, and system-level simplicity. Most of the resulting Wireless Network-on-Chip (WNoC) proposals have set the focus on leveraging the latency advantage of this paradigm by creating multiple wireless channels to interconnect far-apart cores. This strategy is effective as the complement of wired NoCs at moderate scales, but is likely to be overshadowed at larger scales by technologies such as nanophotonics unless bandwidth is unrealistically improved. This dissertation presents the concept of Broadcast-Oriented Wireless Network-on-Chip (BoWNoC), a new approach that attempts to foster the inherent simplicity, flexibility, and broadcast capabilities of the wireless technology by integrating one on-chip antenna and transceiver per processor core. This paradigm is part of a broader hybrid vision where the BoWNoC serves latency-critical and broadcast traffic, tightly coupled to a wired plane oriented to large flows of data. By virtue of its scalable broadcast support, BoWNoC may become the key enabler of a wealth of unconventional hardware architectures and algorithmic approaches, eventually leading to a significant improvement of the performance, energy efficiency, scalability and programmability of manycore chips. The present work aims not only to lay the fundamentals of the BoWNoC paradigm, but also to demonstrate its viability from the electronic implementation, network design, and multiprocessor architecture perspectives. An exploration at the physical level of design validates the feasibility of the approach at millimeter-wave bands in the short term, and then suggests the use of graphene-based antennas in the terahertz band in the long term. At the link level, this thesis provides an insightful context analysis that is used, afterwards, to drive the design of a lightweight protocol that reliably serves broadcast traffic with substantial latency improvements over state-of-the-art NoCs. At the network level, our hybrid vision is evaluated putting emphasis on the flexibility provided at the network interface level, showing outstanding speedups for a wide set of traffic patterns. At the architecture level, the potential impact of the BoWNoC paradigm on the design of manycore chips is not only qualitatively discussed in general, but also quantitatively assessed in a particular architecture for fast synchronization. Results demonstrate that the impact of BoWNoC can go beyond simply improving the network performance, thereby representing a possible game changer in the manycore era.Avenços en el disseny de multiprocessadors han portat a una àmplia adopció dels Chip Multiprocessors (CMPs), que basen el seu potencial en la operació coordinada de múltiples nuclis de procés. Generacions successives han anat integrant més nuclis en la recerca d'alt rendiment amb un cost raonable. Per a que aquesta tendència continuï, però, cal resoldre importants problemes d'escalabilitat a diferents capes de disseny. Escalar la xarxa d'interconnexió és un gran repte en ell mateix, ja que les noves propostes de Networks-on-Chip (NoC) han de servir un tràfic eminentment variable i heterogeni dels processadors amb molts nuclis. Són necessàries solucions ràpides i flexibles per evitar que les comunicacions dins del xip es converteixin en el pròxim coll d'ampolla de rendiment, situació que limitaria en gran mesura l'espai de disseny a nivell d'arquitectura i portaria a l'ús d'arquitectures i models de programació lents, ineficients o poc programables. L'aparició de noves tecnologies d'interconnexió ha possibilitat la creació de NoCs més flexibles i escalables. En particular, la comunicació intra-xip sense fils ha despertat un interès considerable en virtut de les seva baixa latència, simplicitat, i bon rendiment amb tràfic broadcast. La majoria de les Wireless NoC (WNoC) proposades fins ara s'han centrat en aprofitar l'avantatge en termes de latència d'aquest nou paradigma creant múltiples canals sense fils per interconnectar nuclis allunyats entre sí. Aquesta estratègia és efectiva per complementar a NoCs clàssiques en escales mitjanes, però és probable que altres tecnologies com la nanofotònica puguin jugar millor aquest paper a escales més grans. Aquesta tesi presenta el concepte de Broadcast-Oriented WNoC (BoWNoC), un nou enfoc que intenta rendibilitzar al màxim la inherent simplicitat, flexibilitat, i capacitats broadcast de la tecnologia sense fils integrant una antena i transmissor/receptor per cada nucli del processador. Aquest paradigma forma part d'una visió més àmplia on un BoWNoC serviria tràfic broadcast i urgent, mentre que una xarxa convencional serviria fluxos de dades més pesats. En virtut de la escalabilitat i del seu suport broadcast, BoWNoC podria convertir-se en un element clau en una gran varietat d'arquitectures i algoritmes poc convencionals que milloressin considerablement el rendiment, l'eficiència, l'escalabilitat i la programabilitat de processadors amb molts nuclis. El present treball té com a objectius no només estudiar els aspectes fonamentals del paradigma BoWNoC, sinó també demostrar la seva viabilitat des dels punts de vista de la implementació, i del disseny de xarxa i arquitectura. Una exploració a la capa física valida la viabilitat de l'enfoc usant tecnologies longituds d'ona milimètriques en un futur proper, i suggereix l'ús d'antenes de grafè a la banda dels terahertz ja a més llarg termini. A capa d'enllaç, la tesi aporta una anàlisi del context de l'aplicació que és, més tard, utilitzada per al disseny d'un protocol d'accés al medi que permet servir tràfic broadcast a baixa latència i de forma fiable. A capa de xarxa, la nostra visió híbrida és avaluada posant èmfasi en la flexibilitat que aporta el fet de prendre les decisions a nivell de la interfície de xarxa, mostrant grans millores de rendiment per una àmplia selecció de patrons de tràfic. A nivell d'arquitectura, l'impacte que el concepte de BoWNoC pot tenir sobre el disseny de processadors amb molts nuclis no només és debatut de forma qualitativa i genèrica, sinó també avaluat quantitativament per una arquitectura concreta enfocada a la sincronització. Els resultats demostren que l'impacte de BoWNoC pot anar més enllà d'una millora en termes de rendiment de xarxa; representant, possiblement, un canvi radical a l'era dels molts nuclisAward-winningPostprint (published version

