Parallel relationships, architecture and water : the urban spa

This thesis explores the relationship of architecture and water through the design of an urban spa that offers both a bodily and a poetic experience of water. Research included investigation of recent architectural projects that enhance and order the view, sound, and touch of water as well as projects that integrate fountains, showers and reflecting pools into the experience of a building. In the design of the spa, the movement of water was based metaphorically on the natural water cycle: evaporation, condensation and collection of water in pools. The building presents fountains, rivulets, and pools in a descending sequence that represents the natural flow of water. The temperature of water and the activities of the spa follow the same descending sequence, progressing from a warm water bath at the top of the building to cool swimming pool at the plaza level in a contemporary interpretation of the experience of a Roman Bath.

Shopping Cart System: Load Balancing and Fault Tolerance in the OSGi Service Platform

The main purpose of this paper was to find a simple solution for load balancing and fault tolerance in OSGi. The challenge was to implement a highly available web application such as a shopping cart system with load balancing and fault tolerance, without having to change the core of OSGi.

Development of a Computer-Based methodology for tolerance selection and optimization applied to the automotive sector

The design optimization of industrial products has always been an essential activity to improve product quality while reducing time-to-market and production costs. Although cost management is very complex and comprises all phases of the product life cycle, the control of geometrical and dimensional variations, known as Dimensional Management (DM), allows compliance with product and process requirements. Hence, the tolerance-cost optimization becomes the main practice to provide an effective application of Design for Tolerancing (DfT) and Design to Cost (DtC) approaches by enabling a connection between product tolerances and associated manufacturing costs. However, despite the growing interest in this topic, a profitable application in the industry of these techniques is hampered by their complexity: the definition of a systematic framework is the key element to improving design optimization, enhancing the concurrent use of Computer-Aided tools and Model-Based Definition (MBD) practices. The present doctorate research aims to define and develop an integrated methodology for product/process design optimization, to better exploit the new capabilities of advanced simulations and tools. By implementing predictive models and multi-disciplinary optimization, a Computer-Aided Integrated framework for tolerance-cost optimization has been proposed to allow the integration of DfT and DtC approaches and their direct application for the design of automotive components. Several case studies have been considered, with the final application of the integrated framework on a high-performance V12 engine assembly, to achieve both functional targets and cost reduction. From a scientific point of view, the proposed methodology provides an improvement for the tolerance-cost optimization of industrial components. The integration of theoretical approaches and Computer-Aided tools allows to analyse the influence of tolerances on both product performance and manufacturing costs. The case studies proved the suitability of the methodology for its application in the industrial field, providing the identification of further areas for improvement and refinement.

RADIC II: a fault tolerant architecture with flexible dynamic redundancy

The demand for computational power has been leading the improvement of the High Performance Computing (HPC) area, generally represented by the use of distributed systems like clusters of computers running parallel applications. In this area, fault tolerance plays an important role in order to provide high availability isolating the application from the faults effects. Performance and availability form an undissociable binomial for some kind of applications. Therefore, the fault tolerant solutions must take into consideration these two constraints when it has been designed. In this dissertation, we present a few side-effects that some fault tolerant solutions may presents when recovering a failed process. These effects may causes degradation of the system, affecting mainly the overall performance and availability. We introduce RADIC-II, a fault tolerant architecture for message passing based on RADIC (Redundant Array of Distributed Independent Fault Tolerance Controllers) architecture. RADIC-II keeps as maximum as possible the RADIC features of transparency, decentralization, flexibility and scalability, incorporating a flexible dynamic redundancy feature, allowing to mitigate or to avoid some recovery side-effects.

An architecture for decentralized service deployment

Peer-reviewed

Une architecture parallèle distribuée et tolérante aux pannes pour le protocole interdomaine BGP au cœur de l’Internet

