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.

Microstructure of epitaxial thin films of the ferromagnetic shape memory alloy Ni 2 MnGa

Gegenstand dieser Arbeit ist die Präparation und die ausführliche Charakterisierung epitaktischer Dünnschicht-Proben der Heusler Verbindung Ni2MnGa. Diese intermetallische Verbindung zeigt einen magnetischen Formgedächtnis-Effekt (MFG), der sowohl im Bezug auf mögliche Anwendungen, als auch im Kontext der Grundlagenforschung äußerst interessant ist. In Einkristallen nahe der Stöchiometrie Ni2MnGa wurden riesige magnetfeldinduzierte Dehnungen von bis zu 10 % nachgewiesen. Der zugrundeliegende Mechanismus basiert auf einer Umverteilung von kristallographischen Zwillings-Varianten, die eine tetragonale oder orthorhombische Symmetrie besitzen. Unter dem Einfluss des Magnetfeldes bewegen sich die Zwillingsgrenzen durch den Kristall, was eine makroskopische Formänderung mit sich bringt. Die somit erzeugten reversiblen Längenänderungen können mit hoher Frequenz geschaltet werden, was Ni2MnGa zu einem vielversprechenden Aktuatorwerkstoff macht. rnDa der Effekt auf einem intrinsischen Prozess beruht, eignen sich Bauteile aus MFG Legierungen zur Integration in Mikrosystemen (z.B. im Bereich der Mikrofluidik). rnrnBislang konnten große magnetfeldinduzierte Dehnungen nur für Einkristalle und Polykristalle mit hoher Porosität („foams") nachgewiesen werden. Um den Effekt für Anwendungen nutzbar zu machen, werden allerdings Konzepte zur Miniaturisierung benötigt. Eine Möglichkeit bieten epitaktische dünne Filme, die im Rahmen dieser Arbeit hergestellt und untersucht werden sollen. Im Fokus stehen dabei die Optimierung der Herstellungsparameter, sowie die Präparation von freitragenden Schichten. Zudem werden verschiedene Konzepte zur Herstellung freistehender Mikrostrukturen erprobt. Mittels Röntgendiffraktometrie konnte die komplizierte Kristallstruktur für verschiedene Wachstumsrichtungen verstanden und die genaue Verteilung der Zwillingsvarianten aufgedeckt werden. In Verbindung mit Mikroskopie-Methoden konnte so die Zwillingsstruktur auf verschiedenen Längenskalen geklärt werden. Die Ergebnisse erklären das Ausbleiben des MFG Effekts in den Proben mit (100) Orientierung. Andererseits wurde für Schichten mit (110) Wachstum eine vielversprechende Mikrostruktur entdeckt, die einen guten Ausgangspunkt für weitere Untersuchungen bietet.rnDurch die spezielle Geometrie der Proben war es möglich, Spektroskopie-Experimente in Transmission durchzuführen. Die Ergebnisse stellen den ersten experimentellen Nachweis der Änderungen in der elektronischen Struktur einer metallischen Verbindung während des martensitischen Phasenübergangs dar. Durch Messen des magnetischen Zirkulardichroismus in der Röntgenabsorption konnten quantitative Aussagen über die magnetischen Momente von Ni und Mn getroffen werden. Die Methode erlaubt überdies die Beiträge von Spin- und Bahn-Moment separat zu bestimmen. Durch winkelabhängige Messungen gelang es, die mikroskopische Ursache der magnetischen Anisotropie aufzuklären. Diese Ergebnisse tragen wesentlich zum Verständnis der komplexen magnetischen und strukturellen Eigenschaften von Ni2MnGa bei.rn