Broadcast-oriented wireless network-on-chip : fundamentals and feasibility

Premi extraordinari doctorat UPC curs 2015-2016, àmbit Enginyeria de les TICRecent years have seen the emergence and ubiquitous adoption of Chip Multiprocessors (CMPs), which rely on the coordinated operation of multiple execution units or cores. Successive CMP generations integrate a larger number of cores seeking higher performance with a reasonable cost envelope. For this trend to continue, however, important scalability issues need to be solved at different levels of design. Scaling the interconnect fabric is a grand challenge by itself, as new Network-on-Chip (NoC) proposals need to overcome the performance hurdles found when dealing with the increasingly variable and heterogeneous communication demands of manycore processors. Fast and flexible NoC solutions are needed to prevent communication become a performance bottleneck, situation that would severely limit the design space at the architectural level and eventually lead to the use of software frameworks that are slow, inefficient, or less programmable. The emergence of novel interconnect technologies has opened the door to a plethora of new NoCs promising greater scalability and architectural flexibility. In particular, wireless on-chip communication has garnered considerable attention due to its inherent broadcast capabilities, low latency, and system-level simplicity. Most of the resulting Wireless Network-on-Chip (WNoC) proposals have set the focus on leveraging the latency advantage of this paradigm by creating multiple wireless channels to interconnect far-apart cores. This strategy is effective as the complement of wired NoCs at moderate scales, but is likely to be overshadowed at larger scales by technologies such as nanophotonics unless bandwidth is unrealistically improved. This dissertation presents the concept of Broadcast-Oriented Wireless Network-on-Chip (BoWNoC), a new approach that attempts to foster the inherent simplicity, flexibility, and broadcast capabilities of the wireless technology by integrating one on-chip antenna and transceiver per processor core. This paradigm is part of a broader hybrid vision where the BoWNoC serves latency-critical and broadcast traffic, tightly coupled to a wired plane oriented to large flows of data. By virtue of its scalable broadcast support, BoWNoC may become the key enabler of a wealth of unconventional hardware architectures and algorithmic approaches, eventually leading to a significant improvement of the performance, energy efficiency, scalability and programmability of manycore chips. The present work aims not only to lay the fundamentals of the BoWNoC paradigm, but also to demonstrate its viability from the electronic implementation, network design, and multiprocessor architecture perspectives. An exploration at the physical level of design validates the feasibility of the approach at millimeter-wave bands in the short term, and then suggests the use of graphene-based antennas in the terahertz band in the long term. At the link level, this thesis provides an insightful context analysis that is used, afterwards, to drive the design of a lightweight protocol that reliably serves broadcast traffic with substantial latency improvements over state-of-the-art NoCs. At the network level, our hybrid vision is evaluated putting emphasis on the flexibility provided at the network interface level, showing outstanding speedups for a wide set of traffic patterns. At the architecture level, the potential impact of the BoWNoC paradigm on the design of manycore chips is not only qualitatively discussed in general, but also quantitatively assessed in a particular architecture for fast synchronization. Results demonstrate that the impact of BoWNoC can go beyond simply improving the network performance, thereby representing a possible