L’augmentation du nombre d’usagers de l’Internet a entraîné une croissance exponentielle dans les tables de routage. Cette taille prévoit l’atteinte d’un million de préfixes dans les prochaines années. De même, les routeurs au cœur de l’Internet peuvent facilement atteindre plusieurs centaines de connexions BGP simultanées avec des routeurs voisins. Dans une architecture classique des routeurs, le protocole BGP s’exécute comme une entité unique au sein du routeur. Cette architecture comporte deux inconvénients majeurs : l’extensibilité (scalabilité) et la fiabilité. D’un côté, la scalabilité de BGP est mesurable en termes de nombre de connexions et aussi par la taille maximale de la table de routage que l’interface de contrôle puisse supporter. De l’autre côté, la fiabilité est un sujet critique dans les routeurs au cœur de l’Internet. Si l’instance BGP s’arrête, toutes les connexions seront perdues et le nouvel état de la table de routage sera propagé tout au long de l’Internet dans un délai de convergence non trivial. Malgré la haute fiabilité des routeurs au cœur de l’Internet, leur résilience aux pannes est augmentée considérablement et celle-ci est implantée dans la majorité des cas via une redondance passive qui peut limiter la scalabilité du routeur. Dans cette thèse, on traite les deux inconvénients en proposant une nouvelle approche distribuée de BGP pour augmenter sa scalabilité ainsi que sa fiabilité sans changer la sémantique du protocole. L’architecture distribuée de BGP proposée dans la première contribution est faite pour satisfaire les deux contraintes : scalabilité et fiabilité. Ceci est accompli en exploitant adéquatement le parallélisme et la distribution des modules de BGP sur plusieurs cartes de contrôle. Dans cette contribution, les fonctionnalités de BGP sont divisées selon le paradigme « maître-esclave » et le RIB (Routing Information Base) est dupliqué sur plusieurs cartes de contrôle. Dans la deuxième contribution, on traite la tolérance aux pannes dans l’architecture élaborée dans la première contribution en proposant un mécanisme qui augmente la fiabilité. De plus, nous prouvons analytiquement dans cette contribution qu’en adoptant une telle architecture distribuée, la disponibilité de BGP sera augmentée considérablement versus une architecture monolithique. Dans la troisième contribution, on propose une méthode de partitionnement de la table de routage que nous avons appelé DRTP pour diviser la table de BGP sur plusieurs cartes de contrôle. Cette contribution vise à augmenter la scalabilité de la table de routage et la parallélisation de l’algorithme de recherche (Best Match Prefix) en partitionnant la table de routage sur plusieurs nœuds physiquement distribués.

A cluster-based implementation of a fault-tolerant parallel reduction algorithm using swarm-array computing

Recent research in multi-agent systems incorporate fault tolerance concepts. However, the research does not explore the extension and implementation of such ideas for large scale parallel computing systems. The work reported in this paper investigates a swarm array computing approach, namely ‘Intelligent Agents’. In the approach considered a task to be executed on a parallel computing system is decomposed to sub-tasks and mapped onto agents that traverse an abstracted hardware layer. The agents intercommunicate across processors to share information during the event of a predicted core/processor failure and for successfully completing the task. The agents hence contribute towards fault tolerance and towards building reliable systems. The feasibility of the approach is validated by simulations on an FPGA using a multi-agent simulator and implementation of a parallel reduction algorithm on a computer cluster using the Message Passing Interface.

Run-Time Dynamically-Adaptable FPGA-Based Architecture for High-Performance Autonomous Distributed Systems

