Architecture Design Space Exploration for Streaming Applications Through Timing Analysis

In this paper we compare the maximum achievable throughput of different memory organisations of the processing elements that constitute a multiprocessor system on chip. This is done by modelling the mapping of a task with input and output channels on a processing element as a homogeneous synchronous dataflow graph, and use maximum cycle mean analysis to derive the throughput. In a HiperLAN2 case study we show how these techniques can be used to derive the required clock frequency and communication latencies in order to meet the application's throughput requirement on a multiprocessor system on chip that has one of the investigated memory organisations

The Minimum Backlog Problem

We study the minimum backlog problem (MBP). This online problem arises, e.g., in the context of sensor networks. We focus on two main variants of MBP. The discrete MBP is a 2-person game played on a graph $G=(V,E)$. The player is initially located at a vertex of the graph. In each time step, the adversary pours a total of one unit of water into cups that are located on the vertices of the graph, arbitrarily distributing the water among the cups. The player then moves from her current vertex to an adjacent vertex and empties the cup at that vertex. The player's objective is to minimize the backlog, i.e., the maximum amount of water in any cup at any time. The geometric MBP is a continuous-time version of the MBP: the cups are points in the two-dimensional plane, the adversary pours water continuously at a constant rate, and the player moves in the plane with unit speed. Again, the player's objective is to minimize the backlog. We show that the competitive ratio of any algorithm for the MBP has a lower bound of $\Omega(D)$, where $D$ is the diameter of the graph (for the discrete MBP) or the diameter of the point set (for the geometric MBP). Therefore we focus on determining a strategy for the player that guarantees a uniform upper bound on the absolute value of the backlog. For the absolute value of the backlog there is a trivial lower bound of $\Omega(D)$, and the deamortization analysis of Dietz and Sleator gives an upper bound of $O(D\log N)$ for $N$ cups. Our main result is a tight upper bound for the geometric MBP: we show that there is a strategy for the player that guarantees a backlog of $O(D)$, independently of the number of cups.Comment: 1+16 pages, 3 figure

Complexity of Scheduling in Synthesizing Hardware from Concurrent Action Oriented Specifications

Concurrent Action Oriented Specifications (CAOS) formalism such as Bluespec Inc.\u27s Bluespec System Verilog (BSV) has been recently shown to be effective for hardware modeling and synthesis. This formalism offers the benefits of automatic handling of concurrency issues in highly concurrent system descriptions, and the associated synthesis algorithms have been shown to produce efficient hardware comparable to those generated from hand-written Verilog/VHDL. These benefits which are inherent in such a synthesis process also aid in faster architectural exploration. This is because CAOS allows a high-level description (above RTL) of a design in terms of atomic transactions, where each transaction corresponds to a collection of operations. Optimal scheduling of such actions in CAOS-based synthesis process is crucial in order to generate hardware that is efficient in terms of area, latency and power. In this paper, we analyze the complexity of the scheduling problems associated with CAOS-based synthesis and discuss several heuristics for meeting the peak power goals of designs generated from CAOS. We also discuss approximability of these problems as appropriate

An accurate analysis for guaranteed performance of multiprocessor streaming applications

