Método de inversão matricial rápido GSGR para vectoring em sistemas xDSL, com implementação em chip DSP

Este trabalho apresenta um método rápido de inversão de matrizes densas, e uma possível aplicação com métodos de Vectoring, em pré-codificação e cancelamento de crosstalk de sistemas xDSL. A família de tecnologias xDSL utiliza os pares trançados de fios de cobre telefônicos como meio físico para transmitir dados digitais. O crosstalk é a principal causa de degradação de sinais na mais nova geração de sistemas xDSL, o G.fast, e para combatê-lo são utilizadas técnicas de pré-codificação e cancelamento, chamadas de Vectoring. O método proposto, chamado de GSGR, consiste em uma abordagem diferente para o método clássico de Squared Givens Rotations (SGR), adequado a implementações em plataformas embarcadas de processamento digital de sinais. Foram realizados testes comparativos do método GSGR com métodos diretos clássicos de inversão, utilizando uma plataforma digital multicore baseada no chip TI DSP TMS320C6670 e a plataforma de software Matlab. Os resultados dos testes de inversão de matrizes usando dados reais e dados simulados mostraram que o GSGR foi superior em velocidade de execução sem apresentar perdas significativas de acurácia para a aplicação em sistemas xDSL.

Consumo de energia em escalonadores de transações em sistemas de memória transacional em software

Pós-graduação em Ciência da Computação - IBILCE

Consumo de energia em escalonadores de transações em sistemas de memória transacional em software

Pós-graduação em Ciência da Computação - IBILCE

Architetture di interconnessione per sistemi su singolo chip e per sistemi ad integrazione tridimensionale

I continui sviluppi nel campo della fabbricazione dei circuiti integrati hanno comportato frequenti travolgimenti nel design, nell’implementazione e nella scalabilità dei device elettronici, così come nel modo di utilizzarli. Anche se la legge di Moore ha anticipato e caratterizzato questo trend nelle ultime decadi, essa stessa si trova a fronteggiare attualmente enormi limitazioni, superabili solo attraverso un diverso approccio nella produzione di chip, consistente in pratica nella sovrapposizione verticale di diversi strati collegati elettricamente attraverso speciali vias. Sul singolo strato, le network on chip sono state suggerite per ovviare le profonde limitazioni dovute allo scaling di strutture di comunicazione condivise. Questa tesi si colloca principalmente nel contesto delle nascenti piattaforme multicore ad alte prestazioni basate sulle 3D NoC, in cui la network on chip viene estesa nelle 3 direzioni. L’obiettivo di questo lavoro è quello di fornire una serie di strumenti e tecniche per poter costruire e aratterizzare una piattaforma tridimensionale, cosi come dimostrato nella realizzazione del testchip 3D NOC fabbricato presso la fonderia IMEC. Il primo contributo è costituito sia una accurata caratterizzazione delle interconnessioni verticali (TSVs) (ovvero delle speciali vias che attraversano l’intero substrato del die), sia dalla caratterizzazione dei router 3D (in cui una o più porte sono estese nella direzione verticale) ed infine dal setup di un design flow 3D utilizzando interamente CAD 2D. Questo primo step ci ha permesso di effettuare delle analisi dettagliate sia sul costo sia sulle varie implicazioni. Il secondo contributo è costituito dallo sviluppo di alcuni blocchi funzionali necessari per garantire il corretto funziomento della 3D NoC, in presenza sia di guasti nelle TSVs (fault tolerant links) che di deriva termica nei vari clock tree dei vari die (alberi di clock indipendenti). Questo secondo contributo è costituito dallo sviluppo delle seguenti soluzioni circuitali: 3D fault tolerant link, Look Up Table riconfigurabili e un sicnronizzatore mesocrono. Il primo è costituito fondamentalmente un bus verticale equipaggiato con delle TSV di riserva da utilizzare per rimpiazzare le vias guaste, più la logica di controllo per effettuare il test e la riconfigurazione. Il secondo è rappresentato da una Look Up Table riconfigurabile, ad alte prestazioni e dal costo contenuto, necesaria per bilanciare sia il traffico nella NoC che per bypassare link non riparabili. Infine la terza soluzione circuitale è rappresentata da un sincronizzatore mesocrono necessario per garantire la sincronizzazione nel trasferimento dati da un layer and un altro nelle 3D Noc. Il terzo contributo di questa tesi è dato dalla realizzazione di un interfaccia multicore per memorie 3D (stacked 3D DRAM) ad alte prestazioni, e dall’esplorazione architetturale dei benefici e del costo di questo nuovo sistema in cui il la memoria principale non è piu il collo di bottiglia dell’intero sistema. Il quarto ed ultimo contributo è rappresentato dalla realizzazione di un 3D NoC test chip presso la fonderia IMEC, e di un circuito full custom per la caratterizzazione della variability dei parametri RC delle interconnessioni verticali.