Esta tesis doctoral se enmarca dentro del campo de los sistemas embebidos reconfigurables, redes de sensores inalámbricas para aplicaciones de altas prestaciones, y computación distribuida. El documento se centra en el estudio de alternativas de procesamiento para sistemas embebidos autónomos distribuidos de altas prestaciones (por sus siglas en inglés, High-Performance Autonomous Distributed Systems (HPADS)), así como su evolución hacia el procesamiento de alta resolución. El estudio se ha llevado a cabo tanto a nivel de plataforma como a nivel de las arquitecturas de procesamiento dentro de la plataforma con el objetivo de optimizar aspectos tan relevantes como la eficiencia energética, la capacidad de cómputo y la tolerancia a fallos del sistema. Los HPADS son sistemas realimentados, normalmente formados por elementos distribuidos conectados o no en red, con cierta capacidad de adaptación, y con inteligencia suficiente para llevar a cabo labores de prognosis y/o autoevaluación. Esta clase de sistemas suele formar parte de sistemas más complejos llamados sistemas ciber-físicos (por sus siglas en inglés, Cyber-Physical Systems (CPSs)). Los CPSs cubren un espectro enorme de aplicaciones, yendo desde aplicaciones médicas, fabricación, o aplicaciones aeroespaciales, entre otras muchas. Para el diseño de este tipo de sistemas, aspectos tales como la confiabilidad, la definición de modelos de computación, o el uso de metodologías y/o herramientas que faciliten el incremento de la escalabilidad y de la gestión de la complejidad, son fundamentales. La primera parte de esta tesis doctoral se centra en el estudio de aquellas plataformas existentes en el estado del arte que por sus características pueden ser aplicables en el campo de los CPSs, así como en la propuesta de un nuevo diseño de plataforma de altas prestaciones que se ajuste mejor a los nuevos y más exigentes requisitos de las nuevas aplicaciones. Esta primera parte incluye descripción, implementación y validación de la plataforma propuesta, así como conclusiones sobre su usabilidad y sus limitaciones. Los principales objetivos para el diseño de la plataforma propuesta se enumeran a continuación: • Estudiar la viabilidad del uso de una FPGA basada en RAM como principal procesador de la plataforma en cuanto a consumo energético y capacidad de cómputo. • Propuesta de técnicas de gestión del consumo de energía en cada etapa del perfil de trabajo de la plataforma. •Propuestas para la inclusión de reconfiguración dinámica y parcial de la FPGA (por sus siglas en inglés, Dynamic Partial Reconfiguration (DPR)) de forma que sea posible cambiar ciertas partes del sistema en tiempo de ejecución y sin necesidad de interrumpir al resto de las partes. Evaluar su aplicabilidad en el caso de HPADS. Las nuevas aplicaciones y nuevos escenarios a los que se enfrentan los CPSs, imponen nuevos requisitos en cuanto al ancho de banda necesario para el procesamiento de los datos, así como en la adquisición y comunicación de los mismos, además de un claro incremento en la complejidad de los algoritmos empleados. Para poder cumplir con estos nuevos requisitos, las plataformas están migrando desde sistemas tradicionales uni-procesador de 8 bits, a sistemas híbridos hardware-software que incluyen varios procesadores, o varios procesadores y lógica programable. Entre estas nuevas arquitecturas, las FPGAs y los sistemas en chip (por sus siglas en inglés, System on Chip (SoC)) que incluyen procesadores embebidos y lógica programable, proporcionan soluciones con muy buenos resultados en cuanto a consumo energético, precio, capacidad de cómputo y flexibilidad. Estos buenos resultados son aún mejores cuando las aplicaciones tienen altos requisitos de cómputo y cuando las condiciones de trabajo son muy susceptibles de cambiar en tiempo real. La plataforma propuesta en esta tesis doctoral se ha denominado HiReCookie. La arquitectura incluye una FPGA basada en RAM como único procesador, así como un diseño compatible con la plataforma para redes de sensores inalámbricas desarrollada en el Centro de Electrónica Industrial de la Universidad Politécnica de Madrid (CEI-UPM) conocida como Cookies. Esta FPGA, modelo Spartan-6 LX150, era, en el momento de inicio de este trabajo, la mejor opción en cuanto a consumo y cantidad de recursos integrados, cuando además, permite el uso de reconfiguración dinámica y parcial. Es importante resaltar que aunque los valores de consumo son los mínimos para esta familia de componentes, la potencia instantánea consumida sigue siendo muy alta para aquellos sistemas que han de trabajar distribuidos, de forma autónoma, y en la mayoría de los casos alimentados por baterías. Por esta razón, es necesario incluir en el diseño estrategias de ahorro energético para incrementar la usabilidad y el tiempo de vida de la plataforma. La primera estrategia implementada consiste en dividir la plataforma en distintas islas de alimentación de forma que sólo aquellos elementos que sean estrictamente necesarios permanecerán alimentados, cuando el resto puede estar completamente apagado. De esta forma es posible combinar distintos modos de operación y así optimizar enormemente el consumo de energía. El hecho de apagar la FPGA para ahora energía durante los periodos de inactividad, supone la pérdida de la configuración, puesto que la memoria de configuración es una memoria volátil. Para reducir el impacto en el consumo y en el tiempo que supone la reconfiguración total de la plataforma una vez encendida, en este trabajo, se incluye una técnica para la compresión del archivo de configuración de la FPGA, de forma que se consiga una reducción del tiempo de configuración