2,603 research outputs found

    Cycle Accurate Energy and Throughput Estimation for Data Cache

    Get PDF
    Resource optimization in energy constrained real-time adaptive embedded systems highly depends on accurate energy and throughput estimates of processor peripherals. Such applications require lightweight, accurate mathematical models to profile energy and timing requirements on the go. This paper presents enhanced mathematical models for data cache energy and throughput estimation. The energy and throughput models were found to be within 95% accuracy of per instruction energy model of a processor, and a full system simulator?s timing model respectively. Furthermore, the possible application of these models in various scenarios is discussed in this paper

    Power And Hotspot Modeling For Modern GPUs

    Get PDF
    As General Purpose GPUs (GPGPU) are increasingly becoming a prominent component of high performance computing platforms, power and thermal dissipation are getting more attention. The trade-offs among performance, power, and heat must be well modeled and evaluated from the early stage of GPU design. This necessitates a tool that allows GPU architects to quickly and accurately evaluate their design. There are a few models for GPU power but most of them estimate power at a higher level than architecture, which are therefore missing hardware reconfigurability. In this thesis, we propose a framework that models power and heat dissipation at the hardware architecture level, which allows for configuring and investigating individual hardware components. Our framework is also capable of visualizing the heat map of the processor over different clock cycles. To the best of our knowledge, this is the first comprehensive framework that integrates and visualizes power consumption and heat dissipation of GPUs

    Vector support for multicore processors with major emphasis on configurable multiprocessors

    Get PDF
    It recently became increasingly difficult to build higher speed uniprocessor chips because of performance degradation and high power consumption. The quadratically increasing circuit complexity forbade the exploration of more instruction-level parallelism (JLP). To continue raising the performance, processor designers then focused on thread-level parallelism (TLP) to realize a new architecture design paradigm. Multicore processor design is the result of this trend. It has proven quite capable in performance increase and provides new opportunities in power management and system scalability. But current multicore processors do not provide powerful vector architecture support which could yield significant speedups for array operations while maintaining arealpower efficiency. This dissertation proposes and presents the realization of an FPGA-based prototype of a multicore architecture with a shared vector unit (MCwSV). FPGA stands for Filed-Programmable Gate Array. The idea is that rather than improving only scalar or TLP performance, some hardware budget could be used to realize a vector unit to greatly speedup applications abundant in data-level parallelism (DLP). To be realistic, limited by the parallelism in the application itself and by the compiler\u27s vectorizing abilities, most of the general-purpose programs can only be partially vectorized. Thus, for efficient resource usage, one vector unit should be shared by several scalar processors. This approach could also keep the overall budget within acceptable limits. We suggest that this type of vector-unit sharing be established in future multicore chips. The design, implementation and evaluation of an MCwSV system with two scalar processors and a shared vector unit are presented for FPGA prototyping. The MicroBlaze processor, which is a commercial IP (Intellectual Property) core from Xilinx, is used as the scalar processor; in the experiments the vector unit is connected to a pair of MicroBlaze processors through standard bus interfaces. The overall system is organized in a decoupled and multi-banked structure. This organization provides substantial system scalability and better vector performance. For a given area budget, benchmarks from several areas show that the MCwSV system can provide significant performance increase as compared to a multicore system without a vector unit. However, a MCwSV system with two MicroBlazes and a shared vector unit is not always an optimized system configuration for various applications with different percentages of vectorization. On the other hand, the MCwSV framework was designed for easy scalability to potentially incorporate various numbers of scalar/vector units and various function units. Also, the flexibility inherent to FPGAs can aid the task of matching target applications. These benefits can be taken into account to create optimized MCwSV systems for various applications. So the work eventually focused on building an architecture design framework incorporating performance and resource management for application-specific MCwSV (AS-MCwSV) systems. For embedded system design, resource usage, power consumption and execution latency are three metrics to be used in design tradeoffs. The product of these metrics is used here to choose the MCwSV system with the smallest value

    Cross-Layer Rapid Prototyping and Synthesis of Application-Specific and Reconfigurable Many-accelerator Platforms

