Efficient instruction and data caching for high-performance low-power embedded systems

Although multi-threading processors can increase the performance of embedded systems with a minimum overhead, fetching instructions from multiple threads each cycle also increases the pressure on the instruction cache, potentially harming the performance/consumption ratio. Instruction caches are responsible of a high percentage of the total energy consumption of the chip, which for battery-powered embedded devices becomes a critical issue. A direct way to reduce the energy consumption of the first level instruction cache is to decrease its size and associativity. However, demanding applications, and specially applications with several threads running together, might suffer a dramatic performance slow down, or even increase the total energy consumption of the cache hierarchy, due to the extra misses incurred. In this work we introduce iLP-NUCA (Instruction Light Power NUCA), a new instruction cache that replaces the conventional second level cache (L2) and improves the Energy–Delay of the system. We provided iLP-NUCA with a new tree-based transport network-in-cache that reduces both the cache line service latency and the energy consumption, regarding the former LP-NUCA implementation. We modeled in our cycle-accurate simulation environment both conventional instruction hierarchies and iLP-NUCAs. Our experiments show that, running SPEC CPU2006, iLP-NUCA, in comparison with a state–of–the–art high performance conventional cache hierarchy (three cache levels, dedicated L1 and L2, shared L3), performs better and consumes less energy. Furthermore, iLP-NUCA reaches the performance, on average, of a conventional instruction cache hierarchy implementing a double sized L1, independently of the number of threads. This translates into a reduction of the Energy–Delay product of 21%, 18%, and 11%, reaching 90%, 95%, and 99% of the ideal performance for 1, 2, and 4 threads, respectively. These results are consistent for the considered applications distribution, and bigger gains are in the most demanding applications (applications with high instruction cache requirements). Besides, we increase the performance of applications with several threads without being detrimental for any of them. The new transport topology reduces the average service latency of cache lines by 8%, and the energy consumption of its components by 20%

Exploiting Natural On-chip Redundancy for Energy Efficient Memory and Computing

Power density is currently the primary design constraint across most computing segments and the main performance limiting factor. For years, industry has kept power density constant, while increasing frequency, lowering transistors supply (Vdd) and threshold (Vth) voltages. However, Vth scaling has stopped because leakage current is exponentially related to it. Transistor count and integration density keep doubling every process generation (Moore’s Law), but the power budget caps the amount of hardware that can be active at the same time, leading to dark silicon. With each new generation, there are more resources available, but we cannot fully exploit their performance potential. In the last years, different research trends have explored how to cope with dark silicon and unlock the energy efficiency of the chips, including Near-Threshold voltage Computing (NTC) and approximate computing. NTC aggressively lowers Vdd to values near Vth. This allows a substantial reduction in power, as dynamic power scales quadratically with supply voltage. The resultant power reduction could be used to activate more chip resources and potentially achieve performance improvements. Unfortunately, Vdd scaling is limited by the tight functionality margins of on-chip SRAM transistors. When scaling Vdd down to values near-threshold, manufacture-induced parameter variations affect the functionality of SRAM cells, which eventually become not reliable. A large amount of emerging applications, on the other hand, features an intrinsic error-resilience property, tolerating a certain amount of noise. In this context, approximate computing takes advantage of this observation and exploits the gap between the level of accuracy required by the application and the level of accuracy given by the computation, providing that reducing the accuracy translates into an energy gain. However, deciding which instructions and data and which techniques are best suited for approximation still poses a major challenge. This dissertation contributes in these two directions. First, it proposes a new approach to mitigate the impact of SRAM failures due to parameter variation for effective operation at ultra-low voltages. We identify two levels of natural on-chip redundancy: cache level and content level. The first arises because of the replication of blocks in multi-level cache hierarchies. We exploit this redundancy with a cache management policy that allocates blocks to entries taking into account the nature of the cache entry and the use pattern of the block. This policy obtains performance improvements between 2% and 34%, with respect to block disabling, a technique with similar complexity, incurring no additional storage overhead. The latter (content level redundancy) arises because of the redundancy of data in real world applications. We exploit this redundancy compressing cache blocks to fit them in partially functional cache entries. At the cost of a slight overhead increase, we can obtain performance within 2% of that obtained when the cache is built with fault-free cells, even if more than 90% of the cache entries have at least a faulty cell. Then, we analyze how the intrinsic noise tolerance of emerging applications can be exploited to design an approximate Instruction Set Architecture (ISA). Exploiting the ISA redundancy, we explore a set of techniques to approximate the execution of instructions across a set of emerging applications, pointing out the potential of reducing the complexity of the ISA, and the trade-offs of the approach. In a proof-of-concept implementation, the ISA is shrunk in two dimensions: Breadth (i.e., simplifying instructions) and Depth (i.e., dropping instructions). This proof-of-concept shows that energy can be reduced on average 20.6% at around 14.9% accuracy loss