y por ende de la energía consumida. Aunque varios de los requisitos de diseño pueden satisfacerse con el diseño de la plataforma HiReCookie, es necesario seguir optimizando diversos parámetros tales como el consumo energético, la tolerancia a fallos y la capacidad de procesamiento. Esto sólo es posible explotando todas las posibilidades ofrecidas por la arquitectura de procesamiento en la FPGA. Por lo tanto, la segunda parte de esta tesis doctoral está centrada en el diseño de una arquitectura reconfigurable denominada ARTICo3 (Arquitectura Reconfigurable para el Tratamiento Inteligente de Cómputo, Confiabilidad y Consumo de energía) para la mejora de estos parámetros por medio de un uso dinámico de recursos. ARTICo3 es una arquitectura de procesamiento para FPGAs basadas en RAM, con comunicación tipo bus, preparada para dar soporte para la gestión dinámica de los recursos internos de la FPGA en tiempo de ejecución gracias a la inclusión de reconfiguración dinámica y parcial. Gracias a esta capacidad de reconfiguración parcial, es posible adaptar los niveles de capacidad de procesamiento, energía consumida o tolerancia a fallos para responder a las demandas de la aplicación, entorno, o métricas internas del dispositivo mediante la adaptación del número de recursos asignados para cada tarea. Durante esta segunda parte de la tesis se detallan el diseño de la arquitectura, su implementación en la plataforma HiReCookie, así como en otra familia de FPGAs, y su validación por medio de diferentes pruebas y demostraciones. Los principales objetivos que se plantean la arquitectura son los siguientes: • Proponer una metodología basada en un enfoque multi-hilo, como las propuestas por CUDA (por sus siglas en inglés, Compute Unified Device Architecture) u Open CL, en la cual distintos kernels, o unidades de ejecución, se ejecuten en un numero variable de aceleradores hardware sin necesidad de cambios en el código de aplicación. • Proponer un diseño y proporcionar una arquitectura en la que las condiciones de trabajo cambien de forma dinámica dependiendo bien de parámetros externos o bien de parámetros que indiquen el estado de la plataforma. Estos cambios en el punto de trabajo de la arquitectura serán posibles gracias a la reconfiguración dinámica y parcial de aceleradores hardware en tiempo real. • Explotar las posibilidades de procesamiento concurrente, incluso en una arquitectura basada en bus, por medio de la optimización de las transacciones en ráfaga de datos hacia los aceleradores. •Aprovechar las ventajas ofrecidas por la aceleración lograda por módulos puramente hardware para conseguir una mejor eficiencia energética. • Ser capaces de cambiar los niveles de redundancia de hardware de forma dinámica según las necesidades del sistema en tiempo real y sin cambios para el código de aplicación. • Proponer una capa de abstracción entre el código de aplicación y el uso dinámico de los recursos de la FPGA. El diseño en FPGAs permite la utilización de módulos hardware específicamente creados para una aplicación concreta. De esta forma es posible obtener rendimientos mucho mayores que en el caso de las arquitecturas de propósito general. Además, algunas FPGAs permiten la reconfiguración dinámica y parcial de ciertas partes de su lógica en tiempo de ejecución, lo cual dota al diseño de una gran flexibilidad. Los fabricantes de FPGAs ofrecen arquitecturas predefinidas con la posibilidad de añadir bloques prediseñados y poder formar sistemas en chip de una forma más o menos directa. Sin embargo, la forma en la que estos módulos hardware están organizados dentro de la arquitectura interna ya sea estática o dinámicamente, o la forma en la que la información se intercambia entre ellos, influye enormemente en la capacidad de cómputo y eficiencia energética del sistema. De la misma forma, la capacidad de cargar módulos hardware bajo demanda, permite añadir bloques redundantes que permitan aumentar el nivel de tolerancia a fallos de los sistemas. Sin embargo, la complejidad ligada al diseño de bloques hardware dedicados no debe ser subestimada. Es necesario tener en cuenta que el diseño de un bloque hardware no es sólo su propio diseño, sino también el diseño de sus interfaces, y en algunos casos de los drivers software para su manejo. Además, al añadir más bloques, el espacio de diseño se hace más complejo, y su programación más difícil. Aunque la mayoría de los fabricantes ofrecen interfaces predefinidas, IPs (por sus siglas en inglés, Intelectual Property) comerciales y plantillas para ayudar al diseño de los sistemas, para ser capaces de explotar las posibilidades reales del sistema, es necesario construir arquitecturas sobre las ya establecidas para facilitar el uso del paralelismo, la redundancia, y proporcionar un entorno que soporte la gestión dinámica de los recursos. Para proporcionar este tipo de soporte, ARTICo3 trabaja con un espacio de soluciones formado por tres ejes fundamentales: computación, consumo energético y confiabilidad. De esta forma, cada punto de trabajo se obtiene como una solución de compromiso entre estos tres parámetros. Mediante el uso de la reconfiguración dinámica y parcial y una mejora en la transmisión de los datos entre la memoria principal y los aceleradores, es posible dedicar un número variable de recursos en el tiempo para cada tarea, lo que hace que los recursos internos de la FPGA sean virtualmente ilimitados. Este variación en el tiempo del número de recursos por tarea se puede usar bien para incrementar el nivel de paralelismo, y por ende de aceleración, o bien para aumentar la redundancia, y por lo tanto el nivel de tolerancia a fallos. Al mismo tiempo, usar