Already for more than a decade, consumer electronic devices have been available for entertainment, educational, or telecommunication tasks based on multimedia streaming applications, i.e., applications that process streams of audio and video samples in digital form. Multimedia capabilities are expected to become more and more commonplace in portable devices. This leads to challenges with respect to cost efficiency and quality. This thesis contributes models and analysis techniques for improving the cost efficiency, and therefore also the quality, of multimedia devices. Portable consumer electronic devices should feature flexible functionality on the one hand and low power consumption on the other hand. Those two requirements are conflicting. Therefore, we focus on a class of hardware that represents a good trade-off between those two requirements, namely on domain-specific multiprocessor systems-on-chip (MP-SoC). Our research work contributes to dynamic (i.e., run-time) optimization of MP-SoC system metrics. The central question in this area is how to ensure that real-time constraints are satisfied and the metric of interest such as perceived multimedia quality or power consumption is optimized. In these cases, we speak of quality-of-service (QoS) and power management, respectively. In this thesis, we pursue real-time constraint satisfaction that is guaranteed by the system by construction and proven mainly based on analytical reasoning. That approach is often taken in real-time systems to ensure reliable performance. Therefore the performance analysis has to be conservative, i.e. it has to use pessimistic assumptions on the unknown conditions that can negatively influence the system performance. We adopt this hypothesis as the foundation of this work. Therefore, the subject of this thesis is the analysis of guaranteed performance for multimedia applications running on multiprocessors. It is very important to note that our conservative approach is essentially different from considering only the worst-case state of the system. Unlike the worst-case approach, our approach is dynamic, i.e. it makes use of run-time characteristics of the input data and the environment of the application. The main purpose of our performance analysis method is to guide the run-time optimization. Typically, a resource or quality manager predicts the execution time, i.e., the time it takes the system to process a certain number of input data samples. When the execution times get smaller, due to dependency of the execution time on the input data, the manager can switch the control parameter for the metric of interest such that the metric improves but the system gets slower. For power optimization, that means switching to a low-power mode. If execution times grow, the manager can set parameters so that the system gets faster. For QoS management, for example, the application can be switched to a different quality mode with some degradation in perceived quality. The real-time constraints are then never violated and the metrics of interest are kept as good as possible. Unfortunately, maintaining system metrics such as power and quality at the optimal level contradicts with our main requirement, i.e., providing performance guarantees, because for this one has to give up some quality or power consumption. Therefore, the performance analysis approach developed in this thesis is not only conservative, but also accurate, so that the optimization of the metric of interest does not suffer too much from conservativity. This is not trivial to realize when two factors are combined: parallel execution on multiple processors and dynamic variation of the data-dependent execution delays. We achieve the goal of conservative and accurate performance estimation for an important class of multiprocessor platforms and multimedia applications. Our performance analysis technique is realizable in practice in QoS or power management setups. We consider a generic MP-SoC platform that runs a dynamic set of applications, each application possibly using multiple processors. We assume that the applications are independent, although it is possible to relax this requirement in the future. To support real-time constraints, we require that the platform can provide guaranteed computation, communication and memory budgets for applications. Following important trends in system-on-chip communication, we support both global buses and networks-on-chip. We represent every application as a homogeneous synchronous dataflow (HSDF) graph, where the application tasks are modeled as graph nodes, called actors. We allow dynamic datadependent actor execution delays, which makes HSDF graphs very useful to express modern streaming applications. Our reason to consider HSDF graphs is that they provide a good basic foundation for analytical performance estimation. In this setup, this thesis provides three major contributions: 1. Given an application mapped to an MP-SoC platform, given the performance guarantees for the individual computation units (the processors) and the communication unit (the network-on-chip), and given constant actor execution delays, we derive the throughput and the execution time of the system as a whole. 2. Given a mapped application and platform performance guarantees as in the previous item, we extend our approach for constant actor execution delays to dynamic datadependent actor delays. 3. We propose a global implementation trajectory that starts from the application specification and goes through design-time and run-time phases. It uses an extension of the HSDF model of computation to reflect the design decisions made along the trajectory. We present our model and trajectory not only to put the first two contributions into the right context, but also to present our vision on different parts of the trajectory, to make a complete and consistent story. Our first contribution uses the idea of so-called IPC (inter-processor communication) graphs known from the literature, whereby a single model of computation (i.e., HSDF graphs) are used to model not only the computation units, but also the communication unit (the global bus or the network-on-chip) and the FIFO (first-in-first-out) buffers that form a ‘glue’ between the computation and communication units. We were the first to propose HSDF graph structures for modeling bounded FIFO buffers and guaranteed throughput network connections for the network-on-chip communication in MP-SoCs. As a result, our HSDF models enable the formalization of the on-chip FIFO buffer capacity minimization problem under a throughput constraint as a graph-theoretic problem. Using HSDF graphs to formalize that problem helps to find the performance bottlenecks in a given solution to this problem and to improve this solution. To demonstrate this, we use the JPEG decoder application case study. Also, we show that, assuming constant – worst-case for the given JPEG image – actor delays, we can predict execution times of JPEG decoding on two processors with an accuracy of 21%. Our second contribution is based on an extension of the scenario approach. This approach is based on the observation that the dynamic behavior of an application is typically composed of a limited number of sub-behaviors, i.e., scenarios, that have similar resource requirements, i.e., similar actor execution delays in the context of this thesis. The previous work on scenarios treats only single-processor applications or multiprocessor applications that do not exploit all the flexibility of the HSDF model of computation. We develop new scenario-based techniques in the context of HSDF graphs, to derive the timing overlap between different scenarios, which is very important to achieve good accuracy for general HSDF graphs executing on multiprocessors. We exploit this idea in an application case study – the MPEG-4 arbitrarily-shaped video decoder, and demonstrate execution time prediction with an average accuracy of 11%. To the best of our knowledge, for the given setup, no other existing performance technique can provide a comparable accuracy and at the same time performance guarantees

Energy Saving Techniques for Phase Change Memory (PCM)