Destruction of lymphoid organ architecture and hepatitis caused by CD4+ T cells

Immune responses have the important function of host defense and protection against pathogens. However, the immune response also causes inflammation and host tissue injury, termed immunopathology. For example, hepatitis B and C virus infection in humans cause immunopathological sequel with destruction of liver cells by the host's own immune response. Similarly, after infection with lymphocytic choriomeningitis virus (LCMV) in mice, the adaptive immune response causes liver cell damage, choriomeningitis and destruction of lymphoid organ architecture. The immunopathological sequel during LCMV infection has been attributed to cytotoxic CD8(+) T cells. However, we now show that during LCMV infection CD4(+) T cells selectively induced the destruction of splenic marginal zone and caused liver cell damage with elevated serum alanin-transferase (ALT) levels. The destruction of the splenic marginal zone by CD4(+) T cells included the reduction of marginal zone B cells, marginal zone macrophages and marginal zone metallophilic macrophages. Functionally, this resulted in an impaired production of neutralizing antibodies against LCMV. Furthermore, CD4(+) T cells reduced B cells with an IgM(high)IgD(low) phenotype (transitional stage 1 and 2, marginal zone B cells), whereas other B cell subtypes such as follicular type 1 and 2 and germinal center/memory B cells were not affected. Adoptive transfer of CD4(+) T cells lacking different important effector cytokines and cytolytic pathways such as IFNγ, TNFα, perforin and Fas-FasL interaction did reveal that these cytolytic pathways are redundant in the induction of immunopathological sequel in spleen. In conclusion, our results define an important role of CD4(+) T cells in the induction of immunopathology in liver and spleen. This includes the CD4(+) T cell mediated destruction of the splenic marginal zone with consecutively impaired protective neutralizing antibody responses.

3CAM - A NOVEL TERNARY CONTENT ADDRESSABLE MEMORY USING THREE-VALUED LOGIC

Content Addressable Memory (CAM) is a special type of Complementary Metal-Oxide-Semiconductor (CMOS) storage element that allows for a parallel search operation on a memory stack in addition to the read and write operations yielded by a conventional SRAM storage array. In practice, it is often desirable to be able to store a “don’t care” state for faster searching operation. However, commercially available CAM chips are forced to accomplish this functionality by having to include two binary memory storage elements per CAM cell,which is a waste of precious area and power resources. This research presents a novel CAM circuit that achieves the “don’t care” functionality with a single ternary memory storage element. Using the recent development of multiple-voltage-threshold (MVT) CMOS transistors, the functionality of the proposed circuit is validated and characteristics for performance, power consumption, noise immunity, and silicon area are presented. This workpresents the following contributions to the field of CAM and ternary-valued logic:• We present a novel Simple Ternary Inverter (STI) transistor geometry scheme for achieving ternary-valued functionality in existing SOI-CMOS 0.18µm processes.• We present a novel Ternary Content Addressable Memory based on Three-Valued Logic (3CAM) as a single-storage-element CAM cell with “don’t care” functionality.• We explore the application of macro partitioning schemes to our proposed 3CAM array to observe the benefits and tradeoffs of architecture design in the context of power, delay, and area.

Memory performance of and-parallel prolog on shared-memory architectures

The goal of the RAP-WAM AND-parallel Prolog abstract architecture is to provide inference speeds significantly beyond those of sequential systems, while supporting Prolog semantics and preserving sequential performance and storage efficiency. This paper presents simulation results supporting these claims with special emphasis on memory performance on a two-level sharedmemory multiprocessor organization. Several solutions to the cache coherency problem are analyzed. It is shown that RAP-WAM offers good locality and storage efficiency and that it can effectively take advantage of broadcast caches. It is argued that speeds in excess of 2 ML IPS on real applications exhibiting medium parallelism can be attained with current technology.

An abstract machine based execution model for computer architecture design and efficient implementation of logic programs in parallel.

