Exploiting frame coherence in real-time rendering for energy-efficient GPUs

The computation capabilities of mobile GPUs have greatly evolved in the last generations, allowing real-time rendering of realistic scenes. However, the desire for processing complex environments clashes with the battery-operated nature of smartphones, for which users expect long operating times per charge and a low-enough temperature to comfortably hold them. Consequently, improving the energy-efficiency of mobile GPUs is paramount to fulfill both performance and low-power goals. The work of the processors from within the GPU and their accesses to off-chip memory are the main sources of energy consumption in graphics workloads. Yet most of this energy is spent in redundant computations, as the frame rate required to produce animations results in a sequence of extremely similar images. The goal of this thesis is to improve the energy-efficiency of mobile GPUs by designing micro-architectural mechanisms that leverage frame coherence in order to reduce the redundant computations and memory accesses inherent in graphics applications. First, we focus on reducing redundant color computations. Mobile GPUs typically employ an architecture called Tile-Based Rendering, in which the screen is divided into tiles that are independently rendered in on-chip buffers. It is common that more than 80% of the tiles produce exactly the same output between consecutive frames. We propose Rendering Elimination (RE), a mechanism that accurately determines such occurrences by computing and storing signatures of the inputs of all the tiles in a frame. If the signatures of a tile across consecutive frames are the same, the colors computed in the preceding frame are reused, saving all computations and memory accesses associated to the rendering of the tile. We show that RE vastly outperforms related schemes found in the literature, achieving a reduction of energy consumption of 37% and execution time of 33% with minimal overheads. Next, we focus on reducing redundant computations of fragments that will eventually not be visible. In real-time rendering, objects are processed in the order they are submitted to the GPU, which usually causes that the results of previously-computed objects are overwritten by new objects that turn occlude them. Consequently, whether or not a particular object will be occluded is not known until the entire scene has been processed. Based on the fact that visibility tends to remain constant across consecutive frames, we propose Early Visibility Resolution (EVR), a mechanism that predicts visibility based on information obtained in the preceding frame. EVR first computes and stores the depth of the farthest visible point after rendering each tile. Whenever a tile is rendered in the following frame, primitives that are farther from the observer than the stored depth are predicted to be occluded, and processed after the ones predicted to be visible. Additionally, this visibility prediction scheme is used to improve Rendering Elimination’s equal tile detection capabilities by not adding primitives predicted to be occluded in the signature. With minor hardware costs, EVR is shown to provide a reduction of energy consumption of 43% and execution time of 39%. Finally, we focus on reducing computations in tiles with low spatial frequencies. GPUs produce pixel colors by sampling triangles once per pixel and performing computations on each sampling location. However, most screen regions do not include sufficient detail to require high sampling rates, leading to a significant amount of energy wasted computing the same color for neighboring pixels. Given that spatial frequencies are maintained across frames, we propose Dynamic Sampling Rate, a mechanism that analyzes the spatial frequencies of tiles and determines the best sampling rate for them, which is applied in the following frame. Results show that Dynamic Sampling Rate significantly