In recent years, the energy consumption of computing systems has increased and a large fraction of this energy is consumed in main memory. Towards this, researchers have proposed use of non-volatile memory, such as phase change memory (PCM), which has low read latency and power; and nearly zero leakage power. However, the write latency and power of PCM are very high and this, along with limited write endurance of PCM present significant challenges in enabling wide-spread adoption of PCM. To address this, several architecture-level techniques have been proposed. In this report, we review several techniques to manage power consumption of PCM. We also classify these techniques based on their characteristics to provide insights into them. The aim of this work is encourage researchers to propose even better techniques for improving energy efficiency of PCM based main memory.Comment: Survey, phase change RAM (PCRAM

C-MOS array design techniques: SUMC multiprocessor system study

The current capabilities of LSI techniques for speed and reliability, plus the possibilities of assembling large configurations of LSI logic and storage elements, have demanded the study of multiprocessors and multiprocessing techniques, problems, and potentialities. Evaluated are three previous systems studies for a space ultrareliable modular computer multiprocessing system, and a new multiprocessing system is proposed that is flexibly configured with up to four central processors, four 1/0 processors, and 16 main memory units, plus auxiliary memory and peripheral devices. This multiprocessor system features a multilevel interrupt, qualified S/360 compatibility for ground-based generation of programs, virtual memory management of a storage hierarchy through 1/0 processors, and multiport access to multiple and shared memory units

Computing reachable sets via barrier methods on SIMD architectures

Paper No. 1518, 20 pagesInternational audienceWe consider the problem of computing reachable sets of ODE-based control systems parallely on CUDA hardware. To this end, we modify an existing algorithm based on solving optimal control problems. The idea is to simplify the optimal control problems to pure feasibility problems instead of minimizing an objective function. We show that an interior point algorithm is well suited for solving the resulting feasibility problems and leads to a sequence of linear systems of equations with identical matrix layout. If the problem is defined properly, these matrices are sparse and can be transformed into a hierarchical lower arrow form which can be solved on CUDA hardware with sparse linear algebra and Cholesky's method. We demonstrate the performance of our new algorithm by computing the reachable sets of two test problems on a CPU implementation using several explicit and implicit Runge-Kutta methods of different order. The experiments reveal a significant speedup compared to the original optimal control algorithm

