Runtime-guided mitigation of manufacturing variability in power-constrained multi-socket NUMA nodes

This work has been supported by the Spanish Government (Severo Ochoa grants SEV2015-0493, SEV-2011-00067), by the Spanish Ministry of Science and Innovation (contracts TIN2015-65316-P), by Generalitat de Catalunya (contracts 2014-SGR-1051 and 2014-SGR-1272), by the RoMoL ERC Advanced Grant (GA 321253) and the European HiPEAC Network of Excellence. M. Moretó has been partially supported by the Ministry of Economy and Competitiveness under Juan de la Cierva postdoctoral fellowship number JCI-2012-15047. M. Casas is supported by the Secretary for Universities and Research of the Ministry of Economy and Knowledge of the Government of Catalonia and the Cofund programme of the Marie Curie Actions of the 7th R&D Framework Programme of the European Union (Contract 2013 BP B 00243). This work was also partially performed under the auspices of the U.S. Department of Energy by Lawrence Livermore National Laboratory under Contract DE-AC52-07NA27344 (LLNL-CONF-689878). Finally, the authors are grateful to the reviewers for their valuable comments, to the RoMoL team, to Xavier Teruel and Kallia Chronaki from the Programming Models group of BSC and the Computation Department of LLNL for their technical support and useful feedback.Peer ReviewedPostprint (published version

Architectural level delay and leakage power modelling of manufacturing process variation

PhD ThesisThe effect of manufacturing process variations has become a major issue regarding the estimation of circuit delay and power dissipation, and will gain more importance in the future as device scaling continues in order to satisfy market place demands for circuits with greater performance and functionality per unit area. Statistical modelling and analysis approaches have been widely used to reflect the effects of a variety of variational process parameters on system performance factor which will be described as probability density functions (PDFs). At present most of the investigations into statistical models has been limited to small circuits such as a logic gate. However, the massive size of present day electronic systems precludes the use of design techniques which consider a system to comprise these basic gates, as this level of design is very inefficient and error prone. This thesis proposes a methodology to bring the effects of process variation from transistor level up to architectural level in terms of circuit delay and leakage power dissipation. Using a first order canonical model and statistical analysis approach, a statistical cell library has been built which comprises not only the basic gate cell models, but also more complex functional blocks such as registers, FIFOs, counters, ALUs etc. Furthermore, other sensitive factors to the overall system performance, such as input signal slope, output load capacitance, different signal switching cases and transition types are also taken into account for each cell in the library, which makes it adaptive to an incremental circuit design. The proposed methodology enables an efficient analysis of process variation effects on system performance with significantly reduced computation time compared to the Monte Carlo simulation approach. As a demonstration vehicle for this technique, the delay and leakage power distributions of a 2-stage asynchronous micropipeline circuit has been simulated using this cell library. The experimental results show that the proposed method can predict the delay and leakage power distribution with less than 5% error and at least 50,000 times faster computation time compare to 5000-sample SPICE based Monte Carlo simulation. The methodology presented here for modelling process variability plays a significant role in Design for Manufacturability (DFM) by quantifying the direct impact of process variations on system performance. The advantages of being able to undertake this analysis at a high level of abstraction and thus early in the design cycle are two fold. First, if the predicted effects of process variation render the circuit performance to be outwith specification, design modifications can be readily incorporated to rectify the situation. Second, knowing what the acceptable limits of process variation are to maintain design performance within its specification, informed choices can be made regarding the implementation technology and manufacturer selected to fabricate the design