    Get PDF
    Technological advances of recent years laid the foundation consolidation of informatisationof society, impacting on economic, political, cultural and socialdimensions. At the peak of this realization, today, more and more everydaydevices are connected to the web, giving the term ”Internet of Things”. The futureholds the full connection and interaction of IT and communications systemsto the natural world, delimiting the transition to natural cyber systems and offeringmeta-services in the physical world, such as personalized medical care, autonomoustransportation, smart energy cities etc. . Outlining the necessities of this dynamicallyevolving market, computer engineers are required to implement computingplatforms that incorporate both increased systemic complexity and also cover awide range of meta-characteristics, such as the cost and design time, reliabilityand reuse, which are prescribed by a conflicting set of functional, technical andconstruction constraints. This thesis aims to address these design challenges bydeveloping methodologies and hardware/software co-design tools that enable therapid implementation and efficient synthesis of architectural solutions, which specifyoperating meta-features required by the modern market. Specifically, this thesispresents a) methodologies to accelerate the design flow for both reconfigurableand application-specific architectures, b) coarse-grain heterogeneous architecturaltemplates for processing and communication acceleration and c) efficient multiobjectivesynthesis techniques both at high abstraction level of programming andphysical silicon level.Regarding to the acceleration of the design flow, the proposed methodologyemploys virtual platforms in order to hide architectural details and drastically reducesimulation time. An extension of this framework introduces the systemicco-simulation using reconfigurable acceleration platforms as co-emulation intermediateplatforms. Thus, the development cycle of a hardware/software productis accelerated by moving from a vertical serial flow to a circular interactive loop.Moreover the simulation capabilities are enriched with efficient detection and correctiontechniques of design errors, as well as control methods of performancemetrics of the system according to the desired specifications, during all phasesof the system development. In orthogonal correlation with the aforementionedmethodological framework, a new architectural template is proposed, aiming atbridging the gap between design complexity and technological productivity usingspecialized hardware accelerators in heterogeneous systems-on-chip and networkon-chip platforms. It is presented a novel co-design methodology for the hardwareaccelerators and their respective programming software, including the tasks allocationto the available resources of the system/network. The introduced frameworkprovides implementation techniques for the accelerators, using either conventionalprogramming flows with hardware description language or abstract programmingmodel flows, using techniques from high-level synthesis. In any case, it is providedthe option of systemic measures optimization, such as the processing speed,the throughput, the reliability, the power consumption and the design silicon area.Finally, on addressing the increased complexity in design tools of reconfigurablesystems, there are proposed novel multi-objective optimization evolutionary algo-rithms which exploit the modern multicore processors and the coarse-grain natureof multithreaded programming environments (e.g. OpenMP) in order to reduce theplacement time, while by simultaneously grouping the applications based on theirintrinsic characteristics, the effectively explore the design space effectively.The efficiency of the proposed architectural templates, design tools and methodologyflows is evaluated in relation to the existing edge solutions with applicationsfrom typical computing domains, such as digital signal processing, multimedia andarithmetic complexity, as well as from systemic heterogeneous environments, suchas a computer vision system for autonomous robotic space navigation and manyacceleratorsystems for HPC and workstations/datacenters. The results strengthenthe belief of the author, that this thesis provides competitive expertise to addresscomplex modern - and projected future - design challenges.Οι τεχνολογικές εξελίξεις των τελευταίων ετών έθεσαν τα θεμέλια εδραίωσης της πληροφοριοποίησης της κοινωνίας, επιδρώντας σε οικονομικές,πολιτικές, πολιτιστικές και κοινωνικές διαστάσεις. Στο απόγειο αυτής τη ςπραγμάτωσης, σήμερα, ολοένα και περισσότερες καθημερινές συσκευές συνδέονται στο παγκόσμιο ιστό, αποδίδοντας τον όρο «Ίντερνετ των πραγμάτων».