Multi-core devices for safety-critical systems: a survey

Multi-core devices are envisioned to support the development of next-generation safety-critical systems, enabling the on-chip integration of functions of different criticality. This integration provides multiple system-level potential benefits such as cost, size, power, and weight reduction. However, safety certification becomes a challenge and several fundamental safety technical requirements must be addressed, such as temporal and spatial independence, reliability, and diagnostic coverage. This survey provides a categorization and overview at different device abstraction levels (nanoscale, component, and device) of selected key research contributions that support the compliance with these fundamental safety requirements.This work has been partially supported by the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness under grant TIN2015-65316-P, Basque Government under grant KK-2019-00035 and the HiPEAC Network of Excellence. The Spanish Ministry of Economy and Competitiveness has also partially supported Jaume Abella under Ramon y Cajal postdoctoral fellowship (RYC-2013-14717).Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Design Space Exploration and Resource Management of Multi/Many-Core Systems

The increasing demand of processing a higher number of applications and related data on computing platforms has resulted in reliance on multi-/many-core chips as they facilitate parallel processing. However, there is a desire for these platforms to be energy-efficient and reliable, and they need to perform secure computations for the interest of the whole community. This book provides perspectives on the aforementioned aspects from leading researchers in terms of state-of-the-art contributions and upcoming trends

A Survey of Fault-Tolerance Techniques for Embedded Systems from the Perspective of Power, Energy, and Thermal Issues

The relentless technology scaling has provided a significant increase in processor performance, but on the other hand, it has led to adverse impacts on system reliability. In particular, technology scaling increases the processor susceptibility to radiation-induced transient faults. Moreover, technology scaling with the discontinuation of Dennard scaling increases the power densities, thereby temperatures, on the chip. High temperature, in turn, accelerates transistor aging mechanisms, which may ultimately lead to permanent faults on the chip. To assure a reliable system operation, despite these potential reliability concerns, fault-tolerance techniques have emerged. Specifically, fault-tolerance techniques employ some kind of redundancies to satisfy specific reliability requirements. However, the integration of fault-tolerance techniques into real-time embedded systems complicates preserving timing constraints. As a remedy, many task mapping/scheduling policies have been proposed to consider the integration of fault-tolerance techniques and enforce both timing and reliability guarantees for real-time embedded systems. More advanced techniques aim additionally at minimizing power and energy while at the same time satisfying timing and reliability constraints. Recently, some scheduling techniques have started to tackle a new challenge, which is the temperature increase induced by employing fault-tolerance techniques. These emerging techniques aim at satisfying temperature constraints besides timing and reliability constraints. This paper provides an in-depth survey of the emerging research efforts that exploit fault-tolerance techniques while considering timing, power/energy, and temperature from the real-time embedded systems’ design perspective. In particular, the task mapping/scheduling policies for fault-tolerance real-time embedded systems are reviewed and classified according to their considered goals and constraints. Moreover, the employed fault-tolerance techniques, application models, and hardware models are considered as additional dimensions of the presented classification. Lastly, this survey gives deep insights into the main achievements and shortcomings of the existing approaches and highlights the most promising ones