Voltage drop tolerance by adaptive voltage scaling using clock-data compensation

Proyecto de Graduación (Maestría en Ingeniería en Electrónica) Instituto Tecnológico de Costa Rica, Escuela de Ingeniería Electrónica, 2019.El ruido de alta frecuencia en la red de alimentación compromete el rendimiento y la eficiencia energética de los sistemas electrónicos con microprocesadores, restringiendo la frecuencia máxima de operación de los sistemas y disminuyendo la confiabilidad de los dispositivos. La frecuencia máxima será determinada por la ruta de datos más crítica (la ruta de datos más lenta). De esta manera, es necesario configurar una banda de guarda para tolerar caídas de voltaje sin tener ningún problema de ejecución, pero sacrificando el rendimiento eléctrico. Este trabajo evalúa el impacto de la caída de voltaje en el rendimiento de los circuitos CMOS de alta densidad, estableciendo un conjunto de casos de prueba que contienen diferentes configuraciones de circuitos. Se desarrolló una técnica adaptable y escalable para mejorar la tolerancia a la caída de voltaje en los circuitos CMOS a través del escalado adaptativo, aprovechando el efecto de compensación de datos del reloj. La solución propuesta se validó aplicándola a diferentes casos de prueba en una tecnología FinFet-CMOS a nivel de simulación del diseño físico.High-frequency power supply noise compromises performance and energy efficiency of microprocessor-based products, restricting the maximum frequency of operation for electronic systems and decreasing device reliability. The maximum frequency is going to be determine by the most critical data path (the slowest data path). In this way, a guard band needs to be set in order to tolerate voltage drops without having any execution problem, but leading to a performance reduction. This work evaluates the impact of voltage drop in the performance of CMOS circuits by establishing a set of test cases containing different circuit configurations. An adaptive and scalable technique is proposed to enhance voltage drop tolerance in CMOS circuits through adaptive scaling, taking advantage of the clock-data compensation effect. The proposed solution is validated by applying it to different test cases in a FinFet CMOS technology at a post-layout simulation level

Towards resource-aware computing for task-based runtimes and parallel architectures