game changer in the manycore era.Avenços en el disseny de multiprocessadors han portat a una àmplia adopció dels Chip Multiprocessors (CMPs), que basen el seu potencial en la operació coordinada de múltiples nuclis de procés. Generacions successives han anat integrant més nuclis en la recerca d'alt rendiment amb un cost raonable. Per a que aquesta tendència continuï, però, cal resoldre importants problemes d'escalabilitat a diferents capes de disseny. Escalar la xarxa d'interconnexió és un gran repte en ell mateix, ja que les noves propostes de Networks-on-Chip (NoC) han de servir un tràfic eminentment variable i heterogeni dels processadors amb molts nuclis. Són necessàries solucions ràpides i flexibles per evitar que les comunicacions dins del xip es converteixin en el pròxim coll d'ampolla de rendiment, situació que limitaria en gran mesura l'espai de disseny a nivell d'arquitectura i portaria a l'ús d'arquitectures i models de programació lents, ineficients o poc programables. L'aparició de noves tecnologies d'interconnexió ha possibilitat la creació de NoCs més flexibles i escalables. En particular, la comunicació intra-xip sense fils ha despertat un interès considerable en virtut de les seva baixa latència, simplicitat, i bon rendiment amb tràfic broadcast. La majoria de les Wireless NoC (WNoC) proposades fins ara s'han centrat en aprofitar l'avantatge en termes de latència d'aquest nou paradigma creant múltiples canals sense fils per interconnectar nuclis allunyats entre sí. Aquesta estratègia és efectiva per complementar a NoCs clàssiques en escales mitjanes, però és probable que altres tecnologies com la nanofotònica puguin jugar millor aquest paper a escales més grans. Aquesta tesi presenta el concepte de Broadcast-Oriented WNoC (BoWNoC), un nou enfoc que intenta rendibilitzar al màxim la inherent simplicitat, flexibilitat, i capacitats broadcast de la tecnologia sense fils integrant una antena i transmissor/receptor per cada nucli del processador. Aquest paradigma forma part d'una visió més àmplia on un BoWNoC serviria tràfic broadcast i urgent, mentre que una xarxa convencional serviria fluxos de dades més pesats. En virtut de la escalabilitat i del seu suport broadcast, BoWNoC podria convertir-se en un element clau en una gran varietat d'arquitectures i algoritmes poc convencionals que milloressin considerablement el rendiment, l'eficiència, l'escalabilitat i la programabilitat de processadors amb molts nuclis. El present treball té com a objectius no només estudiar els aspectes fonamentals del paradigma BoWNoC, sinó també demostrar la seva viabilitat des dels punts de vista de la implementació, i del disseny de xarxa i arquitectura. Una exploració a la capa física valida la viabilitat de l'enfoc usant tecnologies longituds d'ona milimètriques en un futur proper, i suggereix l'ús d'antenes de grafè a la banda dels terahertz ja a més llarg termini. A capa d'enllaç, la tesi aporta una anàlisi del context de l'aplicació que és, més tard, utilitzada per al disseny d'un protocol d'accés al medi que permet servir tràfic broadcast a baixa latència i de forma fiable. A capa de xarxa, la nostra visió híbrida és avaluada posant èmfasi en la flexibilitat que aporta el fet de prendre les decisions a nivell de la interfície de xarxa, mostrant grans millores de rendiment per una àmplia selecció de patrons de tràfic. A nivell d'arquitectura, l'impacte que el concepte de BoWNoC pot tenir sobre el disseny de processadors amb molts nuclis no només és debatut de forma qualitativa i genèrica, sinó també avaluat quantitativament per una arquitectura concreta enfocada a la sincronització. Els resultats demostren que l'impacte de BoWNoC pot anar més enllà d'una millora en termes de rendiment de xarxa; representant, possiblement, un canvi radical a l'era dels molts nuclisAward-winningPostprint (published version