un numero óptimo de recursos para una tarea mejora el consumo energético ya que bien es posible disminuir la potencia instantánea consumida, o bien el tiempo de procesamiento. Con el objetivo de mantener los niveles de complejidad dentro de unos límites lógicos, es importante que los cambios realizados en el hardware sean totalmente transparentes para el código de aplicación. A este respecto, se incluyen distintos niveles de transparencia: • Transparencia a la escalabilidad: los recursos usados por una misma tarea pueden ser modificados sin que el código de aplicación sufra ningún cambio. • Transparencia al rendimiento: el sistema aumentara su rendimiento cuando la carga de trabajo aumente, sin cambios en el código de aplicación. • Transparencia a la replicación: es posible usar múltiples instancias de un mismo módulo bien para añadir redundancia o bien para incrementar la capacidad de procesamiento. Todo ello sin que el código de aplicación cambie. • Transparencia a la posición: la posición física de los módulos hardware es arbitraria para su direccionamiento desde el código de aplicación. • Transparencia a los fallos: si existe un fallo en un módulo hardware, gracias a la redundancia, el código de aplicación tomará directamente el resultado correcto. • Transparencia a la concurrencia: el hecho de que una tarea sea realizada por más o menos bloques es transparente para el código que la invoca. Por lo tanto, esta tesis doctoral contribuye en dos líneas diferentes. En primer lugar, con el diseño de la plataforma HiReCookie y en segundo lugar con el diseño de la arquitectura ARTICo3. Las principales contribuciones de esta tesis se resumen a continuación. • Arquitectura de la HiReCookie incluyendo: o Compatibilidad con la plataforma Cookies para incrementar las capacidades de esta. o División de la arquitectura en distintas islas de alimentación. o Implementación de los diversos modos de bajo consumo y políticas de despertado del nodo. o Creación de un archivo de configuración de la FPGA comprimido para reducir el tiempo y el consumo de la configuración inicial. • Diseño de la arquitectura reconfigurable para FPGAs basadas en RAM ARTICo3: o Modelo de computación y modos de ejecución inspirados en el modelo de CUDA pero basados en hardware reconfigurable con un número variable de bloques de hilos por cada unidad de ejecución. o Estructura para optimizar las transacciones de datos en ráfaga proporcionando datos en cascada o en paralelo a los distinto módulos incluyendo un proceso de votado por mayoría y operaciones de reducción. o Capa de abstracción entre el procesador principal que incluye el código de aplicación y los recursos asignados para las diferentes tareas. o Arquitectura de los módulos hardware reconfigurables para mantener la escalabilidad añadiendo una la interfaz para las nuevas funcionalidades con un simple acceso a una memoria RAM interna. o Caracterización online de las tareas para proporcionar información a un módulo de gestión de recursos para mejorar la operación en términos de energía y procesamiento cuando además se opera entre distintos nieles de tolerancia a fallos. El documento está dividido en dos partes principales formando un total de cinco capítulos. En primer lugar, después de motivar la necesidad de nuevas plataformas para cubrir las nuevas aplicaciones, se detalla el diseño de la plataforma HiReCookie, sus partes, las posibilidades para bajar el consumo energético y se muestran casos de uso de la plataforma así como pruebas de validación del diseño. La segunda parte del documento describe la arquitectura reconfigurable, su implementación en varias FPGAs, y pruebas de validación en términos de capacidad de procesamiento y consumo energético, incluyendo cómo estos aspectos se ven afectados por el nivel de tolerancia a fallos elegido. Los capítulos a lo largo del documento son los siguientes: El capítulo 1 analiza los principales objetivos, motivación y aspectos teóricos necesarios para seguir el resto del documento. El capítulo 2 está centrado en el diseño de la plataforma HiReCookie y sus posibilidades para disminuir el consumo de energía. El capítulo 3 describe la arquitectura reconfigurable ARTICo3. El capítulo 4 se centra en las pruebas de validación de la arquitectura usando la plataforma HiReCookie para la mayoría de los tests. Un ejemplo de aplicación es mostrado para analizar el funcionamiento de la arquitectura. El capítulo 5 concluye esta tesis doctoral comentando las conclusiones obtenidas, las contribuciones originales del trabajo y resultados y líneas futuras. ABSTRACT This PhD Thesis is framed within the field of dynamically reconfigurable embedded systems, advanced sensor networks and distributed computing. The document is centred on the study of processing solutions for high-performance autonomous distributed systems (HPADS) as well as their evolution towards High performance Computing (HPC) systems. The approach of the study is focused on both platform and processor levels to optimise critical aspects such as computing performance, energy efficiency and fault tolerance. HPADS are considered feedback systems, normally networked and/or distributed, with real-time adaptive and predictive functionality. These systems, as part of more complex systems known as Cyber-Physical Systems (CPSs), can be applied in a wide range of fields such as military, health care, manufacturing, aerospace, etc. For the design of HPADS, high levels of dependability, the definition of suitable models of computation, and the use of methodologies and tools to support scalability and complexity management, are required. The first part of the document studies the different