Το μέλλον επιφυλάσσει την πλήρη σύνδεση και αλληλεπίδραση των συστημάτων πληροφορικής και επικοινωνιών με τον φυσικό κόσμο, οριοθετώντας τη μετάβαση στα συστήματα φυσικού κυβερνοχώρου και προσφέροντας μεταυπηρεσίες στον φυσικό κόσμο όπως προσωποποιημένη ιατρική περίθαλψη, αυτόνομες μετακινήσεις, έξυπνες ενεργειακά πόλεις κ.α. . Σκιαγραφώντας τις ανάγκες αυτής της δυναμικά εξελισσόμενης αγοράς, οι μηχανικοί υπολογιστών καλούνται να υλοποιήσουν υπολογιστικές πλατφόρμες που αφενός ενσωματώνουν αυξημένη συστημική πολυπλοκότητα και αφετέρου καλύπτουν ένα ευρύ φάσμα μεταχαρακτηριστικών, όπως λ.χ. το κόστος σχεδιασμού, ο χρόνος σχεδιασμού, η αξιοπιστία και η επαναχρησιμοποίηση, τα οποία προδιαγράφονται από ένα αντικρουόμενο σύνολο λειτουργικών, τεχνολογικών και κατασκευαστικών περιορισμών. Η παρούσα διατριβή στοχεύει στην αντιμετώπιση των παραπάνω σχεδιαστικών προκλήσεων, μέσω της ανάπτυξης μεθοδολογιών και εργαλείων συνσχεδίασης υλικού/λογισμικού που επιτρέπουν την ταχεία υλοποίηση καθώς και την αποδοτική σύνθεση αρχιτεκτονικών λύσεων, οι οποίες προδιαγράφουν τα μετα-χαρακτηριστικά λειτουργίας που απαιτεί η σύγχρονη αγορά. Συγκεκριμένα, στα πλαίσια αυτής της διατριβής, παρουσιάζονται α) μεθοδολογίες επιτάχυνσης της ροής σχεδιασμού τόσο για επαναδιαμορφούμενες όσο και για εξειδικευμένες αρχιτεκτονικές, β) ετερογενή αδρομερή αρχιτεκτονικά πρότυπα επιτάχυνσης επεξεργασίας και επικοινωνίας και γ) αποδοτικές τεχνικές πολυκριτηριακής σύνθεσης τόσο σε υψηλό αφαιρετικό επίπεδο προγραμματισμού,όσο και σε φυσικό επίπεδο πυριτίου.Αναφορικά προς την επιτάχυνση της ροής σχεδιασμού, προτείνεται μια μεθοδολογία που χρησιμοποιεί εικονικές πλατφόρμες, οι οποίες αφαιρώντας τις αρχιτεκτονικές λεπτομέρειες καταφέρνουν να μειώσουν σημαντικά το χρόνο εξομοίωσης. Παράλληλα, εισηγείται η συστημική συν-εξομοίωση με τη χρήση επαναδιαμορφούμενων πλατφορμών, ως μέσων επιτάχυνσης. Με αυτόν τον τρόπο, ο κύκλος ανάπτυξης ενός προϊόντος υλικού, μετατεθειμένος από την κάθετη σειριακή ροή σε έναν κυκλικό αλληλεπιδραστικό βρόγχο, καθίσταται ταχύτερος, ενώ οι δυνατότητες προσομοίωσης εμπλουτίζονται με αποδοτικότερες μεθόδους εντοπισμού και διόρθωσης σχεδιαστικών σφαλμάτων, καθώς και μεθόδους ελέγχου των μετρικών απόδοσης του συστήματος σε σχέση με τις επιθυμητές προδιαγραφές, σε όλες τις φάσεις ανάπτυξης του συστήματος. Σε ορθογώνια συνάφεια με το προαναφερθέν μεθοδολογικό πλαίσιο, προτείνονται νέα αρχιτεκτονικά πρότυπα που στοχεύουν στη γεφύρωση του χάσματος μεταξύ της σχεδιαστικής πολυπλοκότητας και της τεχνολογικής παραγωγικότητας, με τη χρήση συστημάτων εξειδικευμένων επιταχυντών υλικού σε ετερογενή συστήματα-σε-ψηφίδα καθώς και δίκτυα-σε-ψηφίδα. Παρουσιάζεται κατάλληλη μεθοδολογία συν-σχεδίασης των επιταχυντών υλικού και του λογισμικού προκειμένου να αποφασισθεί η κατανομή των εργασιών στους διαθέσιμους πόρους του συστήματος/δικτύου. Το μεθοδολογικό πλαίσιο προβλέπει την υλοποίηση των επιταχυντών είτε με συμβατικές μεθόδους προγραμματισμού σε γλώσσα περιγραφής υλικού είτε με αφαιρετικό προγραμματιστικό μοντέλο με τη χρήση τεχνικών υψηλού επιπέδου σύνθεσης. Σε κάθε περίπτωση, δίδεται η δυνατότητα στο σχεδιαστή για βελτιστοποίηση συστημικών μετρικών, όπως η ταχύτητα επεξεργασίας, η ρυθμαπόδοση, η αξιοπιστία, η κατανάλωση ενέργειας και η επιφάνεια πυριτίου του σχεδιασμού. Τέλος, προκειμένου να αντιμετωπισθεί η αυξημένη πολυπλοκότητα στα σχεδιαστικά εργαλεία επαναδιαμορφούμενων συστημάτων, προτείνονται νέοι εξελικτικοί αλγόριθμοι πολυκριτηριακής βελτιστοποίησης, οι οποίοι εκμεταλλευόμενοι τους σύγχρονους πολυπύρηνους επεξεργαστές και την αδρομερή φύση των πολυνηματικών περιβαλλόντων προγραμματισμού (π.χ. OpenMP), μειώνουν το χρόνο επίλυσης του προβλήματος της τοποθέτησης των λογικών πόρων σε φυσικούς,ενώ ταυτόχρονα, ομαδοποιώντας τις εφαρμογές βάση των εγγενών χαρακτηριστικών τους, διερευνούν αποτελεσματικότερα το χώρο σχεδίασης.Η αποδοτικότητά των προτεινόμενων αρχιτεκτονικών προτύπων και μεθοδολογιών επαληθεύτηκε σε σχέση με τις υφιστάμενες λύσεις αιχμής τόσο σε αυτοτελής εφαρμογές, όπως η ψηφιακή επεξεργασία σήματος, τα πολυμέσα και τα προβλήματα αριθμητικής πολυπλοκότητας, καθώς και σε συστημικά ετερογενή περιβάλλοντα, όπως ένα σύστημα όρασης υπολογιστών για αυτόνομα διαστημικά ρομποτικά οχήματα και ένα σύστημα πολλαπλών επιταχυντών υλικού για σταθμούς εργασίας και κέντρα δεδομένων, στοχεύοντας εφαρμογές υψηλής υπολογιστικής απόδοσης (HPC). Τα αποτελέσματα ενισχύουν την πεποίθηση του γράφοντα, ότι η παρούσα διατριβή παρέχει ανταγωνιστική τεχνογνωσία για την αντιμετώπιση των πολύπλοκων σύγχρονων και προβλεπόμενα μελλοντικών σχεδιαστικών προκλήσεων