Machine Learning for Resource-Constrained Computing Systems

Die verfügbaren Ressourcen in Informationsverarbeitungssystemen wie Prozessoren sind in der Regel eingeschränkt. Das umfasst z. B. die elektrische Leistungsaufnahme, den Energieverbrauch, die Wärmeabgabe oder die Chipfläche. Daher ist die Optimierung der Verwaltung der verfügbaren Ressourcen von größter Bedeutung, um Ziele wie maximale Performanz zu erreichen. Insbesondere die Ressourcenverwaltung auf der Systemebene hat über die (dynamische) Zuweisung von Anwendungen zu Prozessorkernen und über die Skalierung der Spannung und Frequenz (dynamic voltage and frequency scaling, DVFS) einen großen Einfluss auf die Performanz, die elektrische Leistung und die Temperatur während der Ausführung von Anwendungen. Die wichtigsten Herausforderungen bei der Ressourcenverwaltung sind die hohe Komplexität von Anwendungen und Plattformen, unvorhergesehene (zur Entwurfszeit nicht bekannte) Anwendungen oder Plattformkonfigurationen, proaktive Optimierung und die Minimierung des Laufzeit-Overheads. Bestehende Techniken, die auf einfachen Heuristiken oder analytischen Modellen basieren, gehen diese Herausforderungen nur unzureichend an. Aus diesem Grund ist der Hauptbeitrag dieser Dissertation der Einsatz maschinellen Lernens (ML) für Ressourcenverwaltung. ML-basierte Lösungen ermöglichen die Bewältigung dieser Herausforderungen durch die Vorhersage der Auswirkungen potenzieller Entscheidungen in der Ressourcenverwaltung, durch Schätzung verborgener (unbeobachtbarer) Eigenschaften von Anwendungen oder durch direktes Lernen einer Ressourcenverwaltungs-Strategie. Diese Dissertation entwickelt mehrere neuartige ML-basierte Ressourcenverwaltung-Techniken für verschiedene Plattformen, Ziele und Randbedingungen. Zunächst wird eine auf Vorhersagen basierende Technik zur Maximierung der Performanz von Mehrkernprozessoren mit verteiltem Last-Level Cache und limitierter Maximaltemperatur vorgestellt. Diese verwendet ein neuronales Netzwerk (NN) zur Vorhersage der Auswirkungen potenzieller Migrationen von Anwendungen zwischen Prozessorkernen auf die Performanz. Diese Vorhersagen erlauben die Bestimmung der bestmöglichen Migration und ermöglichen eine proaktive Verwaltung. Das NN ist so trainiert, dass es mit unbekannten Anwendungen und verschiedenen Temperaturlimits zurechtkommt. Zweitens wird ein Boosting-Verfahren zur Maximierung der Performanz homogener Mehrkernprozessoren mit limitierter Maximaltemperatur mithilfe von DVFS vorgestellt. Dieses basiert auf einer neuartigen {Boostability}-Metrik, die die Abhängigkeiten von Performanz, elektrischer Leistung und Temperatur auf Spannungs/Frequenz-Änderungen in einer Metrik vereint. % ignorerepeated Die Abhängigkeiten von Performanz und elektrischer Leistung hängen von der Anwendung ab und können zur Laufzeit nicht direkt beobachtet (gemessen) werden. Daher wird ein NN verwendet, um diese Werte für unbekannte Anwendungen zu schätzen und so die Komplexität der Boosting-Optimierung zu bewältigen. Drittens wird eine Technik zur Temperaturminimierung von heterogenen Mehrkernprozessoren mit Quality of Service-Zielen vorgestellt. Diese verwendet Imitationslernen, um eine Migrationsstrategie von Anwendungen aus optimalen Orakel-Demonstrationen zu lernen. Dafür wird ein NN eingesetzt, um die Komplexität der Plattform und des Anwendungsverhaltens zu bewältigen. Die Inferenz des NNs wird mit Hilfe eines vorhandenen generischen Beschleunigers, einer Neural Processing Unit (NPU), beschleunigt. Auch die ML Algorithmen selbst müssen auch mit begrenzten Ressourcen ausgeführt werden. Zuletzt wird eine Technik für ressourcenorientiertes Training auf verteilten Geräten vorgestellt, um einen konstanten Trainingsdurchsatz bei sich schnell ändernder Verfügbarkeit von Rechenressourcen aufrechtzuerhalten, wie es z.~B.~aufgrund von Konflikten bei gemeinsam genutzten Ressourcen der Fall ist. Diese Technik verwendet Structured Dropout, welches beim Training zufällige Teile des NNs auslässt. Dadurch können die erforderlichen Ressourcen für das Training dynamisch angepasst werden -- mit vernachlässigbarem Overhead, aber auf Kosten einer langsameren Trainingskonvergenz. Die Pareto-optimalen Dropout-Parameter pro Schicht des NNs werden durch eine Design Space Exploration bestimmt. Evaluierungen dieser Techniken werden sowohl in Simulationen als auch auf realer Hardware durchgeführt und zeigen signifikante Verbesserungen gegenüber dem Stand der Technik, bei vernachlässigbarem Laufzeit-Overhead. Zusammenfassend zeigt diese Dissertation, dass ML eine Schlüsseltechnologie zur Optimierung der Verwaltung der limitierten Ressourcen auf Systemebene ist, indem die damit verbundenen Herausforderungen angegangen werden

Power, Energy, and Thermal Management for Clustered Manycores

Efficient and effective system-level power, energy, and thermal management are very important issues in modern computing systems, for which clustered architectures with multiple voltage islands are an expected compromise between global and per-core DVFS. In this dissertation, we focus on two of the most relevant problems for such architectures, specifically, optimizing performance under power/thermal constraints, and minimizing energy under performance constraints

Timing in Technischen Sicherheitsanforderungen für Systementwürfe mit heterogenen Kritikalitätsanforderungen