possibilities at platform design level in the state of the art, together with description, development and validation tests of the platform proposed in this work to cope with the previously mentioned requirements. The main objectives targeted by this platform design are the following: • Study the feasibility of using SRAM-based FPGAs as the main processor of the platform in terms of energy consumption and performance for high demanding applications. • Analyse and propose energy management techniques to reduce energy consumption in every stage of the working profile of the platform. • Provide a solution with dynamic partial and wireless remote HW reconfiguration (DPR) to be able to change certain parts of the FPGA design at run time and on demand without interrupting the rest of the system. • Demonstrate the applicability of the platform in different test-bench applications. In order to select the best approach for the platform design in terms of processing alternatives, a study of the evolution of the state-of-the-art platforms is required to analyse how different architectures cope with new more demanding applications and scenarios: security, mixed-critical systems for aerospace, multimedia applications, or military environments, among others. In all these scenarios, important changes in the required processing bandwidth or the complexity of the algorithms used are provoking the migration of the platforms from single microprocessor architectures to multiprocessing and heterogeneous solutions with more instant power consumption but higher energy efficiency. Within these solutions, FPGAs and Systems on Chip including FPGA fabric and dedicated hard processors, offer a good trade of among flexibility, processing performance, energy consumption and price, when they are used in demanding applications where working conditions are very likely to vary over time and high complex algorithms are required. The platform architecture proposed in this PhD Thesis is called HiReCookie. It includes an SRAM-based FPGA as the main and only processing unit. The FPGA selected, the Xilinx Spartan-6 LX150, was at the beginning of this work the best choice in terms of amount of resources and power. Although, the power levels are the lowest of these kind of devices, they can be still very high for distributed systems that normally work powered by batteries. For that reason, it is necessary to include different energy saving possibilities to increase the usability of the platform. In order to reduce energy consumption, the platform architecture is divided into different power islands so that only those parts of the systems that are strictly needed are powered on, while the rest of the islands can be completely switched off. This allows a combination of different low power modes to decrease energy. In addition, one of the most important handicaps of SRAM-based FPGAs is that they are not alive at power up. Therefore, recovering the system from a switch-off state requires to reload the FPGA configuration from a non-volatile memory device. For that reason, this PhD Thesis also proposes a methodology to compress the FPGA configuration file in order to reduce time and energy during the initial configuration process. Although some of the requirements for the design of HPADS are already covered by the design of the HiReCookie platform, it is necessary to continue improving energy efficiency, computing performance and fault tolerance. This is only possible by exploiting all the opportunities provided by the processing architectures configured inside the FPGA. Therefore, the second part of the thesis details the design of the so called ARTICo3 FPGA architecture to enhance the already intrinsic capabilities of the FPGA. ARTICo3 is a DPR-capable bus-based virtual architecture for multiple HW acceleration in SRAM-based FPGAs. The architecture provides support for dynamic resource management in real time. In this way, by using DPR, it will be possible to change the levels of computing performance, energy consumption and fault tolerance on demand by increasing or decreasing the amount of resources used by the different tasks. Apart from the detailed design of the architecture and its implementation in different FPGA devices, different validation tests and comparisons are also shown. The main objectives targeted by this FPGA architecture are listed as follows: • Provide a method based on a multithread approach such as those offered by CUDA (Compute Unified Device Architecture) or OpenCL kernel executions, where kernels are executed in a variable number of HW accelerators without requiring application code changes. • Provide an architecture to dynamically adapt working points according to either self-measured or external parameters in terms of energy consumption, fault tolerance and computing performance. Taking advantage of DPR capabilities, the architecture must provide support for a dynamic use of resources in real time. • Exploit concurrent processing capabilities in a standard bus-based system by optimizing data transactions to and from HW accelerators. • Measure the advantage of HW acceleration as a technique to boost performance to improve processing times and save energy by reducing active times for distributed embedded systems. • Dynamically change the levels of HW redundancy to adapt fault tolerance in real time. • Provide HW abstraction from SW application design. FPGAs give the possibility of designing specific HW blocks for every required task to optimise performance while some of them include the possibility of including DPR. Apart from the possibilities provided by manufacturers, the way these HW modules are