General-Purpose Computing on Graphic Processing Unit (GPGPU): metodi e tecnologie per lo sviluppo di applicazioni

Microprocessori basati su singolo processore (CPU), hanno visto una rapida crescita di performances ed un abbattimento dei costi per circa venti anni. Questi microprocessori hanno portato una potenza di calcolo nell’ordine del GFLOPS (Giga Floating Point Operation per Second) sui PC Desktop e centinaia di GFLOPS su clusters di server. Questa ascesa ha portato nuove funzionalità nei programmi, migliori interfacce utente e tanti altri vantaggi. Tuttavia questa crescita ha subito un brusco rallentamento nel 2003 a causa di consumi energetici sempre più elevati e problemi di dissipazione termica, che hanno impedito incrementi di frequenza di clock. I limiti fisici del silicio erano sempre più vicini. Per ovviare al problema i produttori di CPU (Central Processing Unit) hanno iniziato a progettare microprocessori multicore, scelta che ha avuto un impatto notevole sulla comunità degli sviluppatori, abituati a considerare il software come una serie di comandi sequenziali. Quindi i programmi che avevano sempre giovato di miglioramenti di prestazioni ad ogni nuova generazione di CPU, non hanno avuto incrementi di performance, in quanto essendo eseguiti su un solo core, non beneficiavano dell’intera potenza della CPU. Per sfruttare appieno la potenza delle nuove CPU la programmazione concorrente, precedentemente utilizzata solo su sistemi costosi o supercomputers, è diventata una pratica sempre più utilizzata dagli sviluppatori. Allo stesso tempo, l’industria videoludica ha conquistato una fetta di mercato notevole: solo nel 2013 verranno spesi quasi 100 miliardi di dollari fra hardware e software dedicati al gaming. Le software houses impegnate nello sviluppo di videogames, per rendere i loro titoli più accattivanti, puntano su motori grafici sempre più potenti e spesso scarsamente ottimizzati, rendendoli estremamente esosi in termini di performance. Per questo motivo i produttori di GPU (Graphic Processing Unit), specialmente nell’ultimo decennio, hanno dato vita ad una vera e propria rincorsa alle performances che li ha portati ad ottenere dei prodotti con capacità di calcolo vertiginose. Ma al contrario delle CPU che agli inizi del 2000 intrapresero la strada del multicore per continuare a favorire programmi sequenziali, le GPU sono diventate manycore, ovvero con centinaia e centinaia di piccoli cores che eseguono calcoli in parallelo. Questa immensa capacità di calcolo può essere utilizzata in altri campi applicativi? La risposta è si e l’obiettivo di questa tesi è proprio quello di constatare allo stato attuale, in che modo e con quale efficienza pùo un software generico, avvalersi dell’utilizzo della GPU invece della CPU.

Hardware/Software Design of Dynamic Real-Time Schedulers for Embedded Multiprocessor Systems

The new generation of multicore processors opens new perspectives for the design of embedded systems. Multiprocessing, however, poses new challenges to the scheduling of real-time applications, in which the ever-increasing computational demands are constantly flanked by the need of meeting critical time constraints. Many research works have contributed to this field introducing new advanced scheduling algorithms. However, despite many of these works have solidly demonstrated their effectiveness, the actual support for multiprocessor real-time scheduling offered by current operating systems is still very limited. This dissertation deals with implementative aspects of real-time schedulers in modern embedded multiprocessor systems. The first contribution is represented by an open-source scheduling framework, which is capable of realizing complex multiprocessor scheduling policies, such as G-EDF, on conventional operating systems exploiting only their native scheduler from user-space. A set of experimental evaluations compare the proposed solution to other research projects that pursue the same goals by means of kernel modifications, highlighting comparable scheduling performances. The principles that underpin the operation of the framework, originally designed for symmetric multiprocessors, have been further extended first to asymmetric ones, which are subjected to major restrictions such as the lack of support for task migrations, and later to re-programmable hardware architectures (FPGAs). In the latter case, this work introduces a scheduling accelerator, which offloads most of the scheduling operations to the hardware and exhibits extremely low scheduling jitter. The realization of a portable scheduling framework presented many interesting software challenges. One of these has been represented by timekeeping. In this regard, a further contribution is represented by a novel data structure, called addressable binary heap (ABH). Such ABH, which is conceptually a pointer-based implementation of a binary heap, shows very interesting average and worst-case performances when addressing the problem of tick-less timekeeping of high-resolution timers.