reduces processor activity, yielding energy savings of 40% and execution time reductions of 35%.La capacitat de càlcul de les GPU mòbils ha augmentat en gran mesura en les darreres generacions, permetent el renderitzat de paisatges complexos en temps real. Nogensmenys, el desig de processar escenes cada vegada més realistes xoca amb el fet que aquests dispositius funcionen amb bateries, i els usuaris n’esperen llargues durades i una temperatura prou baixa com per a ser agafats còmodament. En conseqüència, millorar l’eficiència energètica de les GPU mòbils és essencial per a aconseguir els objectius de rendiment i baix consum. Els processadors de la GPU i els seus accessos a memòria són els principals consumidors d’energia en càrregues gràfiques, però molt d’aquest consum és malbaratat en càlculs redundants, ja que les animacions produïdes s¿aconsegueixen renderitzant una seqüència d’imatges molt similars. L’objectiu d’aquesta tesi és millorar l’eficiència energètica de les GPU mòbils mitjançant el disseny de mecanismes microarquitectònics que aprofitin la coherència entre imatges per a reduir els càlculs i accessos redundants inherents a les aplicacions gràfiques. Primerament, ens centrem en reduir càlculs redundants de colors. A les GPU mòbils, sovint s'empra una arquitectura anomenada Tile-Based Rendering, en què la pantalla es divideix en regions que es processen independentment dins del xip. És habitual que més del 80% de les regions de pantalla produeixin els mateixos colors entre imatges consecutives. Proposem Rendering Elimination (RE), un mecanisme que determina acuradament aquests casos computant una signatura de les entrades de totes les regions. Si les signatures de dues imatges són iguals, es reutilitzen els colors calculats a la imatge anterior, el que estalvia tots els càlculs i accessos a memòria de la regió. RE supera àmpliament propostes relacionades de la literatura, aconseguint una reducció del consum energètic del 37% i del temps d’execució del 33%. Seguidament, ens centrem en reduir càlculs redundants en fragments que eventualment no seran visibles. En aplicacions gràfiques, els objectes es processen en l’ordre en què son enviats a la GPU, el que sovint causa que resultats ja processats siguin sobreescrits per nous objectes que els oclouen. Per tant, no se sap si un objecte serà visible o no fins que tota l’escena ha estat processada. Fonamentats en el fet que la visibilitat tendeix a ser constant entre imatges, proposem Early Visibility Resolution (EVR), un mecanisme que prediu la visibilitat basat en informació obtinguda a la imatge anterior. EVR computa i emmagatzema la profunditat del punt visible més llunyà després de processar cada regió de pantalla. Quan es processa una regió a la imatge següent, es prediu que les primitives més llunyanes a el punt guardat seran ocloses i es processen després de les que es prediuen que seran visibles. Addicionalment, aquest esquema de predicció s’empra en millorar la detecció de regions redundants de RE al no afegir les primitives que es prediu que seran ocloses a les signatures. Amb un cost de maquinari mínim, EVR aconsegueix una millora del consum energètic del 43% i del temps d’execució del 39%. Finalment, ens centrem a reduir càlculs en regions de pantalla amb poca freqüència espacial. Les GPU actuals produeixen colors mostrejant els triangles una vegada per cada píxel i fent càlculs a cada localització mostrejada. Però la majoria de regions no tenen suficient detall per a necessitar altes freqüències de mostreig, el que implica un malbaratament d’energia en el càlcul del mateix color en píxels adjacents. Com les freqüències tendeixen a mantenir-se en el temps, proposem Dynamic Sampling Rate (DSR)¸ un mecanisme que analitza les freqüències de les regions una vegada han estat renderitzades i en determina la menor freqüència de mostreig a la que es poden processar, que s’aplica a la següent imatge...Postprint (published version