Multi-level analysis of on-chip optical wireless links

Networks-on-chip are being regarded as a promising solution to meet the on-going requirement for higher and higher computation capacity. In view of future kilo-cores architectures, electrical wired connections are likely to become inefficient and alternative technologies are being widely investigated. Wireless communications on chip may be therefore leveraged to overcome the bottleneck of physical interconnections. This work deals with wireless networks-on-chip at optical frequencies, which can simplify the network layout and reduce the communication latency, easing the antenna on-chip integration process at the same time. On the other end, optical wireless communication on-chip can be limited by the heavy propagation losses and the possible cross-link interference. Assessment of the optical wireless network in terms of bit error probability and maximum communication range is here investigated through a multi-level approach. Manifold aspects, concurring to the final system performance, are simultaneously taken into account, like the antenna radiation properties, the data-rate of the core-to core communication, the geometrical and electromagnetic layout of the chip and the noise and interference level. Simulations results suggest that communication up to some hundreds of μm can be pursued provided that the antenna design and/or the target data-rate are carefully tailored to the actual layout of the chip

Multi-level analysis of on-chip optical wireless links

Networks-on-chip are being regarded as a promising solution to meet the on-going requirement for higher and higher computation capacity. In view of future kilo-cores architectures, electrical wired connections are likely to become inefficient and alternative technologies are being widely investigated. Wireless communications on chip may be therefore leveraged to overcome the bottleneck of physical interconnections. This work deals with wireless networks-on-chip at optical frequencies, which can simplify the network layout and reduce the communication latency, easing the antenna on-chip integration process at the same time. On the other end, optical wireless communication on-chip can be limited by the heavy propagation losses and the possible cross-link interference. Assessment of the optical wireless network in terms of bit error probability and maximum communication range is here investigated through a multi-level approach. Manifold aspects, concurring to the final system performance, are simultaneously taken into account, like the antenna radiation properties, the data-rate of the core-to core communication, the geometrical and electromagnetic layout of the chip and the noise and interference level. Simulations results suggest that communication up to some hundreds of \u3bcm can be pursued provided that the antenna design and/or the target data-rate are carefully tailored to the actual layout of the chip

Networking Challenges and Prospective Impact of Broadcast-Oriented Wireless Networks-on-Chip

ABSTRACT The cost of broadcast has been constraining the design of manycore processors and of the algorithms that run upon them. However, as on-chip RF technologies allow the design of small-footprint and high-bandwidth antennas and transceivers, native low-latency (a few clock cycles) and lowpower (a few pJ/bit) broadcast support through wireless communication can be envisaged. In this paper, we analyze the main networking design aspects and challenges of Broadcast-oriented Wireless Network-on-Chip (BoWNoC), which are basically reduced to the development of Medium Access Control (MAC) protocols able to handle hundreds of cores. We evaluate the broadcast performance and scalability of different MAC designs, to then discuss the impact that the proposed paradigm could exert on the performance, scalability and programmability of future manycore architectures, programming models and parallel algorithms

Interference analysis for optical wireless communications in Network-on-Chip (NoC) scenarios