Use of shared memory in the context of embedded multi-core processors: exploration of the technology and its limits

Modern embedded systems embrace many-core shared-memory designs. Due to constrained power and area budgets, most of them feature software-managed scratchpad memories instead of data caches to increase the data locality. It is therefore programmers’ responsibility to explicitly manage the memory transfers, and this make programming these platform cumbersome. Moreover, complex modern applications must be adequately parallelized before they can the parallel potential of the platform into actual performance. To support this, programming languages were proposed, which work at a high level of abstraction, and rely on a runtime whose cost hinders performance, especially in embedded systems, where resources and power budget are constrained. This dissertation explores the applicability of the shared-memory paradigm on modern many-core systems, focusing on the ease-of-programming. It focuses on OpenMP, the de-facto standard for shared memory programming. In a first part, the cost of algorithms for synchronization and data partitioning are analyzed, and they are adapted to modern embedded many-cores. Then, the original design of an OpenMP runtime library is presented, which supports complex forms of parallelism such as multi-level and irregular parallelism. In the second part of the thesis, the focus is on heterogeneous systems, where hardware accelerators are coupled to (many-)cores to implement key functional kernels with orders-of-magnitude of speedup and energy efficiency compared to the “pure software” version. However, three main issues rise, namely i) platform design complexity, ii) architectural scalability and iii) programmability. To tackle them, a template for a generic hardware processing unit (HWPU) is proposed, which share the memory banks with cores, and the template for a scalable architecture is shown, which integrates them through the shared-memory system. Then, a full software stack and toolchain are developed to support platform design and to let programmers exploiting the accelerators of the platform. The OpenMP frontend is extended to interact with it.

Operating System Contribution to Composable Timing Behaviour in High-Integrity Real-Time Systems

The development of High-Integrity Real-Time Systems has a high footprint in terms of human, material and schedule costs. Factoring functional, reusable logic in the application favors incremental development and contains costs. Yet, achieving incrementality in the timing behavior is a much harder problem. Complex features at all levels of the execution stack, aimed to boost average-case performance, exhibit timing behavior highly dependent on execution history, which wrecks time composability and incrementaility with it. Our goal here is to restitute time composability to the execution stack, working bottom up across it. We first characterize time composability without making assumptions on the system architecture or the software deployment to it. Later, we focus on the role played by the real-time operating system in our pursuit. Initially we consider single-core processors and, becoming less permissive on the admissible hardware features, we devise solutions that restore a convincing degree of time composability. To show what can be done for real, we developed TiCOS, an ARINC-compliant kernel, and re-designed ORK+, a kernel for Ada Ravenscar runtimes. In that work, we added support for limited-preemption to ORK+, an absolute premiere in the landscape of real-word kernels. Our implementation allows resource sharing to co-exist with limited-preemptive scheduling, which extends state of the art. We then turn our attention to multicore architectures, first considering partitioned systems, for which we achieve results close to those obtained for single-core processors. Subsequently, we shy away from the over-provision of those systems and consider less restrictive uses of homogeneous multiprocessors, where the scheduling algorithm is key to high schedulable utilization. To that end we single out RUN, a promising baseline, and extend it to SPRINT, which supports sporadic task sets, hence matches real-world industrial needs better. To corroborate our results we present findings from real-world case studies from avionic industry.

Applying the reactive programming paradigm: Toward a more declarative application development approach

After almost 10 years from “The Free Lunch Is Over” article, where the need to parallelize programs started to be a real and mainstream issue, a lot of stuffs did happened: • Processor manufacturers are reaching the physical limits with most of their approaches to boosting CPU performance, and are instead turning to hyperthreading and multicore architectures; • Applications are increasingly need to support concurrency; • Programming languages and systems are increasingly forced to deal well with concurrency. This thesis is an attempt to propose an overview of a paradigm that aims to properly abstract the problem of propagating data changes: Reactive Programming (RP). This paradigm proposes an asynchronous non-blocking approach to concurrency and computations, abstracting from the low-level concurrency mechanisms.

Mg/Ca-temperature proxy in benthic foraminifera from the Florida Strait

Over the past decade, the ratio of Mg to Ca in foraminiferal tests has emerged as a valuable paleotemperature proxy. However, large uncertainties remain in the relationships between benthic foraminiferal Mg/Ca and temperature. Mg/Ca was measured in benthic foraminifera from 31 high-quality multicore tops collected in the Florida Straits, spanning a temperature range of 5.8° to 18.6°C. New calibrations are presented for Uvigerina peregrina, Planulina ariminensis, Planulina foveolata, and Hoeglundina elegans. The Mg/Ca values and temperature sensitivities vary among species, but all species exhibit a positive correlation that decreases in slope at higher temperatures. The decrease in the sensitivity of Mg/Ca to temperature may potentially be explained by Mg/Ca suppression at high carbonate ion concentrations. It is suggested that a carbonate ion influence on Mg/Ca may be adjusted for by dividing Mg/Ca by Li/Ca. The Mg/Li ratio displays stronger correlations to temperature, with up to 90% of variance explained, than Mg/Ca alone. These new calibrations are tested on several Last Glacial Maximum (LGM) samples from the Florida Straits. LGM temperatures reconstructed from Mg/Ca and Mg/Li are generally more scattered than core top measurements and may be contaminated by high-Mg overgrowths. The potential for Mg/Ca and Mg/Li as temperature proxies warrants further testing.