The term "Logic Programming" refers to a variety of computer languages and execution models which are based on the traditional concept of Symbolic Logic. The expressive power of these languages offers promise to be of great assistance in facing the programming challenges of present and future symbolic processing applications in Artificial Intelligence, Knowledge-based systems, and many other areas of computing. The sequential execution speed of logic programs has been greatly improved since the advent of the first interpreters. However, higher inference speeds are still required in order to meet the demands of applications such as those contemplated for next generation computer systems. The execution of logic programs in parallel is currently considered a promising strategy for attaining such inference speeds. Logic Programming in turn appears as a suitable programming paradigm for parallel architectures because of the many opportunities for parallel execution present in the implementation of logic programs. This dissertation presents an efficient parallel execution model for logic programs. The model is described from the source language level down to an "Abstract Machine" level suitable for direct implementation on existing parallel systems or for the design of special purpose parallel architectures. Few assumptions are made at the source language level and therefore the techniques developed and the general Abstract Machine design are applicable to a variety of logic (and also functional) languages. These techniques offer efficient solutions to several areas of parallel Logic Programming implementation previously considered problematic or a source of considerable overhead, such as the detection and handling of variable binding conflicts in AND-Parallelism, the specification of control and management of the execution tree, the treatment of distributed backtracking, and goal scheduling and memory management issues, etc. A parallel Abstract Machine design is offered, specifying data areas, operation, and a suitable instruction set. This design is based on extending to a parallel environment the techniques introduced by the Warren Abstract Machine, which have already made very fast and space efficient sequential systems a reality. Therefore, the model herein presented is capable of retaining sequential execution speed similar to that of high performance sequential systems, while extracting additional gains in speed by efficiently implementing parallel execution. These claims are supported by simulations of the Abstract Machine on sample programs.

Memory isolation in many-core embedded systems

The current approach to developing mixed-criticality sys- tems is by partitioning the hardware resources (processors, memory and I/O devices) among the different applications. Partitions are isolated from each other both in the temporal and the spatial domain, so that low-criticality applications cannot compromise other applications with a higher level of criticality in case of misbehaviour. New architectures based on many-core processors open the way to highly parallel systems in which each partition can be allocated to a set of dedicated proces- sor cores, thus simplifying partition scheduling and temporal separation. Moreover, spatial isolation can also benefit from many-core architectures, by using simpler hardware mechanisms to protect the address spaces of different applications. This paper describes an architecture for many- core embedded partitioned systems, together with some implementation advice for spatial isolation.

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.

Parametrized Architecture for Hough Transform Recursive Evaluation

Paper submitted to International Workshop on Spectral Methods and Multirate Signal Processing (SMMSP), Barcelona, España, 2003.

La modernisation de Tunis : un urbanisme et une architecture d’État au miroir d’une anthologie de la percée dans la médina (1881-1987)

Cette thèse traite de quelques moments clés dans l’histoire urbaine et architecturale moderne de la ville de Tunis. Elle les aborde conjointement à la problématique du percement de son noyau historique : la médina, née d’un projet de modernisation urbaine lancé par les beys de Tunis à la fin du XIXe siècle, poursuivi par le protectorat français de 1881 à 1956, puis par le gouvernement indépendant de 1956 à 1987. Partant, la recherche est répartie sur trois temps avec, au centre, le projet de la percée dite de la Casbah adopté par le Président Bourguiba à la fin de 1959. Pour plusieurs raisons, ce moment est cité rapidement dans la littérature malgré son importance dans la compréhension du visage actuel de la capitale tunisienne. Pour le saisir, on a dû retourner aux premières tentatives de percement de la médina de Tunis par le colonisateur français en 1887. Puis, on s’est progressivement approché de l’ancêtre direct de la percée bourguibienne paru sur le Plan directeur de Tunis en 1948. De ce premier temps, on a mis en valeur les stratégies coloniales dans leur gestion du territoire et leur rapport au processus de valorisation/dévalorisation du patrimoine issu de la civilisation arabo-islamique. Le second temps, qui correspond au plan de décolonisation mené par l’État indépendant dès 1955, est marqué par le lancement d’un « concours international ouvert pour une étude d’aménagement de la ville de Tunis » organisé par le Secrétariat d’État aux travaux publics en collaboration avec l’Union internationale des architectes. L’étude de cet événement et du colloque qui l’a suivi a ôté le voile sur ses raisons d’être politico-économiques que dissimulaient les usuels soucis de l’hygiène, de la circulation et de l’embellissement du Grand Tunis. Pour appuyer davantage ces constats, un troisième et dernier temps a été dédié au chantier de Tunis au lendemain du concours. L’accent mis sur les lieux symboliques du pouvoir et le désir obsessif des autorités à se les approprier ont réduit ce chantier à une redistribution concertée des symboles de la souveraineté nationale dans le but de centraliser et de personnifier le pouvoir en place. Le présent travail se situe dans le cadre des études postcoloniales et projette un regard critique sur la décolonisation en rapport avec ce qu’on a taxé d’urbanisme d’État. Propulsé par une certaine perception de la modernité, cet urbanisme est indissociable d’une instrumentalisation politique qui met l’accent sur les questions identitaires et patrimoniales, insiste sur la rupture avec le passé et tend à écarter l’opinion publique des questions inhérentes à l’aménagement du territoire et à la sauvegarde de la mémoire collective. En procédant par une analyse contextuelle de faits historiques et une lecture typomorphologique de la percée de la Casbah, cette recherche attire l’attention sur l’ampleur de certaines décisions gouvernementales concernant l’aménagement de l’espace urbain et la conservation de l’héritage architectural à court, moyen et long termes. Elle renseigne aussi sur le rôle des collectivités, de l’élite et des professionnels dans la canalisation de ces décisions pour ou contre leur droit à la ville.