Predictable mapping of streaming applications on multiprocessors

Het ontwerp van nieuwe consumentenelektronica wordt voortdurend complexer omdat er steeds meer functionaliteit in deze apparaten ge¨integreerd wordt. Een voorspelbaar ontwerptraject is nodig om deze complexiteit te beheersen. Het resultaat van dit ontwerptraject zou een systeem moeten zijn, waarin iedere applicatie zijn eigen taken binnen een strikte tijdslimiet kan uitvoeren, onafhankelijk van andere applicaties die hetzelfde systeem gebruiken. Dit vereist dat het tijdsgedrag van de hardware, de software, evenals hun interactie kan worden voorspeld. Er wordt vaak voorgesteld om een heterogeen multi-processor systeem (MPSoC) te gebruiken in moderne elektronische systemen. Een MP-SoC heeft voor veel applicaties een goede verhouding tussen rekenkracht en energiegebruik. Onchip netwerken (NoCs) worden voorgesteld als interconnect in deze systemen. Een NoC is schaalbaar en het biedt garanties wat betreft de hoeveelheid tijd die er nodig is om gegevens te communiceren tussen verschillende processoren en geheugens. Door het NoC te combineren met een voorspelbare strategie om de processoren en geheugens te delen, ontstaat een hardware platform met een voorspelbaar tijdsgedrag. Om een voorspelbaar systeem te verkrijgen moet ook het tijdsgedrag van een applicatie die wordt uitgevoerd op het platform voorspelbaar en analyseerbaar zijn. Het Synchronous Dataflow (SDF) model is erg geschikt voor het modelleren van applicaties die werken met gegevensstromen. Het model kan vele ontwerpbeslissingen modelleren en het is mogelijk om tijdens het ontwerptraject het tijdsgedrag van het systeem te analyseren. Dit proefschrift probeert om applicaties die gemodelleerd zijn met SDF grafen op een zodanige manier af te beelden op een NoC-gebaseerd MP-SoC, dat garanties op het tijdsgedrag van individuele applicaties gegeven kunnen worden. De doorstroomsnelheid van een applicatie is vaak een van de belangrijkste eisen bij het ontwerpen van systemen voor applicaties die werken met gegevensstromen. Deze doorstroomsnelheid wordt in hoge mate be¨invloed door de beschikbare ruimte om resultaten (gegevens) op te slaan. De opslagruimte in een SDF graaf wordt gemodelleerd door de pijlen in de graaf. Het probleem is dat er een vaste grootte voor de opslagruimte aan de pijlen van een SDF graaf moet worden toegewezen. Deze grootte moet zodanig worden gekozen dat de vereiste doorstroomsnelheid van het systeem gehaald wordt, terwijl de benodigde opslagruimte geminimaliseerd wordt. De eerste belangrijkste bijdrage van dit proefschrift is een techniek om de minimale opslagruimte voor iedere mogelijke doorstroomsnelheid van een applicatie te vinden. Ondanks de theoretische complexiteit van dit probleem presteert de techniek in praktijk goed. Doordat de techniek alle mogelijke minimale combinaties van opslagruimte en doorstroomsnelheid vindt, is het mogelijk om met situaties om te gaan waarin nog niet alle ontwerpbeslissingen zijn genomen. De ontwerpbeslissingen om twee taken van een applicatie op ´e´en processor uit te voeren, zou bijvoorbeeld de doorstroomsnelheid kunnen be¨invloeden. Hierdoor is er een onzekerheid in het begin van het ontwerptraject tussen de berekende doorstroomsnelheid en de doorstroomsnelheid die daadwerkelijk gerealiseerd kan worden als alle ontwerpbeslissingen zijn genomen. Tijdens het ontwerptraject moeten de taken waaruit een applicatie is opgebouwd toegewezen worden aan de verschillende processoren en geheugens in het systeem. Indien meerdere taken een processor delen, moet ook de volgorde bepaald worden waarin deze taken worden uitgevoerd. Een belangrijke bijdrage van dit proefschrift is een techniek die deze toewijzing uitvoert en die de volgorde bepaalt waarin taken worden uitgevoerd. Bestaande technieken kunnen alleen omgaan met taken die een ´e´en-op-´e´en relatie met elkaar hebben, dat wil zeggen, taken die een gelijk aantal keren uitgevoerd worden. In een SDF graaf kunnen ook complexere relaties worden uitgedrukt. Deze relaties kunnen omgeschreven worden naar een ´e´en-op-´e´en relatie, maar dat kan leiden tot een exponenti¨ele groei van het aantal taken in de graaf. Hierdoor kan het onmogelijk worden om in een beperkte tijd alle taken aan de processoren toe te wijzen en om de volgorde te bepalen waarin deze taken worden uitgevoerd. De techniek die in dit proefschrift wordt gepresenteerd, kan omgaan met de complexe relaties tussen taken in een SDF graaf zonder de vertaling naar de ´e´en-op-´e´en relaties te maken. Dit is mogelijk dankzij een nieuwe, effici¨ente techniek om de doorstroomsnelheid van SDF grafen te bepalen. Nadat de taken van een applicatie toegewezen zijn aan de processoren in het hardware platform moet de communicatie tussen deze taken op het NoC gepland worden. In deze planning moet voor ieder bericht dat tussen de taken wordt verstuurd, worden bepaald welke route er gebruikt wordt en wanneer de communicatie gestart wordt. Dit proefschrift introduceert drie strategie¨en voor het versturen van berichten met een strikte tijdslimiet. Alle drie de strategie¨en maken maximaal gebruik van de beschikbare vrijheid die moderne NoCs bieden. Experimenten tonen aan dat deze strategie¨en hierdoor effici¨enter omgaan met de beschikbare hardware dan bestaande strategie¨en. Naast deze strategie¨en wordt er een techniek gepresenteerd om uit de ontwerpbeslissingen die gemaakt zijn tijdens het toewijzen van taken aan de processoren alle tijdslimieten af te leiden waarbinnen de berichten over het NoC gecommuniceerd moeten worden. Deze techniek koppelt de eerder genoemde techniek voor het toewijzen van taken aan processoren aan de drie strategie¨en om berichten te versturen over het NoC. Tenslotte worden de verschillende technieken die in dit proefschrift worden ge¨introduceerd gecombineerd tot een compleet ontwerptraject. Het startpunt is een SDF graaf die een applicatie modelleert en een NoC-gebaseerd MP-SoC platform met een voorspelbaar tijdsgedrag. Het doel van het ontwerptraject is het op een zodanige manier afbeelden van de applicatie op het platform dat de doorstroomsnelheid van de applicatie gegarandeerd kan worden. Daarnaast probeert het ontwerptraject de hoeveelheid hardware die gebruikt wordt te minimaliseren. Er wordt een experiment gepresenteerd waarin drie verschillende multimedia applicaties (H.263 encoder/decoder en een MP3 decoder) op een NoCgebaseerd MP-SoC worden afgebeeld. Dit experiment toont aan dat de technieken die in dit proefschrift worden voorgesteld, gebruikt kunnen worden voor het ontwerpen van systemen met een voorspelbaar tijdsgedrag. Hiermee is het voorgestelde ontwerptraject het eerste traject dat een met een SDF-gemodelleerde applicatie op een NoC-gebaseerd MP-SoC kan afbeelden, terwijl er garanties worden gegeven over de doorstroomsnelheid van de applicatie