Current large scale systems show increasing power demands, to the point that it has become a huge strain on facilities and budgets. The increasing restrictions in terms of power consumption of High Performance Computing (HPC) systems and data centers have forced hardware vendors to include power capping capabilities in their commodity processors. Power capping opens up new opportunities for applications to directly manage their power behavior at user level. However, constraining power consumption causes the individual sockets of a parallel system to deliver different performance levels under the same power cap, even when they are equally designed, which is an effect caused by manufacturing variability. Modern chips suffer from heterogeneous power consumption due to manufacturing issues, a problem known as manufacturing or process variability. As a result, systems that do not consider such variability caused by manufacturing issues lead to performance degradations and wasted power. In order to avoid such negative impact, users and system administrators must actively counteract any manufacturing variability. In this thesis we show that parallel systems benefit from taking into account the consequences of manufacturing variability, in terms of both performance and energy efficiency. In order to evaluate our work we have also implemented our own task-based version of the PARSEC benchmark suite. This allows to test our methodology using state-of-the-art parallelization techniques and real world workloads. We present two approaches to mitigate manufacturing variability, by power redistribution at runtime level and by power- and variability-aware job scheduling at system-wide level. A parallel runtime system can be used to effectively deal with this new kind of performance heterogeneity by compensating the uneven effects of power capping. In the context of a NUMA node composed of several multi core sockets, our system is able to optimize the energy and concurrency levels assigned to each socket to maximize performance. Applied transparently within the parallel runtime system, it does not require any programmer interaction like changing the application source code or manually reconfiguring the parallel system. We compare our novel runtime analysis with an offline approach and demonstrate that it can achieve equal performance at a fraction of the cost. The next approach presented in this theis, we show that it is possible to predict the impact of this variability on specific applications by using variability-aware power prediction models. Based on these power models, we propose two job scheduling policies that consider the effects of manufacturing variability for each application and that ensures that power consumption stays under a system wide power budget. We evaluate our policies under different power budgets and traffic scenarios, consisting of both single- and multi-node parallel applications.Los sistemas modernos de gran escala muestran crecientes demandas de energía, hasta el punto de que se ha convertido en una gran presión para las instalaciones y los presupuestos. Las restricciones crecientes de consumo de energía de los sistemas de alto rendimiento (HPC) y los centros de datos han obligado a los proveedores de hardware a incluir capacidades de limitación de energía en sus procesadores. La limitación de energía abre nuevas oportunidades para que las aplicaciones administren directamente su comportamiento de energía a nivel de usuario. Sin embargo, la restricción en el consumo de energía de sockets individuales de un sistema paralelo resulta en diferentes niveles de rendimiento, por el mismo límite de potencia, incluso cuando están diseñados por igual. Esto es un efecto causado durante el proceso de la fabricación. Los chips modernos sufren de un consumo de energía heterogéneo debido a problemas de fabricación, un problema conocido como variabilidad del proceso o fabricación. Como resultado, los sistemas que no consideran este tipo de variabilidad causada por problemas de fabricación conducen a degradaciones del rendimiento y desperdicio de energía. Para evitar dicho impacto negativo, los usuarios y administradores del sistema deben contrarrestar activamente cualquier variabilidad de fabricación. En esta tesis, demostramos que los sistemas paralelos se benefician de tener en cuenta las consecuencias de la variabilidad de la fabricación, tanto en términos de rendimiento como de eficiencia energética. Para evaluar nuestro trabajo, también hemos implementado nuestra propia versión del paquete de aplicaciones de prueba PARSEC, basada en tareas paralelos. Esto permite probar nuestra metodología utilizando técnicas avanzadas de paralelización con cargas de trabajo del mundo real. Presentamos dos enfoques para mitigar la variabilidad de fabricación, mediante la redistribución de la energía a durante la ejecución de las aplicaciones y mediante la programación de trabajos a nivel de todo el sistema. Se puede utilizar un sistema runtime paralelo para tratar con eficacia este nuevo tipo de heterogeneidad de rendimiento, compensando los efectos desiguales de la limitación de potencia. En el contexto de un nodo NUMA compuesto de varios sockets y núcleos, nuestro sistema puede optimizar los niveles de energía y concurrencia asignados a cada socket para maximizar el rendimiento. Aplicado de manera transparente dentro del sistema runtime paralelo, no requiere ninguna interacción del programador como cambiar el código fuente de la aplicación o reconfigurar manualmente el sistema paralelo. Comparamos nuestro novedoso análisis de runtime con los resultados óptimos, obtenidos de una análisis manual exhaustiva, y demostramos que puede lograr el mismo rendimiento a una fracción del costo. El siguiente enfoque presentado en esta tesis, muestra que es posible predecir el impacto de la variabilidad de fabricación en aplicaciones específicas mediante el uso de modelos de predicción de potencia conscientes de la variabilidad. Basados ​​en estos modelos de predicción de energía, proponemos dos políticas de programación de trabajos que consideran los efectos de la variabilidad de fabricación para cada aplicación y que aseguran que el consumo se mantiene bajo un presupuesto de energía de todo el sistema. Evaluamos nuestras políticas con diferentes presupuestos de energía y escenarios de tráfico, que consisten en aplicaciones paralelas que corren en uno o varios nodos.Postprint (published version

Towards resource-aware computing for task-based runtimes and parallel architectures