Characterization of interconnection networks in CMPs using full-system simulation

Los computadores más recientes incluyen complejos chips compuestos de varios procesadores y una cantidad significativa de memoria cache. La tendencia actual consiste en conectar varios nodos, cada uno de ellos con un procesador y uno o más niveles de cache privada y/o compartida, utilizando una red de interconexión. La importancia de esta red está aumentando a medida que crece el número de nodos que se integran en un chip, ya que pueden aparecer cuellos de botella en la comunicación que reduzcan las prestaciones. Además, la red contribuye en gran medida al consumo de energía y área del chip. En este proyecto, comparamos el comportamiento de tres topologías: el anillo bidireccional, la malla y el toro. El anillo es una topología mínima con bajo coste en energía pero peor rendimiento debido a la mayor latencia de comunicación entre nodos. Por otro lado, el toro tiene mayor número de enlaces entre nodos y ofrece mejores prestaciones. La malla ha sido incluida como una opción intermedia altamente popular. Analizaremos también dos topologías de anillo adicionales que aprovechan la reducida área y complejidad del mismo: una con mayor ancho de banda y otra con routers de menor número de ciclos. Modelamos cuidadosamente todos los componentes del sistema (procesadores, jerarquía de memoria y red de interconexión) utilizando simulación de sistema completo. Ejecutamos aplicaciones reales en arquitecturas con 16 y 64 nodos, incluyendo tanto cargas paralelas como multiprogramadas (ejecución de varias aplicaciones independientes). Demostramos que la topología de la red afecta en gran medida al rendimiento en sistemas con 64 nodos. Con las topologías de anillo, los tiempos de ejecución son mucho mayores debido al aumento del número de saltos que le cuesta a un mensaje atravesar la red. El toro es la topología que ofrece mejor rendimiento, pero la elección más óptima sería la malla si tenemos en cuenta también energía y área. Por otro lado, para chips con 16 nodos, las diferencias en rendimiento son menores y un anillo con routers de 3 cyclos ofrece un tiempo de ejecución aceptable con el menor coste en área y energía. Nuestra aportación más significativa está relacionada con la distribución del tráfico en la red. Vemos que el tráfico no está distribuido uniformemente y que los nodos con mayores tasas de inyección varían con la aplicación. Hasta donde nosotros sabemos, no hay ningún trabajo de investigación previo que destaque este comportamiento

Integration through genetic programming on heterogeneous systems.

Nowadays, numerous applications in various scientific fields require the integration of mathematical functions that, due to some of their characteristics, do not have an analytical expression for their antiderivative. These definite integrals are usually solved by numerical integration methods, which provide an approximation of the numerical value of the integral in the integration range. With this type of solutions, a higher precision of the approximation entails a longer computation time, being necessary a trade-off between both aspects. In this work we present a genetic programming algorithm which provides mathematical expressions that approximate the antiderivative of analytically non-integrable functions. Heterogeneous devices, GPU and multicore CPU, have also been used in the development of the system to accelerate the parts suitable for it. The advantage of obtaining these approximate antiderivatives is the reduction of the computation time necessary to calculate the definite integral of the functions of interest, reducing it to simply evaluating the expression at the beginning and the end of the integration range.<br /

