Conflict-Free Networks on Chip for Real Time Systems

Abstract

[ES] La constante necesidad de un mayor rendimiento para cumplir con la gran demanda de potencia de cómputo de las nuevas aplicaciones, (ej. sistemas de conducción autónoma), obliga a la industria a apostar por la tecnología basada en Sistemas en Chip con Procesadores Multinúcleo (MPSoCs) en sus sistemas embebidos de seguridad-crítica. Los sistemas MPSoCs generalmente incluyen una red en el chip (NoC) para interconectar los núcleos de procesamiento entre ellos, con la memoria y con el resto de recursos compartidos. Desafortunadamente, el uso de las NoCs dificulta alcanzar la predecibilidad en el tiempo, ya que pueden aparecer conflictos en muchos puntos y de forma distribuida a nivel de red. Para afrontar este problema, en esta tesis se propone un nuevo paradigma de diseño para NoCs de tiempo real donde los conflictos en la red son eliminados por diseño. Este nuevo paradigma parte del Grafo de Dependencia de Canales (CDG) para evitar los conflictos de red de forma determinista. Nuestra solución es capaz de inyectar mensajes de forma natural usando un periodo TDM igual al límite teórico óptimo sin la necesidad de usar un proceso offline exigente computacionalmente. La red se ha integrado en un sistema multinúcleo basado en tiles y adaptado a su jerarquía de memoria. Como segunda contribución principal, proponemos un nuevo planificador dinámico y distribuido capaz de alcanzar un rendimiento pico muy cercanos a las NoC basadas en un diseño wormhole sin comprometer sus garantías de tiempo real. El planificador se basa en nuestro diseño de red para explotar sus propiedades clave. Los resultados de nuestra NoC muestran que nuestro diseño garantiza la predecibilidad en el tiempo evitando interferencias en la red entre múltiples aplicaciones ejecutándose concurrentemente. La red siempre garantiza el rendimiento y también mejora el rendimiento respecto al de las redes wormhole en una red 4 x 4 en un factor de 3,7x cuando se inyecta trafico para generar interferencias. En una red 8 x 8 las diferencias son incluso mayores. Además, la red obtiene un ahorro de área total del 10,79% frente a una implementación básica de una red wormhole. El planificador propuesto alcanza una mejora de rendimiento de 6,9x y 14,4x frente la versión básica de la red DCFNoC para redes en forma de malla de 16 y 64 nodos, respectivamente. Cuando lo comparamos frente a un conmutador estándar wormhole se preserva un rendimiento de red del 95% al mismo tiempo que preserva la estricta predecibilidad en el tiempo. Este logro abre la puerta a nuevos diseños de NoCs de alto rendimiento con predecibilidad en el tiempo. Como contribución final, construimos una taxonomía de NoCs basadas en TDM con propiedades de tiempo real. Con esta taxonomía realizamos un análisis exhaustivo para estudiar y comparar desde tiempos de respuesta, a implementaciones con bajo coste, pasando por soluciones de compromiso para diseños de NoCs de tiempo real. Como resultado, obtenemos nuevos diseños de NoCs basadas en TDM.[CA] La constant necessitat d'un major rendiment per a complir amb la gran demanda de potència de còmput de les noves aplicacions, (ex. sistemes de conducció autònoma), obliga la indústria a apostar per la tecnologia basada en Sistemes en Xip amb Processadors Multinucli (MPSoCs) en els seus sistemes embeguts de seguretat-crítica. Els sistemes MPSoCs generalment inclouen una xarxa en el xip (NoC) per a interconnectar els nuclis de processament entre ells, amb la memòria i amb la resta de recursos compartits. Desafortunadament, l'ús de les NoCs dificulta aconseguir la predictibilitat en el temps, ja que poden aparéixer conflictes en molts punts i de forma distribuïda a nivell de xarxa. Per a afrontar aquest problema, en aquesta tesi es proposa un nou paradigma de disseny per a NoCs de temps real on els conflictes en la xarxa són eliminats per disseny. Aquest nou paradigma parteix del Graf de Dependència de Canals (CDG) per a evitar els conflictes de xarxa de manera determinista. La nostra solució és capaç d'injectar missatges de mra natural fent ús d'un període TDM igual al límit teòric òptim sense la necessitat de fer ús d'un procés offline exigent computacionalment. La xarxa s'ha integrat en un sistema multinucli basat en tiles i adaptat a la seua jerarquia de memòria. Com a segona contribució principal, proposem