Exploiting frame coherence in real-time rendering for energy-efficient GPUs

The computation capabilities of mobile GPUs have greatly evolved in the last generations, allowing real-time rendering of realistic scenes. However, the desire for processing complex environments clashes with the battery-operated nature of smartphones, for which users expect long operating times per charge and a low-enough temperature to comfortably hold them. Consequently, improving the energy-efficiency of mobile GPUs is paramount to fulfill both performance and low-power goals. The work of the processors from within the GPU and their accesses to off-chip memory are the main sources of energy consumption in graphics workloads. Yet most of this energy is spent in redundant computations, as the frame rate required to produce animations results in a sequence of extremely similar images. The goal of this thesis is to improve the energy-efficiency of mobile GPUs by designing micro-architectural mechanisms that leverage frame coherence in order to reduce the redundant computations and memory accesses inherent in graphics applications. First, we focus on reducing redundant color computations. Mobile GPUs typically employ an architecture called Tile-Based Rendering, in which the screen is divided into tiles that are independently rendered in on-chip buffers. It is common that more than 80% of the tiles produce exactly the same output between consecutive frames. We propose Rendering Elimination (RE), a mechanism that accurately determines such occurrences by computing and storing signatures of the inputs of all the tiles in a frame. If the signatures of a tile across consecutive frames are the same, the colors computed in the preceding frame are reused, saving all computations and memory accesses associated to the rendering of the tile. We show that RE vastly outperforms related schemes found in the literature, achieving a reduction of energy consumption of 37% and execution time of 33% with minimal overheads. Next, we focus on reducing redundant computations of fragments that will eventually not be visible. In real-time rendering, objects are processed in the order they are submitted to the GPU, which usually causes that the results of previously-computed objects are overwritten by new objects that turn occlude them. Consequently, whether or not a particular object will be occluded is not known until the entire scene has been processed. Based on the fact that visibility tends to remain constant across consecutive frames, we propose Early Visibility Resolution (EVR), a mechanism that predicts visibility based on information obtained in the preceding frame. EVR first computes and stores the depth of the farthest visible point after rendering each tile. Whenever a tile is rendered in the following frame, primitives that are farther from the observer than the stored depth are predicted to be occluded, and processed after the ones predicted to be visible. Additionally, this visibility prediction scheme is used to improve Rendering Elimination’s equal tile detection capabilities by not adding primitives predicted to be occluded in the signature. With minor hardware costs, EVR is shown to provide a reduction of energy consumption of 43% and execution time of 39%. Finally, we focus on reducing computations in tiles with low spatial frequencies. GPUs produce pixel colors by sampling triangles once per pixel and performing computations on each sampling location. However, most screen regions do not include sufficient detail to require high sampling rates, leading to a significant amount of energy wasted computing the same color for neighboring pixels. Given that spatial frequencies are maintained across frames, we propose Dynamic Sampling Rate, a mechanism that analyzes the spatial frequencies of tiles and determines the best sampling rate for them, which is applied in the following frame. Results show that Dynamic Sampling Rate significantly reduces processor activity, yielding energy savings of 40% and execution time reductions of 35%.La capacitat de càlcul de les GPU mòbils ha augmentat en gran mesura en les darreres generacions, permetent el renderitzat de paisatges complexos en temps real. Nogensmenys, el desig de processar escenes cada vegada més realistes xoca amb el fet que aquests dispositius funcionen amb bateries, i els usuaris n’esperen llargues durades i una temperatura prou baixa com per a ser agafats còmodament. En conseqüència, millorar l’eficiència energètica de les GPU mòbils és essencial per a aconseguir els objectius de rendiment i baix consum. Els processadors de la GPU i els seus accessos a memòria són els principals consumidors d’energia en càrregues gràfiques, però molt d’aquest consum és malbaratat en càlculs redundants, ja que les animacions produïdes s¿aconsegueixen renderitzant una seqüència d’imatges molt similars. L’objectiu d’aquesta tesi és millorar l’eficiència energètica de les GPU mòbils mitjançant el disseny de mecanismes microarquitectònics que aprofitin la coherència entre imatges per a reduir els càlculs i accessos redundants inherents a les aplicacions gràfiques. Primerament, ens centrem en reduir càlculs redundants de colors. A les GPU mòbils, sovint s'empra una arquitectura anomenada Tile-Based Rendering, en què la pantalla es divideix en regions que es processen independentment dins del xip. És habitual que més del 80% de les regions de pantalla produeixin els mateixos colors entre imatges consecutives. Proposem Rendering Elimination (RE), un mecanisme que determina acuradament aquests casos computant una signatura de les entrades de totes les regions. Si les signatures de dues imatges són iguals, es reutilitzen els colors calculats a la imatge anterior, el que estalvia tots els càlculs i accessos a memòria de la regió. RE supera àmpliament propostes relacionades de la literatura, aconseguint una reducció del consum energètic del 37% i del temps d’execució del 33%. Seguidament, ens centrem en reduir càlculs redundants en fragments que eventualment no seran visibles. En aplicacions gràfiques, els objectes es processen en l’ordre en què son enviats a la GPU, el que sovint causa que resultats ja processats siguin sobreescrits per nous objectes que els oclouen. Per tant, no se sap si un objecte serà visible o no fins que tota l’escena ha estat processada. Fonamentats en el fet que la visibilitat tendeix a ser constant entre imatges, proposem Early Visibility Resolution (EVR), un mecanisme que prediu la visibilitat basat en informació obtinguda a la imatge anterior. EVR computa i emmagatzema la profunditat del punt visible més llunyà després de processar cada regió de pantalla. Quan es processa una regió a la imatge següent, es prediu que les primitives més llunyanes a el punt guardat seran ocloses i es processen després de les que es prediuen que seran visibles. Addicionalment, aquest esquema de predicció s’empra en millorar la detecció de regions redundants de RE al no afegir les primitives que es prediu que seran ocloses a les signatures. Amb un cost de maquinari mínim, EVR aconsegueix una millora del consum energètic del 43% i del temps d’execució del 39%. Finalment, ens centrem a reduir càlculs en regions de pantalla amb poca freqüència espacial. Les GPU actuals produeixen colors mostrejant els triangles una vegada per cada píxel i fent càlculs a cada localització mostrejada. Però la majoria de regions no tenen suficient detall per a necessitar altes freqüències de mostreig, el que implica un malbaratament d’energia en el càlcul del mateix color en píxels adjacents. Com les freqüències tendeixen a mantenir-se en el temps, proposem Dynamic Sampling Rate (DSR)¸ un mecanisme que analitza les freqüències de les regions una vegada han estat renderitzades i en determina la menor freqüència de mostreig a la que es poden processar, que s’aplica a la següent imatge..