    Memory Subsystem Optimization Techniques for Modern High-Performance General-Purpose Processors

    Get PDF
    abstract: General-purpose processors propel the advances and innovations that are the subject of humanity’s many endeavors. Catering to this demand, chip-multiprocessors (CMPs) and general-purpose graphics processing units (GPGPUs) have seen many high-performance innovations in their architectures. With these advances, the memory subsystem has become the performance- and energy-limiting aspect of CMPs and GPGPUs alike. This dissertation identifies and mitigates the key performance and energy-efficiency bottlenecks in the memory subsystem of general-purpose processors via novel, practical, microarchitecture and system-architecture solutions. Addressing the important Last Level Cache (LLC) management problem in CMPs, I observe that LLC management decisions made in isolation, as in prior proposals, often lead to sub-optimal system performance. I demonstrate that in order to maximize system performance, it is essential to manage the LLCs while being cognizant of its interaction with the system main memory. I propose ReMAP, which reduces the net memory access cost by evicting cache lines that either have no reuse, or have low memory access cost. ReMAP improves the performance of the CMP system by as much as 13%, and by an average of 6.5%. Rather than the LLC, the L1 data cache has a pronounced impact on GPGPU performance by acting as the bandwidth filter for the rest of the memory subsystem. Prior work has shown that the severely constrained data cache capacity in GPGPUs leads to sub-optimal performance. In this thesis, I propose two novel techniques that address the GPGPU data cache capacity problem. I propose ID-Cache that performs effective cache bypassing and cache line size selection to improve cache capacity utilization. Next, I propose LATTE-CC that considers the GPU’s latency tolerance feature and adaptively compresses the data stored in the data cache, thereby increasing its effective capacity. ID-Cache and LATTE-CC are shown to achieve 71% and 19.2% speedup, respectively, over a wide variety of GPGPU applications. Complementing the aforementioned microarchitecture techniques, I identify the need for system architecture innovations to sustain performance scalability of GPG- PUs in the face of slowing Moore’s Law. I propose a novel GPU architecture called the Multi-Chip-Module GPU (MCM-GPU) that integrates multiple GPU modules to form a single logical GPU. With intelligent memory subsystem optimizations tailored for MCM-GPUs, it can achieve within 7% of the performance of a similar but hypothetical monolithic die GPU. Taking a step further, I present an in-depth study of the energy-efficiency characteristics of future MCM-GPUs. I demonstrate that the inherent non-uniform memory access side-effects form the key energy-efficiency bottleneck in the future. In summary, this thesis offers key insights into the performance and energy-efficiency bottlenecks in CMPs and GPGPUs, which can guide future architects towards developing high-performance and energy-efficient general-purpose processors.Dissertation/ThesisDoctoral Dissertation Computer Science 201
    corecore