EXPLORATION OF RUNTIME DISTRIBUTED MAPPING TECHNIQUES FOR EMERGING LARGE SCALE MPSOCS

par Marcelo Grandi Mandelli

Thèse de doctorat en Systèmes automatiques et microélectroniques

Sous la direction de Gilles Sassatelli et de Fernando Gehm Moraes.

  • Titre traduit

    EXPLORATION DE TECHNIQUES D’ALLOCATION DE TÂCHES DYNAMIQUES ET DISTRIBUÉES POUR MPSOCS DE LARGE ÉCHELLE


  • Résumé

    MPSoCs (systèmes multiprocesseurs sur puces) avec des centaines de cœurs sont déjà disponibles sur le marché. Selon le ITRS, ces systèmes intégreront des milliers de cœurs à la fin de la décennie. La définition du cœur, où chaque tâche sera exécutée dans le système, est une question majeure dans la conception de MPSoCs. Dans la littérature, cette question est définie comme allocation de tâches. La croissance du nombre de cœurs augmente la complexité de l'allocation de tâches. Les principales préoccupations en matière d'allocation de tâches dans des grands MPSoCs incluent: (i) l'évolutivité; (ii) la charge de travail dynamique; et (iii) la fiabilité. Il est nécessaire de distribuer la décision d'allocation de tâches à travers le système afin d'assurer l'évolutivité. La charge de travail de grands MPSoCs peut être dynamique, à savoir, de nouvelles applications peuvent commencer à tout moment, conduisant à différents scénarios d'allocation. Par conséquent, il est nécessaire d'exécuter le processus d'allocation à l'exécution pour soutenir une charge de travail dynamique. La fiabilité est étroitement liée à la distribution de la charge de travail du système. Un déséquilibre de charge peut générer des hotspots et autres implications thermiques, ce qui peut entraîner un fonctionnement peu fiable du système. Dans de grands MPSoCs, les problèmes de fiabilité empirent puisque l'augmentation du nombre de cœurs sur la même puce augmente la densité de puissance et, par conséquent, la température du système. La littérature présente différentes techniques d'allocation de tâches pour améliorer la fiabilité du système. Cependant, ces techniques utilisent des approches d'allocation centralisées, qui ne sont pas évolutives. Pour répondre à ces trois défis, l'objectif principal de cette Thèse est de proposer et évaluer des heuristiques d'allocation de tâches distribuées et dynamiques en assurant l'évolutivité et une distribution équitable de la charge de travail. Une distribution équitable de la charge de travail et du trafic du NoC (réseau sur puce) augmente la fiabilité du système dans le long terme, en raison de la minimisation des régions de hotspot. Pour permettre l'exploration de l'espace de conception de grands MPSoCs, la première contribution de cette Thèse se situe dans le cadre d'une modélisation multi-niveaux, qui prend en compte différents modèles et de capacités de débogage qui enrichissent et facilitent la conception des MPSoCs. La simulation de modèles de niveau inférieur (par exemple RTL) génère des paramètres de performance utilisés pour calibrer des modèles abstraits (sans précision d'horloge). Les modèles abstraits permettent d'explorer des heuristiques d'allocation de tâches dans de grands systèmes. La plupart des techniques d'allocation de tâches se focalisent sur l'optimisation du volume de communication, ce qui peut compromettre la fiabilité du système, en raison d'une surcharge des processeurs. D'autre part, une heuristique qui optimise seulement la distribution de la charge de travail peut surcharger le NoC et compromettre sa fiabilité. La deuxième contribution importante de cette Thèse est la proposition d'heuristiques d'allocation de tâches dynamiques et distribuées, qui réalisent un compromis entre le volume de communication (liens du NoC) et la distribution de la charge de travail (de l'utilisation des processeurs). Des résultats liés au temps d'exécution, au volume de la communication, à la consommation d'énergie, aux traces de puissance et à la distribution de la température dans les grands MPSoCs (144 processeurs) confirment l'hypothèse de compromis. Faire un compromis entre la réduction du volume de communication et une distribution équitable de la charge de travail améliore le système de manière fiable grâce à la réduction des régions de hotspots, sans compromettre la performance du système.


  • Résumé

    MPSoCs with hundreds of cores are already available in the market. According to the ITRS roadmap, such systems will integrate thousands of cores by the end of the decade. The definition of where each task will execute in the system is a major issue in the MPSoC design. In the literature, this issue is defined as task mapping. The growth in the number of cores increases the complexity of the task mapping. The main concerns in task mapping in large systems include: (i) scalability; (ii) dynamic workload; and (iii) reliability. It is necessary to distribute the mapping decision across the system to ensure scalability. The workload of emerging large MPSoCs may be dynamic, i.e., new applications may start at any moment, leading to different mapping scenarios. Therefore, it is necessary to execute the mapping process at runtime to support a dynamic workload. Reliability is tightly connected to the system workload distribution. Load imbalance may generate hotspots zones and consequently thermal implications, which may result in unreliable system operation. In large scale MPSoCs, reliability issues get worse since the growing number of cores on the same die increases power densities and, consequently, the system temperature. The literature presents different task mapping techniques to improve system reliability. However, such approaches use a centralized mapping approach, which are not scalable. To address these three challenges, the main goal of this Thesis is to propose and evaluate distributed mapping heuristics, executed at runtime, ensuring scalability and a fair workload distribution. Distributing the workload and the traffic inside the NoC increases the system reliability in long-term, due to the minimization of hotspot regions. To enable the design space exploration of large MPSoCs the first contribution of the Thesis lies in a multi-level modeling framework, which supports different models and debugging capabilities that enrich and facilitate the design of MPSoCs. The simulation of lower level models (e.g. RTL) generates performance parameters used to calibrate abstract models (e.g. untimed models). The abstract models pave the way to explore mapping heuristics in large systems. Most mapping techniques focus on optimizing communication volume in the NoC, which may compromise reliability due to overload processors. On the other hand, a heuristic optimizing only the workload distribution may overload NoC links, compromising its reliability. The second significant contribution of the Thesis is the proposition of dynamic and distributed mapping heuristics, making a tradeoff between communication volume (NoC links) and workload distribution (CPU usage). Results related to execution time, communication volume, energy consumption, power traces and temperature distribution in large MPSoCs (144 processors) confirm the tradeoff hypothesis. Trading off workload and communication volume improves system reliably through the reduction of hotspots regions, without compromising system performance.


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