Estudi lumínic i pla de millora de la gestió, eficiència i consum de l'enllumenat de la ciutat de Barcelona

En el present treball de final de grau es desenvoluparà un anàlisi acurat de la situació actual de l’enllumenat de Barcelona, ja sigui de manera econòmica, ambiental, vial o estructural. S'analitzaran en profunditat els diferents districtes de l'àrea de Barcelona per tal de fer-ne un acurat estudi lumínic englobant diversos punts específics, valorant el seu consum energètic anual procedent de l'enllumenat públic. Un cop finalitzat, s’executarà un posterior estudi de millora d'alguns d’aquests inputs a través de múltiples criteris donant èmfasi en el seu impacte econòmic, energètic, ambiental i social. L’obtenció, filtració i recerca de dades s’ha realitzat a partir de dos programes diferents. Rosmiman, un software per a gestió i manteniment d'actius, espais i infraestructures amb àmplia varietat de mòduls per administrar-los i controlar-los de manera global i centralitzada. QGis, que es tracta de programari de codi lliure i multiplataforma, permet la visualització, edició i anàlisi de dades que conforma un sistema d'informació geogràfica geolocalitzada. Per a l’estudi de variables i tractament de dades, s’ha emprat principalment el programari Office, concretament l’Excel mitjançant taules dinàmiques i la creació de fórmules.Objectius de Desenvolupament Sostenible::11 - Ciutats i Comunitats Sostenible

Soft Error Rate Analysis in Combinatorial Logic

We develop a simple model that computes the probability that a strike at the output of a gate has an impact in any output by traversing the circuits backwards from the outputs and gaining information about the logical masking using signal probabilities. The model is validated with fault injectio

Implementació de la segmentació d'un processador SISP-I-3 en una FPGA

[CATALÀ] Aquest projecte proposa segmentar el processador senzill implementat a l'assignatura PEC seguint les guies de l'assignatura AC2. Es segmentarà en 6 etapes i s'implementaran curtcircuits i un predictor estàtic de salt. S'implementa també una gestió de mode privilegiat i d'intenterrupcions.[ANGLÈS] The goal of this project is to implement the design of the pipelined processor learnt during the subject AC2 in the processor written during the subject PEC. A pipeline of 6 stages will be implemented, as well as bypasses and a static branch predicor. Interruption management through privileged m

Multiplicity of the Protostar Serpens SMM 1 Revealed by Millimeter Imaging

The Serpens SMM 1 region was observed in the 6.9 mm continuum with an angular resolution of about 0.6 arcsec. Two sources were found to have steep positive spectra suggesting emission from dust. The stronger one, SMM 1a, is the driving source of the bipolar jet known previously, and the mass of the dense molecular gas traced by the millimeter continuum is about 8 solar mass. The newly found source, SMM 1b, positionally coincides with the brightest mid-IR source in this region, which implies that SMM 1b is yet another young stellar object. SMM 1b seems to be less deeply embedded than SMM 1a. SMM 1 is probably a protobinary system with a projected separation of 500 AU