A time-predictable many-core processor design for critical real-time embedded systems

Critical Real-Time Embedded Systems (CRTES) are in charge of controlling fundamental parts of embedded system, e.g. energy harvesting solar panels in satellites, steering and breaking in cars, or flight management systems in airplanes. To do so, CRTES require strong evidence of correct functional and timing behavior. The former guarantees that the system operates correctly in response of its inputs; the latter ensures that its operations are performed within a predefined time budget. CRTES aim at increasing the number and complexity of functions. Examples include the incorporation of \smarter" Advanced Driver Assistance System (ADAS) functionality in modern cars or advanced collision avoidance systems in Unmanned Aerial Vehicles (UAVs). All these new features, implemented in software, lead to an exponential growth in both performance requirements and software development complexity. Furthermore, there is a strong need to integrate multiple functions into the same computing platform to reduce the number of processing units, mass and space requirements, etc. Overall, there is a clear need to increase the computing power of current CRTES in order to support new sophisticated and complex functionality, and integrate multiple systems into a single platform. The use of multi- and many-core processor architectures is increasingly seen in the CRTES industry as the solution to cope with the performance demand and cost constraints of future CRTES. Many-cores supply higher performance by exploiting the parallelism of applications while providing a better performance per watt as cores are maintained simpler with respect to complex single-core processors. Moreover, the parallelization capabilities allow scheduling multiple functions into the same processor, maximizing the hardware utilization. However, the use of multi- and many-cores in CRTES also brings a number of challenges related to provide evidence about the correct operation of the system, especially in the timing domain. Hence, despite the advantages of many-cores and the fact that they are nowadays a reality in the embedded domain (e.g. Kalray MPPA, Freescale NXP P4080, TI Keystone II), their use in CRTES still requires finding efficient ways of providing reliable evidence about the correct operation of the system. This thesis investigates the use of many-core processors in CRTES as a means to satisfy performance demands of future complex applications while providing the necessary timing guarantees. To do so, this thesis contributes to advance the state-of-the-art towards the exploitation of parallel capabilities of many-cores in CRTES contributing in two different computing domains. From the hardware domain, this thesis proposes new many-core designs that enable deriving reliable and tight timing guarantees. From the software domain, we present efficient scheduling and timing analysis techniques to exploit the parallelization capabilities of many-core architectures and to derive tight and trustworthy Worst-Case Execution Time (WCET) estimates of CRTES.Los sistemas críticos empotrados de tiempo real (en ingles Critical Real-Time Embedded Systems, CRTES) se encargan de controlar partes fundamentales de los sistemas integrados, e.g. obtención de la energía de los paneles solares en satélites, la dirección y frenado en automóviles, o el control de vuelo en aviones. Para hacerlo, CRTES requieren fuerte evidencias del correcto comportamiento funcional y temporal. El primero garantiza que el sistema funciona correctamente en respuesta de sus entradas; el último asegura que sus operaciones se realizan dentro de unos limites temporales establecidos previamente. El objetivo de los CRTES es aumentar el número y la complejidad de las funciones. Algunos ejemplos incluyen los sistemas inteligentes de asistencia a la conducción en automóviles modernos o los sistemas avanzados de prevención de colisiones en vehiculos aereos no tripulados. Todas estas nuevas características, implementadas en software,conducen a un crecimiento exponencial tanto en los requerimientos de rendimiento como en la complejidad de desarrollo de software. Además, existe una gran necesidad de integrar múltiples funciones en una sóla plataforma para así reducir el número de unidades de procesamiento, cumplir con requisitos de peso y espacio, etc. En general, hay una clara necesidad de aumentar la potencia de cómputo de los actuales CRTES para soportar nueva funcionalidades sofisticadas y complejas e integrar múltiples sistemas en una sola plataforma. El uso de arquitecturas multi- y many-core se ve cada vez más en la industria CRTES como la solución para hacer frente a la demanda de mayor rendimiento y las limitaciones de costes de los futuros CRTES. Las arquitecturas many-core proporcionan un mayor rendimiento explotando el paralelismo de aplicaciones al tiempo que proporciona un mejor rendimiento por vatio ya que los cores se mantienen más simples con respecto a complejos procesadores de un solo core. Además, las capacidades de paralelización permiten programar múltiples funciones en el mismo procesador, maximizando la utilización del hardware. Sin embargo, el uso de multi- y many-core en CRTES también acarrea ciertos desafíos relacionados con la aportación de evidencias sobre el correcto funcionamiento del sistema, especialmente en el ámbito temporal. Por eso, a pesar de las ventajas de los procesadores many-core y del hecho de que éstos son una realidad en los sitemas integrados (por ejemplo Kalray MPPA, Freescale NXP P4080, TI Keystone II), su uso en CRTES aún precisa de la búsqueda de métodos eficientes para proveer evidencias fiables sobre el correcto funcionamiento del sistema. Esta tesis ahonda en el uso de procesadores many-core en CRTES como un medio para satisfacer los requisitos de rendimiento de aplicaciones complejas mientras proveen las garantías de tiempo necesarias. Para ello, esta tesis contribuye en el avance del estado del arte hacia la explotación de many-cores en CRTES en dos ámbitos de la computación. En el ámbito del hardware, esta tesis propone nuevos diseños many-core que posibilitan garantías de tiempo fiables y precisas. En el ámbito del software, la tesis presenta técnicas eficientes para la planificación de tareas y el análisis de tiempo para aprovechar las capacidades de paralelización en arquitecturas many-core, y también para derivar estimaciones de peor tiempo de ejecución (Worst-Case Execution Time, WCET) fiables y precisas