Traditionally, timing requirements as (technical) safety requirements have been avoided through clever functional designs. New vehicle automation concepts and other applications, however, make this harder or even impossible and challenge design automation for cyber-physical systems to provide a solution. This thesis takes upon this challenge by introducing cross-layer dependency analysis to relate timing dependencies in the bounded execution time (BET) model to the functional model of the artifact. In doing so, the analysis is able to reveal where timing dependencies may violate freedom from interference requirements on the functional layer and other intermediate model layers. For design automation this leaves the challenge how such dependencies are avoided or at least be bounded such that the design is feasible: The results are synthesis strategies for implementation requirements and a system-level placement strategy for run-time measures to avoid potentially catastrophic consequences of timing dependencies which are not eliminated from the design. Their applicability is shown in experiments and case studies. However, all the proposed run-time measures as well as very strict implementation requirements become ever more expensive in terms of design effort for contemporary embedded systems, due to the system's complexity. Hence, the second part of this thesis reflects on the design aspect rather than the analysis aspect of embedded systems and proposes a timing predictable design paradigm based on System-Level Logical Execution Time (SL-LET). Leveraging a timing-design model in SL-LET the proposed methods from the first part can now be applied to improve the quality of a design -- timing error handling can now be separated from the run-time methods and from the implementation requirements intended to guarantee them. The thesis therefore introduces timing diversity as a timing-predictable execution theme that handles timing errors without having to deal with them in the implemented application. An automotive 3D-perception case study demonstrates the applicability of timing diversity to ensure predictable end-to-end timing while masking certain types of timing errors.Traditionell wurden Timing-Anforderungen als (technische) Sicherheitsanforderungen durch geschickte funktionale Entwürfe vermieden. Neue Fahrzeugautomatisierungskonzepte und Anwendungen machen dies jedoch schwieriger oder gar unmöglich; Aufgrund der Problemkomplexität erfordert dies eine Entwurfsautomatisierung für cyber-physische Systeme heraus. Diese Arbeit nimmt sich dieser Herausforderung an, indem sie eine schichtenübergreifende Abhängigkeitsanalyse einführt, um zeitliche Abhängigkeiten im Modell der beschränkten Ausführungszeit (BET) mit dem funktionalen Modell des Artefakts in Beziehung zu setzen. Auf diese Weise ist die Analyse in der Lage, aufzuzeigen, wo Timing-Abhängigkeiten die Anforderungen an die Störungsfreiheit auf der funktionalen Schicht und anderen dazwischenliegenden Modellschichten verletzen können. Für die Entwurfsautomatisierung ergibt sich daraus die Herausforderung, wie solche Abhängigkeiten vermieden oder zumindest so eingegrenzt werden können, dass der Entwurf machbar ist: Das Ergebnis sind Synthesestrategien für Implementierungsanforderungen und eine Platzierungsstrategie auf Systemebene für Laufzeitmaßnahmen zur Vermeidung potentiell katastrophaler Folgen von Timing-Abhängigkeiten, die nicht aus dem Entwurf eliminiert werden. Ihre Anwendbarkeit wird in Experimenten und Fallstudien gezeigt. Allerdings werden alle vorgeschlagenen Laufzeitmaßnahmen sowie sehr strenge Implementierungsanforderungen für moderne eingebettete Systeme aufgrund der Komplexität des Systems immer teurer im Entwurfsaufwand. Daher befasst sich der zweite Teil dieser Arbeit eher mit dem Entwurfsaspekt als mit dem Analyseaspekt von eingebetteten Systemen und schlägt ein Entwurfsparadigma für vorhersagbares Timing vor, das auf der System-Level Logical Execution Time (SL-LET) basiert. Basierend auf einem Timing-Entwurfsmodell in SL-LET können die vorgeschlagenen Methoden aus dem ersten Teil nun angewandt werden, um die Qualität eines Entwurfs zu verbessern -- die Behandlung von Timing-Fehlern kann nun von den Laufzeitmethoden und von den Implementierungsanforderungen, die diese garantieren sollen, getrennt werden. In dieser Arbeit wird daher Timing Diversity als ein Thema der Timing-Vorhersage in der Ausführung eingeführt, das Timing-Fehler behandelt, ohne dass sie in der implementierten Anwendung behandelt werden müssen. Anhand einer Fallstudie aus dem Automobilbereich (3D-Umfeldwahrnehmung) wird die Anwendbarkeit von Timing-Diversität demonstriert, um ein vorhersagbares Ende-zu-Ende-Timing zu gewährleisten und gleichzeitig in der Lage zu sein, bestimmte Arten von Timing-Fehlern zu maskieren

Design Transactions

Design Transactions presents the outcome of new research to emerge from ‘Innochain’, a consortium of six leading European architectural and engineering-focused institutions and their industry partners. The book presents new advances in digital design tooling that challenge established building cultures and systems. It offers new sustainable and materially smart design solutions with a strong focus on changing the way the industry thinks, designs, and builds our physical environment. Divided into sections exploring communication, simulation and materialisation, Design Transactions explores digital and physical prototyping and testing that challenges the traditional linear construction methods of incremental refinement. This novel research investigates ‘the digital chain’ between phases as an opportunity for extended interdisciplinary design collaboration. The highly illustrated book features work from 15 early-stage researchers alongside chapters from world-leading industry collaborators and academics

Design Transactions: Rethinking Information for a New Material Age

Design Transactions presents the outcome of new research to emerge from ‘Innochain’, a consortium of six leading European architectural and engineering-focused institutions and their industry partners. The book presents new advances in digital design tooling that challenge established building cultures and systems. It offers new sustainable and materially smart design solutions with a strong focus on changing the way the industry thinks, designs, and builds our physical environment. Divided into sections exploring communication, simulation and materialisation, Design Transactions explores digital and physical prototyping and testing that challenges the traditional linear construction methods of incremental refinement. This novel research investigates ‘the digital chain’ between phases as an opportunity for extended interdisciplinary design collaboration. The highly illustrated book features work from 15 early-stage researchers alongside chapters from world-leading industry collaborators and academics