La modernisation de Tunis : un urbanisme et une architecture d’État au miroir d’une anthologie de la percée dans la médina (1881-1987)

Cette thèse traite de quelques moments clés dans l’histoire urbaine et architecturale moderne de la ville de Tunis. Elle les aborde conjointement à la problématique du percement de son noyau historique : la médina, née d’un projet de modernisation urbaine lancé par les beys de Tunis à la fin du XIXe siècle, poursuivi par le protectorat français de 1881 à 1956, puis par le gouvernement indépendant de 1956 à 1987. Partant, la recherche est répartie sur trois temps avec, au centre, le projet de la percée dite de la Casbah adopté par le Président Bourguiba à la fin de 1959. Pour plusieurs raisons, ce moment est cité rapidement dans la littérature malgré son importance dans la compréhension du visage actuel de la capitale tunisienne. Pour le saisir, on a dû retourner aux premières tentatives de percement de la médina de Tunis par le colonisateur français en 1887. Puis, on s’est progressivement approché de l’ancêtre direct de la percée bourguibienne paru sur le Plan directeur de Tunis en 1948. De ce premier temps, on a mis en valeur les stratégies coloniales dans leur gestion du territoire et leur rapport au processus de valorisation/dévalorisation du patrimoine issu de la civilisation arabo-islamique. Le second temps, qui correspond au plan de décolonisation mené par l’État indépendant dès 1955, est marqué par le lancement d’un « concours international ouvert pour une étude d’aménagement de la ville de Tunis » organisé par le Secrétariat d’État aux travaux publics en collaboration avec l’Union internationale des architectes. L’étude de cet événement et du colloque qui l’a suivi a ôté le voile sur ses raisons d’être politico-économiques que dissimulaient les usuels soucis de l’hygiène, de la circulation et de l’embellissement du Grand Tunis. Pour appuyer davantage ces constats, un troisième et dernier temps a été dédié au chantier de Tunis au lendemain du concours. L’accent mis sur les lieux symboliques du pouvoir et le désir obsessif des autorités à se les approprier ont réduit ce chantier à une redistribution concertée des symboles de la souveraineté nationale dans le but de centraliser et de personnifier le pouvoir en place. Le présent travail se situe dans le cadre des études postcoloniales et projette un regard critique sur la décolonisation en rapport avec ce qu’on a taxé d’urbanisme d’État. Propulsé par une certaine perception de la modernité, cet urbanisme est indissociable d’une instrumentalisation politique qui met l’accent sur les questions identitaires et patrimoniales, insiste sur la rupture avec le passé et tend à écarter l’opinion publique des questions inhérentes à l’aménagement du territoire et à la sauvegarde de la mémoire collective. En procédant par une analyse contextuelle de faits historiques et une lecture typomorphologique de la percée de la Casbah, cette recherche attire l’attention sur l’ampleur de certaines décisions gouvernementales concernant l’aménagement de l’espace urbain et la conservation de l’héritage architectural à court, moyen et long termes. Elle renseigne aussi sur le rôle des collectivités, de l’élite et des professionnels dans la canalisation de ces décisions pour ou contre leur droit à la ville.