A comparison between two optimisation alternatives for mapping in wireless network on chip

Network on Chip (NoC) is a well known approach that aims at improving the performance of many-core systems. The design of such systems involves the optimal mapping of tasks to nodes, and the corresponding scheduling of the tasks at every node, which results in a challenging optimisation problem considering the constraints that need to be respected. In this paper, after formalising the problem and elaborating on its complexity, we present an AI approach to solve the problem and evaluate it against a MIP approach. Our empirical evaluation shows that the AI approach is able to obtain solutions of good quality very quickly

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

An Artificial Neural Networks based Temperature Prediction Framework for Network-on-Chip based Multicore Platform

Continuous improvement in silicon process technologies has made possible the integration of hundreds of cores on a single chip. However, power and heat have become dominant constraints in designing these massive multicore chips causing issues with reliability, timing variations and reduced lifetime of the chips. Dynamic Thermal Management (DTM) is a solution to avoid high temperatures on the die. Typical DTM schemes only address core level thermal issues. However, the Network-on-chip (NoC) paradigm, which has emerged as an enabling methodology for integrating hundreds to thousands of cores on the same die can contribute significantly to the thermal issues. Moreover, the typical DTM is triggered reactively based on temperature measurements from on-chip thermal sensor requiring long reaction times whereas predictive DTM method estimates future temperature in advance, eliminating the chance of temperature overshoot. Artificial Neural Networks (ANNs) have been used in various domains for modeling and prediction with high accuracy due to its ability to learn and adapt. This thesis concentrates on designing an ANN prediction engine to predict the thermal profile of the cores and Network-on-Chip elements of the chip. This thermal profile of the chip is then used by the predictive DTM that combines both core level and network level DTM techniques. On-chip wireless interconnect which is recently envisioned to enable energy-efficient data exchange between cores in a multicore environment, will be used to provide a broadcast-capable medium to efficiently distribute thermal control messages to trigger and manage the DTM schemes

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

On the Impact of Heterogeneous NoC Bandwidth Allocation in the WCET of Applications

This thesis analyzes the potential of a Flexible Bandwidth Allocation (FBA) method for networks-on-chip (NoCs), which provides heterogeneous bandwidth distribution to improve the worst-case execution time (WCET) of parallel and sequential applications in NoC-based multi- and many-core processors