un nou planificador dinàmic i distribuït capaç d'aconseguir un rendiment pic molt pròxims a les NoC basades en un disseny wormhole sense comprometre les seues garanties de temps real. El planificador es basa en el nostre disseny de xarxa per a explotar les seues propietats clau. Els resultats de la nostra NoC mostren que el nostre disseny garanteix la predictibilitat en el temps evitant interferències en la xarxa entre múltiples aplicacions executant-se concurrentment. La xarxa sempre garanteix el rendiment i també millora el rendiment respecte al de les xarxes wormhole en una xarxa 4 x 4 en un factor de 3,7x quan s'injecta trafic per a generar interferències. En una xarxa 8 x 8 les diferències són fins i tot majors. A més, la xarxa obté un estalvi d'àrea total del 10,79% front una implementació bàsica d'una xarxa wormhole. El planificador proposat aconsegueix una millora de rendiment de 6,9x i 14,4x front la versió bàsica de la xarxa DCFNoC per a xarxes en forma de malla de 16 i 64 nodes, respectivament. Quan ho comparem amb un commutador estàndard wormhole es preserva un rendiment de xarxa del 95% al mateix temps que preserva la estricta predictibilitat en el temps. Aquest assoliment obri la porta a nous dissenys de NoCs d'alt rendiment amb predictibilitat en el temps. Com a contribució final, construïm una taxonomia de NoCs basades en TDM amb propietats de temps real. Amb aquesta taxonomia realitzem una anàlisi exhaustiu per a estudiar i comparar des de temps de resposta, a implementacions amb baix cost, passant per solucions de compromís per a dissenys de NoCs de temps real. Com a resultat, obtenim nous dissenys de NoCs basades en TDM.[EN] The ever need for higher performance to cope with the high computational power demands of new applications (e.g autonomous driving systems), forces industry to support technology based on multi-processors system on chip (MPSoCs) in their safety-critical embedded systems. MPSoCs usually include a network-on-chip (NoC) to interconnect the cores between them and, with memory and the rest of shared resources. Unfortunately, the inclusion of NoCs difficults achieving time predictability as network-level conflicts may occur in many points in a distributed manner. To overcome this problem, this thesis proposes a new time-predictable NoC design paradigm where conflicts within the network are eliminated by design. This new paradigm builds on top of the Channel Dependency Graph (CDG) in order to deterministically avoid network conflicts. Our solution is able to naturally inject messages using a TDM period equal to the optimal theoretical bound without the need of using a computationally demanding offline process. The network is integrated in a tile-based manycore system and adapted to its memory hierarchy. As a second main contribution, we propose a novel distributed dynamic scheduler that is able to achieve peak performance close to a wormhole-based NoC design without compromising its real-time guarantees. The scheduler builds on top of our NoC design to exploit its key properties. The results of our NoC show that our design guarantees time predictability avoiding network interference among multiple running applications. The network always guarantees performance and also improves wormhole performance in a 4 x 4 setting by a factor of 3.7x when interference traffic is injected. For a 8 x 8 network differences are even larger. In addition, the network obtains a total area saving of 10.79% over a standard wormhole implementation. The proposed scheduler achieves an overall throughput improvement of 6.9x and 14.4x over a baseline conflict-free NoC for 16 and 64-node meshes, respectively. When compared against a standard wormhole router 95% of its network throughput is preserved while strict timing predictability is kept. This achievement opens the door to new high performance time predictable NoC designs. As a final contribution, we build a taxonomy of TDM-based NoCs with real-time properties. With this taxonomy we perform a comprehensive analysis to study and compare from response time specific, to low resource implementation cost, through trade-off solutions for real-time NoCs designs. As a result, we derive new TDM-based NoC designs.Picornell Sanjuan, T. (2021). Conflict-Free Networks on Chip for Real Time Systems [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/177347TESI