Aplicación móvil para la gestión de servidores Linux/UNIX

El mundo de los administradores de sistemas requiere de nuevas herramientas para la gestión de servidores, ya que la consolidación de servicios y los modelos `cloud` hacen que el número de servidores administrados por persona haya aumentado considerablemente, y por ello se debe empezar a apoyar los sistemas de movilidad. Este trabajo de fin de grado pretende llenar parcialmente este vacío con el desarrollo de una aplicación móvil, que es lo que suele faltar en el ámbito de los administradores de sistemas. Se ha implementado una aplicación cliente-servidor, la cual se ha denominado como ServCM (Server Control Master, también denominado en español Control maestro de servidores), en la que el servidor suministra los datos de su estado, como el uso de CPU, Memoria... al cliente y este tiene la posibilidad de mandar comandos y generar eventos en el servidor como manera de contrarrestar cualquier posible fallo.<br /

FPGA Accelerators on Heterogeneous Systems: An Approach Using High Level Synthesis

La evolución de las FPGAs como dispositivos para el procesamiento con alta eficiencia energética y baja latencia de control, comparada con dispositivos como las CPUs y las GPUs, las han hecho atractivas en el ámbito de la computación de alto rendimiento (HPC).A pesar de las inumerables ventajas de las FPGAs, su inclusión en HPC presenta varios retos. El primero, la complejidad que supone la programación de las FPGAs comparada con dispositivos como las CPUs y las GPUs. Segundo, el tiempo de desarrollo es alto debido al proceso de síntesis del hardware. Y tercero, trabajar con más arquitecturas en HPC requiere el manejo y la sintonización de los detalles de cada dispositivo, lo que añade complejidad.Esta tesis aborda estos 3 problemas en diferentes niveles con el objetivo de mejorar y facilitar la adopción de las FPGAs usando la síntesis de alto nivel(HLS) en sistemas HPC.En un nivel próximo al hardware, en esta tesis se desarrolla un modelo analítico para las aplicaciones limitadas en memoria, que es una situación común en aplicaciones de HPC. El modelo, desarrollado para kernels programados usando HLS, puede predecir el tiempo de ejecución con alta precisión y buena adaptabilidad ante cambios en la tecnología de la memoria, como las DDR4 y HBM2, y en las variaciones en la frecuencia del kernel. Esta solución puede aumentar potencialmente la productividad de las personas que programan, reduciendo el tiempo de desarrollo y optimización de las aplicaciones.Entender los detalles de bajo nivel puede ser complejo para las programadoras promedio, y el desempeño de las aplicaciones para FPGA aún requiere un alto nivel en las habilidades de programación. Por ello, nuestra segunda propuesta está enfocada en la extensión de las bibliotecas con una propuesta para cómputo en visión artificial que sea portable entre diferentes fabricantes de FPGAs. La biblioteca se ha diseñado basada en templates, lo que permite una biblioteca que da flexibilidad a la generación del hardware y oculta decisiones de diseño críticas como la comunicación entre nodos, el modelo de concurrencia, y la integración de las aplicaciones en el sistema heterogéneo para facilitar el desarrollo de grafos de visión artificial que pueden ser complejos.Finalmente, en el runtime del host del sistema heterogéneo, hemos integrado la FPGA para usarla de forma trasparente como un dispositivo acelerador para la co-ejecución en sistemas heterogéneos. Hemos hecho una serie propuestas de altonivel de abstracción que abarca los mecanismos de sincronización y políticas de balanceo en un sistema altamente heterogéneo compuesto por una CPU, una GPU y una FPGA. Se presentan los principales retos que han inspirado esta investigación y los beneficios de la inclusión de una FPGA en rendimiento y energía.En conclusión, esta tesis contribuye a la adopción de las FPGAs para entornos HPC, aportando soluciones que ayudan a reducir el tiempo de desarrollo y mejoran el desempeño y la eficiencia energética del sistema.---------------------------------------------The emergence of FPGAs in the High-Performance Computing domain is arising thanks to their promise of better energy efficiency and low control latency, compared with other devices such as CPUs or GPUs.Albeit these benefits, their complete inclusion into HPC systems still faces several challenges. First, FPGA complexity means its programming more difficult compared to devices such as CPU and GPU. Second, the development time is longer due to the required synthesis effort. And third, working with multiple devices increments the details that should be managed and increase hardware complexity.This thesis tackles these 3 problems at different stack levels to improve and to make easier the adoption of FPGAs using High-Level Synthesis on HPC systems. At a close to the hardware level, this thesis contributes with a new analytical model for memory-bound applications, an usual situation for HPC applications. The model for HLS kernels can anticipate application performance before place and route, reducing the design development time. Our results show a high precision and adaptable model for external memory technologies such as DDR4 and HBM2, and kernel frequency changes. This solution potentially increases productivity, reducing application development time.Understanding low-level implementation details is difficult for average programmers, and the development of FPGA applications still requires high proficiency program- ming skills. For this reason, the second proposal is focused on the extension of a computer vision library to be portable among two of the main FPGA vendors. The template-based library allows hardware flexibility and hides design decisions such as the communication among nodes, the concurrency programming model, and the application’s integration in the heterogeneous system, to develop complex vision graphs easily.Finally, we have transparently integrated the FPGA in a high level framework for co-execution with other devices. We propose a set of high level abstractions covering synchronization mechanism and load balancing policies in a highly heterogeneous system with CPU, GPU, and FPGA devices. We present the main challenges that inspired this research and the benefits of the FPGA use demonstrating performance and energy improvements.<br /