organised, addressed and multiplexed in area and time can improve computing performance and energy consumption. At the same time, fault tolerance and security techniques can also be dynamically included using DPR. However, the inherent complexity of designing new HW modules for every application is not negligible. It does not only consist of the HW description, but also the design of drivers and interfaces with the rest of the system, while the design space is widened and more complex to define and program. Even though the tools provided by the majority of manufacturers already include predefined bus interfaces, commercial IPs, and templates to ease application prototyping, it is necessary to improve these capabilities. By adding new architectures on top of them, it is possible to take advantage of parallelization and HW redundancy while providing a framework to ease the use of dynamic resource management. ARTICo3 works within a solution space where working points change at run time in a 3D space defined by three different axes: Computation, Consumption, and Fault Tolerance. Therefore, every working point is found as a trade-off solution among these three axes. By means of DPR, different accelerators can be multiplexed so that the amount of available resources for any application is virtually unlimited. Taking advantage of DPR capabilities and a novel way of transmitting data to the reconfigurable HW accelerators, it is possible to dedicate a dynamically-changing number of resources for a given task in order to either boost computing speed or adding HW redundancy and a voting process to increase fault-tolerance levels. At the same time, using an optimised amount of resources for a given task reduces energy consumption by reducing instant power or computing time. In order to keep level complexity under certain limits, it is important that HW changes are transparent for the application code. Therefore, different levels of transparency are targeted by the system: • Scalability transparency: a task must be able to expand its resources without changing the system structure or application algorithms. • Performance transparency: the system must reconfigure itself as load changes. • Replication transparency: multiple instances of the same task are loaded to increase reliability and performance. • Location transparency: resources are accessed with no knowledge of their location by the application code. • Failure transparency: task must be completed despite a failure in some components. • Concurrency transparency: different tasks will work in a concurrent way transparent to the application code. Therefore, as it can be seen, the Thesis is contributing in two different ways. First with the design of the HiReCookie platform and, second with the design of the ARTICo3 architecture. The main contributions of this PhD Thesis are then listed below: • Architecture of the HiReCookie platform including: o Compatibility of the processing layer for high performance applications with the Cookies Wireless Sensor Network platform for fast prototyping and implementation. o A division of the architecture in power islands. o All the different low-power modes. o The creation of the partial-initial bitstream together with the wake-up policies of the node. • The design of the reconfigurable architecture for SRAM FPGAs: ARTICo3: o A model of computation and execution modes inspired in CUDA but based on reconfigurable HW with a dynamic number of thread blocks per kernel. o A structure to optimise burst data transactions providing coalesced or parallel data to HW accelerators, parallel voting process and reduction operation. o The abstraction provided to the host processor with respect to the operation of the kernels in terms of the number of replicas, modes of operation, location in the reconfigurable area and addressing. o The architecture of the modules representing the thread blocks to make the system scalable by adding functional units only adding an access to a BRAM port. o The online characterization of the kernels to provide information to a scheduler or resource manager in terms of energy consumption and processing time when changing among different fault-tolerance levels, as well as if a kernel is expected to work in the memory-bounded or computing-bounded areas. The document of the Thesis is divided into two main parts with a total of five chapters. First, after motivating the need for new platforms to cover new more demanding applications, the design of the HiReCookie platform, its parts and several partial tests are detailed. The design of the platform alone does not cover all the needs of these applications. Therefore, the second part describes the architecture inside the FPGA, called ARTICo3, proposed in this PhD Thesis. The architecture and its implementation are tested in terms of energy consumption and computing performance showing different possibilities to improve fault tolerance and how this impact in energy and time of processing. Chapter 1 shows the main goals of this PhD Thesis and the technology background required to follow the rest of the document. Chapter 2 shows all the details about the design of the FPGA-based platform HiReCookie. Chapter 3 describes the ARTICo3 architecture. Chapter 4 is focused on the validation tests of the ARTICo3 architecture. An application for proof of concept is explained where typical kernels related to image processing and encryption algorithms are used. Further experimental analyses are performed using these kernels. Chapter 5 concludes the document analysing conclusions, comments about the contributions of the work, and some possible future lines for the work.