Optical wireless (OW) communications, besides being of great interest for indoor and outdoor applications, have been recently proposed as a powerful alternative to the existing wired and wireless radio frequency (RF) interconnects in network-on-chips (NoCs). Design and analysis of networks with OW links require a careful investigation of cross-link interference, which impacts considerably the efficiency of systems that reuse the same channel for multiple transmissions. Yet, there is no comprehensive analysis of interference for OW NoCs, and the analyses of crosstalk in optical waveguide communications usually rely on synchronous data transmissions. A novel framework for the analysis of on-chip OW communications in the presence of cross-link cochannel interference and noise is proposed, where asynchronous data transmissions are considered. Self-beating of interfering signals is also considered, which was often neglected in previous literature. The bit error probability (BEP) for arbitrary number of interfering sources is derived as a function of signal-to-noise ratio (SNR), interference powers, detection threshold and pulse shaping, using both exact and approximation methods. The proposed analysis can be applied to both noise- and interference-limited cases, and enables a system designer to evaluate reuse distance between links that share the same optical carrier for simultaneous communication in NoCs

Novel Cache Hierarchies with Photonic Interconnects for Chip Multiprocessors

[ES] Los procesadores multinúcleo actuales cuentan con recursos compartidos entre los diferentes núcleos. Dos de estos recursos compartidos, la cache de último nivel y el ancho de banda de memoria principal, pueden convertirse en cuellos de botella para el rendimiento. Además, con el crecimiento del número de núcleos que implementan los diseños más recientes, la red dentro del chip también se convierte en un cuello de botella que puede afectar negativamente al rendimiento, ya que las redes tradicionales pueden encontrar limitaciones a su escalabilidad en el futuro cercano. Prácticamente la totalidad de los diseños actuales implementan jerarquías de memoria que se comunican mediante rápidas redes de interconexión. Esta organización es eficaz dado que permite reducir el número de accesos que se realizan a memoria principal y la latencia media de acceso a memoria. Las caches, la red de interconexión y la memoria principal, conjuntamente con otras técnicas conocidas como la prebúsqueda, permiten reducir las enormes latencias de acceso a memoria principal, limitando así el impacto negativo ocasionado por la diferencia de rendimiento existente entre los núcleos de cómputo y la memoria. Sin embargo, compartir los recursos mencionados es fuente de diferentes problemas y retos, siendo uno de los principales el manejo de la interferencia entre aplicaciones. Hacer un uso eficiente de la jerarquía de memoria y las caches, así como contar con una red de interconexión apropiada, es necesario para sostener el crecimiento del rendimiento en los diseños tanto actuales como futuros. Esta tesis analiza y estudia los principales problemas e inconvenientes observados en estos dos recursos: la cache de último nivel y la red dentro del chip. En primer lugar, se estudia la escalabilidad de las tradicionales redes dentro del chip con topología de malla, así como esta puede verse comprometida en próximos diseños que cuenten con mayor número de núcleos. Los resultados de este estudio muestran que, a mayor número de núcleos, el impacto negativo de la distancia entre núcleos en la latencia puede afectar seriamente al rendimiento del procesador. Como solución a este problema, en esta tesis proponemos una de red de interconexión óptica modelada en un entorno de simulación detallado, que supone una solución viable a los problemas de escalabilidad observados en los diseños tradicionales. A continuación, esta tesis dedica un esfuerzo importante a identificar y proponer soluciones a los principales problemas de diseño de las jerarquías de memoria actuales como son, por ejemplo, el sobredimensionado del espacio de cache privado, la existencia de réplicas de datos y rigidez e incapacidad de adaptación de las estructuras de cache. Aunque bien conocidos, estos problemas y sus efectos adversos en el rendimiento pueden ser evitados en procesadores de alto rendimiento gracias a la enorme capacidad de la cache de último nivel que este tipo de procesadores típicamente implementan. Sin embargo, en procesadores de bajo consumo, no existe la posibilidad de contar con tales capacidades y hacer un uso eficiente del espacio disponible es crítico para mantener el rendimiento. Como solución a estos problemas en procesadores de bajo consumo, proponemos una novedosa organización de jerarquía de dos niveles cache que utiliza una red de interconexión óptica. Los resultados obtenidos muestran que, comparado con diseños convencionales, el consumo de energía estática en la arquitectura propuesta es un 60% menor, pese a que los resultados de rendimiento presentan valores similares. Por último, hemos extendido la arquitectura propuesta para dar soporte tanto a aplicaciones paralelas como secuenciales. Los resultados obtenidos con la esta nueva arquitectura muestran un ahorro de hasta el 78 % de energía estática en la ejecución de aplicaciones paralelas.