Medición precisa del consumo energético en procesadores x86

Históricamente, el criterio más importante en la compilación de código fuente ha sido la eficiencia del ejecutable obtenido, buscando una optimización temporal (reducir el tiempo de ejecución). Otro criterio importante ha sido la optimización espacial (ya sea reduciendo la cantidad de memoria que ocupa el programa al ejecutarse o el tamaño del propio programa en sí mismo). Con el auge de los dispositivos portátiles, la optimización energética también puede ser muy importante: el consumo energético de un programa es crucial de cara a la autonomía de la batería. Este proyecto parte de una plataforma desarrollada en anteriores proyectos finales de carrera que obtiene muestras del consumo energético de un programa. Esto permite saber los datos de consumo energético del programa ejecutado a través de la plataforma, pero tiene una limitación: es imposible saber con qué parte del programa está relacionada cada muestra de consumo obtenido. Para superar esta limitación, se ha desarrollado un proceso por el cual se obtiene la caracterización temporal y energética de dicho programa a nivel de función. Al finalizar el proceso se obtendrá el consumo energético y temporal de las principales funciones del programa, pudiéndose asociar las variaciones de consumo energético a las funciones responsables de dichas variaciones. Para conseguir estos resultados, se ha desarrollado un mecanismo de instrumentación con el que poder obtener los datos temporales del programa minimizando la sobrecarga. Dichos datos son los instantes en los comienza y termina cada función instrumentada. Así, se puede saber en cada momento qué función está siendo ejecutada (y es la responsable del consumo energético). En este documento se describirá detalladamente el proceso diseñado, que puede ser aplicado en el futuro a otros programas de una manera sencilla y automatizada, obteniendo resultados que podrán profundizar tanto como la plataforma utilizada sea capaz

Sistema de Información/Entretenimiento para vehículo con soporte de voz y diagnóstico

Diseño de un sistema de Información/Entretenimiento instalable en cualquier vehículo. Está formado por un computador de bajo coste (Raspberry Pi 3) y una pantalla táctil. Permite conocer los parámetros propios de la conducción (Velocidad, RPM, Aceleración...) en tiempo real y puede controlarse mediante comandos por voz. Ofrece además otra serie de funcionalidades, como la de centro multimedia conectado al sistema de altavoces del vehículo, o permitir el acceso a Internet

Concertina: Squeezing in cache content to operate at near-threshold voltage

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Thermal Intelligent Control DVFS for Cyber-physical Systems

This work explores the use of well-known control techniques to tackle the heat dissipation problem in embedded devices. These types of devices lack of good solutions for managing heat and the existing ones may lead to unpredictable performance variations. We will show a way of solving the problem with classic control theory and workload identification.Este trabajo explora el uso de conocidas tecnicas de control para afrontar el problema de disipación de la temperatura en dispositivos embebidos. Este tipo de dispositivos carecen de buenas soluciones para manejar el calor, y las soluciones existentes pueden llevar a impredecibles cambios en la variación del performance. Mostraremos una manera de solucionar el problema por medio de teoria clasica de control e identificacion de la carga