Distributed computer-controlled systems: the DEAR-COTS approach

This paper proposes a new architecture targeting real-time and reliable Distributed Computer-Controlled Systems (DCCS). This architecture provides a structured approach for the integration of soft and/or hard real-time applications with Commercial O -The-Shelf (COTS) components. The Timely Computing Base model is used as the reference model to deal with the heterogeneity of system components with respect to guaranteeing the timeliness of applications. The reliability and availability requirements of hard real-time applications are guaranteed by a software-based fault-tolerance approach.

Applying RADIC in Open MPI: the methodology used to implement RADIC over a Message Passing Library

Fault tolerance has become a major issue for computer and software engineers because the occurrence of faults increases the cost of using a parallel computer. RADIC is the fault tolerance architecture for message passing systems which is transparent, decentralized, flexible and scalable. This master thesis presents the methodology used to implement the RADIC architecture over Open MPI, a well-know large-used message passing library. This implementation kept the RADIC architecture characteristics. In order to validate the implementation we have executed a synthetic ping program, besides, to evaluate the implementation performance we have used the NAS Parallel Benchmarks. The results prove that the RADIC architecture performance depends on the communication pattern of the parallel application which is running. Furthermore, our implementation proves that the RADIC architecture could be implemented over an existent message passing library.

Virtual Runtime Application Partitions for Resource Management in Massively Parallel Architectures

This thesis presents a novel design paradigm, called Virtual Runtime Application Partitions (VRAP), to judiciously utilize the on-chip resources. As the dark silicon era approaches, where the power considerations will allow only a fraction chip to be powered on, judicious resource management will become a key consideration in future designs. Most of the works on resource management treat only the physical components (i.e. computation, communication, and memory blocks) as resources and manipulate the component to application mapping to optimize various parameters (e.g. energy efficiency). To further enhance the optimization potential, in addition to the physical resources we propose to manipulate abstract resources (i.e. voltage/frequency operating point, the fault-tolerance strength, the degree of parallelism, and the configuration architecture). The proposed framework (i.e. VRAP) encapsulates methods, algorithms, and hardware blocks to provide each application with the abstract resources tailored to its needs. To test the efficacy of this concept, we have developed three distinct self adaptive environments: (i) Private Operating Environment (POE), (ii) Private Reliability Environment (PRE), and (iii) Private Configuration Environment (PCE) that collectively ensure that each application meets its deadlines using minimal platform resources. In this work several novel architectural enhancements, algorithms and policies are presented to realize the virtual runtime application partitions efficiently. Considering the future design trends, we have chosen Coarse Grained Reconfigurable Architectures (CGRAs) and Network on Chips (NoCs) to test the feasibility of our approach. Specifically, we have chosen Dynamically Reconfigurable Resource Array (DRRA) and McNoC as the representative CGRA and NoC platforms. The proposed techniques are compared and evaluated using a variety of quantitative experiments. Synthesis and simulation results demonstrate VRAP significantly enhances the energy and power efficiency compared to state of the art.

Biologically Plausible Connectionist Prediction of Natural Language Thematic Relations

In Natural Language Processing (NLP) symbolic systems, several linguistic phenomena, for instance, the thematic role relationships between sentence constituents, such as AGENT, PATIENT, and LOCATION, can be accounted for by the employment of a rule-based grammar. Another approach to NLP concerns the use of the connectionist model, which has the benefits of learning, generalization and fault tolerance, among others. A third option merges the two previous approaches into a hybrid one: a symbolic thematic theory is used to supply the connectionist network with initial knowledge. Inspired on neuroscience, it is proposed a symbolic-connectionist hybrid system called BIO theta PRED (BIOlogically plausible thematic (theta) symbolic-connectionist PREDictor), designed to reveal the thematic grid assigned to a sentence. Its connectionist architecture comprises, as input, a featural representation of the words (based on the verb/noun WordNet classification and on the classical semantic microfeature representation), and, as output, the thematic grid assigned to the sentence. BIO theta PRED is designed to ""predict"" thematic (semantic) roles assigned to words in a sentence context, employing biologically inspired training algorithm and architecture, and adopting a psycholinguistic view of thematic theory.

Replication management in reliable real-time systems

Building reliable real-time applications on top of commercial off-the-shelf (COTS) components is not a straightforward task. Thus, it is essential to provide a simple and transparent programming model, in order to abstract programmers from the low-level implementation details of distribution and replication. However, the recent trend for incorporating pre-emptive multitasking applications in reliable real-time systems inherently increases its complexity. It is therefore important to provide a transparent programming model, enabling pre-emptive multitasking applications to be implemented without resorting to simultaneously dealing with both system requirements and distribution and replication issues. The distributed embedded architecture using COTS components (DEAR-COTS) architecture has been previously proposed as an architecture to support real-time and reliable distributed computer-controlled systems (DCCS) using COTS components. Within the DEAR-COTS architecture, the hard real-time subsystem provides a framework for the development of reliable real-time applications, which are the core of DCCS applications. This paper presents the proposed framework, and demonstrates how it can be used to support the transparent replication of software components.

A system’s approach to cache hierarchy-aware decomposition of data-parallel computations

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Informática