[CA] Els processadors multinucli actuals compten amb recursos compartits entre els diferents nuclis. Dos d'aquests recursos compartits, la memòria d’últim nivell i l'ample de banda de memòria principal, poden convertir-se en colls d'ampolla per al rendiment. A mes, amb el creixement del nombre de nuclis que implementen els dissenys mes recents, la xarxa dins del xip també es converteix en un coll d'ampolla que pot afectar negativament el rendiment, ja que les xarxes tradicionals poden trobar limitacions a la seva escalabilitat en el futur proper. Pràcticament la totalitat dels dissenys actuals implementen jerarquies de memòria que es comuniquen mitjançant rapides xarxes d’interconnexió. Aquesta organització es eficaç ates que permet reduir el nombre d'accessos que es realitzen a memòria principal i la latència mitjana d’accés a memòria. Les caches, la xarxa d’interconnexió i la memòria principal, conjuntament amb altres tècniques conegudes com la prebúsqueda, permeten reduir les enormes latències d’accés a memòria principal, limitant així l'impacte negatiu ocasionat per la diferencia de rendiment existent entre els nuclis de còmput i la memòria. No obstant això, compartir els recursos esmentats és font de diversos problemes i reptes, sent un dels principals la gestió de la interferència entre aplicacions. Fer un us eficient de la jerarquia de memòria i les caches, així com comptar amb una xarxa d’interconnexió apropiada, es necessari per sostenir el creixement del rendiment en els dissenys tant actuals com futurs. Aquesta tesi analitza i estudia els principals problemes i inconvenients observats en aquests dos recursos: la memòria cache d’últim nivell i la xarxa dins del xip. En primer lloc, s'estudia l'escalabilitat de les xarxes tradicionals dins del xip amb topologia de malla, així com aquesta es pot veure compromesa en propers dissenys que compten amb major nombre de nuclis. Els resultats d'aquest estudi mostren que, a major nombre de nuclis, l'impacte negatiu de la distància entre nuclis en la latència pot afectar seriosament al rendiment del processador. Com a solució' a aquest problema, en aquesta tesi proposem una xarxa d’interconnexió' òptica modelada en un entorn de simulació detallat, que suposa una solució viable als problemes d'escalabilitat observats en els dissenys tradicionals. A continuació, aquesta tesi dedica un esforç important a identificar i proposar solucions als principals problemes de disseny de les jerarquies de memòria actuals com son, per exemple, el sobredimensionat de l'espai de memòria cache privat, l’existència de repliques de dades i la rigidesa i incapacitat d’adaptació' de les estructures de memòria cache. Encara que ben coneguts, aquests problemes i els seus efectes adversos en el rendiment poden ser evitats en processadors d'alt rendiment gracies a l'enorme capacitat de la memòria cache d’últim nivell que aquest tipus de processadors típicament implementen. No obstant això, en processadors de baix consum, no hi ha la possibilitat de comptar amb aquestes capacitats, i fer un us eficient de l'espai disponible es torna crític per mantenir el rendiment. Com a solució a aquests problemes en processadors de baix consum, proposem una nova organització de jerarquia de dos nivells de memòria cache que utilitza una xarxa d’interconnexió òptica. Els resultats obtinguts mostren que, comparat amb dissenys convencionals, el consum d'energia estàtica en l'arquitectura proposada és un 60% menor, malgrat que els resultats de rendiment presenten valors similars. Per últim, hem estes l'arquitectura proposada per donar suport tant a aplicacions paral·leles com seqüencials. Els resultats obtinguts amb aquesta nova arquitectura mostren un estalvi de fins al 78 % d'energia estàtica en l’execució d'aplicacions paral·leles.