Functionally partitioned module-based programmable architecture for wireless base-band processing

A specialised reconfigurable architecture is targeted at wireless base-band processing. It is built to cater for multiple wireless standards. It has lower power consumption than the processor-based solution. It can be scaled to run in parallel for processing multiple channels. Test resources are embedded on the architecture and testing strategies are included. This architecture is functionally partitioned according to the common operations found in wireless standards, such as CRC error correction, convolution and interleaving. These modules are linked via Virtual Wire Hardware modules and route-through switch matrices. Data can be processed in any order through this interconnect structure. Virtual Wire ensures the same flexibility as normal interconnects, but the area occupied and the number of switches needed is reduced. The testing algorithm scans all possible paths within the interconnection network exhaustively and searches for faults in the processing modules. The testing algorithm starts by scanning the externally addressable memory space and testing the master controller. The controller then tests every switch in the route-through switch matrix by making loops from the shared memory to each of the switches. The local switch matrix is also tested in the same way. Next the local memory is scanned. Finally, pre-defined test vectors are loaded into local memory to check the processing modules. This paper compares various base-band processing solutions. It describes the proposed platform and its implementation. It outlines the test resources and algorithm. It concludes with the mapping of Bluetooth and GSM base-band onto the platform.

The value of a small microkernel for dreamy memory and the RAMpage memory hierarchy

This paper explores potential for the RAMpage memory hierarchy to use a microkernel with a small memory footprint, in a specialized cache-speed static RAM (tightly-coupled memory, TCM). Dreamy memory is DRAM kept in low-power mode, unless referenced. Simulations show that a small microkernel suits RAMpage well, in that it achieves significantly better speed and energy gains than a standard hierarchy from adding TCM. RAMpage, in its best 128KB L2 case, gained 11% speed using TCM, and reduced energy 14%. Equivalent conventional hierarchy gains were under 1%. While 1MB L2 was significantly faster against lower-energy cases for the smaller L2, the larger SRAM's energy does not justify the speed gain. Using a 128KB L2 cache in a conventional architecture resulted in a best-case overall run time of 2.58s, compared with the best dreamy mode run time (RAMpage without context switches on misses) of 3.34s, a speed penalty of 29%. Energy in the fastest 128KB L2 case was 2.18J vs. 1.50J, a reduction of 31%. The same RAMpage configuration without dreamy mode took 2.83s as simulated, and used 2.39J, an acceptable trade-off (penalty under 10%) for being able to switch easily to a lower-energy mode.

Test strategies on functionally partitioned module-based programmable architecture for base-band processing

A specialised reconfigurable architecture for telecommunication base-band processing is augmented with testing resources. The routing network is linked via virtual wire hardware modules to reduce the area occupied by connecting buses. The number of switches within the routing matrices is also minimised, which increases throughput without sacrificing flexibility. The testing algorithm was developed to systematically search for faults in the processing modules and the flexible high-speed routing network within the architecture. The testing algorithm starts by scanning the externally addressable memory space and testing the master controller. The controller then tests every switch in the route-through switch matrix by making loops from the shared memory to each of the switches. The local switch matrix is also tested in the same way. Next the local memory is scanned. Finally, pre-defined test vectors are loaded into local memory to check the processing modules. This algorithm scans all possible paths within the interconnection network exhaustively and reports all faults. Strategies can be inserted to bypass minor faults