Current large scale systems show increasing power demands, to the point that it has become a huge strain on facilities and budgets. The increasing restrictions in terms of power consumption of High Performance Computing (HPC) systems and data centers have forced hardware vendors to include power capping capabilities in their commodity processors. Power capping opens up new opportunities for applications to directly manage their power behavior at user level. However, constraining power consumption causes the individual sockets of a parallel system to deliver different performance levels under the same power cap, even when they are equally designed, which is an effect caused by manufacturing variability. Modern chips suffer from heterogeneous power consumption due to manufacturing issues, a problem known as manufacturing or process variability. As a result, systems that do not consider such variability caused by manufacturing issues lead to performance degradations and wasted power. In order to avoid such negative impact, users and system administrators must actively counteract any manufacturing variability. In this thesis we show that parallel systems benefit from taking into account the consequences of manufacturing variability, in terms of both performance and energy efficiency. In order to evaluate our work we have also implemented our own task-based version of the PARSEC benchmark suite. This allows to test our methodology using state-of-the-art parallelization techniques and real world workloads. We present two approaches to mitigate manufacturing variability, by power redistribution at runtime level and by power- and variability-aware job scheduling at system-wide level. A parallel runtime system can be used to effectively deal with this new kind of performance heterogeneity by compensating the uneven effects of power capping. In the context of a NUMA node composed of several multi core sockets, our system is able to optimize the energy and concurrency levels assigned to each socket to maximize performance. Applied transparently within the parallel runtime system, it does not require any programmer interaction like changing the application source code or manually reconfiguring the parallel system. We compare our novel runtime analysis with an offline approach and demonstrate that it can achieve equal performance at a fraction of the cost. The next approach presented in this theis, we show that it is possible to predict the impact of this variability on specific applications by using variability-aware power prediction models. Based on these power models, we propose two job scheduling policies that consider the effects of manufacturing variability for each application and that ensures that power consumption stays under a system wide power budget. We evaluate our policies under different power budgets and traffic scenarios, consisting of both single- and multi-node parallel applications.Los sistemas modernos de gran escala muestran crecientes demandas de energía, hasta el punto de que se ha convertido en una gran presión para las instalaciones y los presupuestos. Las restricciones crecientes de consumo de energía de los sistemas de alto rendimiento (HPC) y los centros de datos han obligado a los proveedores de hardware a incluir capacidades de limitación de energía en sus procesadores. La limitación de energía abre nuevas oportunidades para que las aplicaciones administren directamente su comportamiento de energía a nivel de usuario. Sin embargo, la restricción en el consumo de energía de sockets individuales de un sistema paralelo resulta en diferentes niveles de rendimiento, por el mismo límite de potencia, incluso cuando están diseñados por igual. Esto es un efecto causado durante el proceso de la fabricación. Los chips modernos sufren de un consumo de energía heterogéneo debido a problemas de fabricación, un problema conocido como variabilidad del proceso o fabricación. Como resultado, los sistemas que no consideran este tipo de variabilidad causada por problemas de fabricación conducen a degradaciones del rendimiento y desperdicio de energía. Para evitar dicho impacto negativo, los usuarios y administradores del sistema deben contrarrestar activamente cualquier variabilidad de fabricación. En esta tesis, demostramos que los sistemas paralelos se benefician de tener en cuenta las consecuencias de la variabilidad de la fabricación, tanto en términos de rendimiento como de eficiencia energética. Para evaluar nuestro trabajo, también hemos implementado nuestra propia versión del paquete de aplicaciones de prueba PARSEC, basada en tareas paralelos. Esto permite probar nuestra metodología utilizando técnicas avanzadas de paralelización con cargas de trabajo del mundo real. Presentamos dos enfoques para mitigar la variabilidad de fabricación, mediante la redistribución de la energía a durante la ejecución de las aplicaciones y mediante la programación de trabajos a nivel de todo el sistema. Se puede utilizar un sistema runtime paralelo para tratar con eficacia este nuevo tipo de heterogeneidad de rendimiento, compensando los efectos desiguales de la limitación de potencia. En el contexto de un nodo NUMA compuesto de varios sockets y núcleos, nuestro sistema puede optimizar los niveles de energía y concurrencia asignados a cada socket para maximizar el rendimiento. Aplicado de manera transparente dentro del sistema runtime paralelo, no requiere ninguna interacción del programador como cambiar el código fuente de la aplicación o reconfigurar manualmente el sistema paralelo. Comparamos nuestro novedoso análisis de runtime con los resultados óptimos, obtenidos de una análisis manual exhaustiva, y demostramos que puede lograr el mismo rendimiento a una fracción del costo. El siguiente enfoque presentado en esta tesis, muestra que es posible predecir el impacto de la variabilidad de fabricación en aplicaciones específicas mediante el uso de modelos de predicción de potencia conscientes de la variabilidad. Basados ​​en estos modelos de predicción de energía, proponemos dos políticas de programación de trabajos que consideran los efectos de la variabilidad de fabricación para cada aplicación y que aseguran que el consumo se mantiene bajo un presupuesto de energía de todo el sistema. Evaluamos nuestras políticas con diferentes presupuestos de energía y escenarios de tráfico, que consisten en aplicaciones paralelas que corren en uno o varios nodos