[EN] Current multicores face the challenge of sharing resources among the different processor cores. Two main shared resources act as major performance bottlenecks in current designs: the off-chip main memory bandwidth and the last level cache. Additionally, as the core count grows, the network on-chip is also becoming a potential performance bottleneck, since traditional designs may find scalability issues in the near future. Memory hierarchies communicated through fast interconnects are implemented in almost every current design as they reduce the number of off-chip accesses and the overall latency, respectively. Main memory, caches, and interconnection resources, together with other widely-used techniques like prefetching, help alleviate the huge memory access latencies and limit the impact of the core-memory speed gap. However, sharing these resources brings several concerns, being one of the most challenging the management of the inter-application interference. Since almost every running application needs to access to main memory, all of them are exposed to interference from other co-runners in their way to the memory controller. For this reason, making an efficient use of the available cache space, together with achieving fast and scalable interconnects, is critical to sustain the performance in current and future designs. This dissertation analyzes and addresses the most important shortcomings of two major shared resources: the Last Level Cache (LLC) and the Network on Chip (NoC). First, we study the scalability of both electrical and optical NoCs for future multicoresand many-cores. To perform this study, we model optical interconnects in a cycle-accurate multicore simulation framework. A proper model is required; otherwise, important performance deviations may be observed otherwise in the evaluation results. The study reveals that, as the core count grows, the effect of distance on the end-to-end latency can negatively impact on the processor performance. In contrast, the study also shows that silicon nanophotonics are a viable solution to solve the mentioned latency problems. This dissertation is also motivated by important design concerns related to current memory hierarchies, like the oversizing of private cache space, data replication overheads, and lack of flexibility regarding sharing of cache structures. These issues, which can be overcome in high performance processors by virtue of huge LLCs, can compromise performance in low power processors. To address these issues we propose a more efficient cache hierarchy organization that leverages optical interconnects. The proposed architecture is conceived as an optically interconnected two-level cache hierarchy composed of multiple cache modules that can be dynamically turned on and off independently. Experimental results show that, compared to conventional designs, static energy consumption is improved by up to 60% while achieving similar performance results. Finally, we extend the proposal to support both sequential and parallel applications. This extension is required since the proposal adapts to the dynamic cache space needs of the running applications, and multithreaded applications's behaviors widely differ from those of single threaded programs. In addition, coherence management is also addressed, which is challenging since each cache module can be assigned to any core at a given time in the proposed approach. For parallel applications, the evaluation shows that the proposal achieves up to 78% static energy savings. In summary, this thesis tackles major challenges originated by the sharing of on-chip caches and communication resources in current multicores, and proposes new cache hierarchy organizations leveraging optical interconnects to address them. The proposed organizations reduce both static and dynamic energy consumption compared to conventional approaches while achieving similar performance; which results in better energy efficiency.Puche Lara, J. (2021). Novel Cache Hierarchies with Photonic Interconnects for Chip Multiprocessors [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/165254TESI

Architecture and Advanced Electronics Pathways Toward Highly Adaptive Energy- Efficient Computing

With the explosion of the number of compute nodes, the bottleneck of future computing systems lies in the network architecture connecting the nodes. Addressing the bottleneck requires replacing current backplane-based network topologies. We propose to revolutionize computing electronics by realizing embedded optical waveguides for onboard networking and wireless chip-to-chip links at 200-GHz carrier frequency connecting neighboring boards in a rack. The control of novel rate-adaptive optical and mm-wave transceivers needs tight interlinking with the system software for runtime resource management

A Scalable and Adaptive Network on Chip for Many-Core Architectures

In this work, a scalable network on chip (NoC) for future many-core architectures is proposed and investigated. It supports different QoS mechanisms to ensure predictable communication. Self-optimization is introduced to adapt the energy footprint and the performance of the network to the communication requirements. A fault tolerance concept allows to deal with permanent errors. Moreover, a template-based automated evaluation and design methodology and a synthesis flow for NoCs is introduced