Methodology and tools for energy-aware task mapping on heterogeneous multiprocessor architectures

par Baptiste Roux

Thèse de doctorat en Traitement du signal et télécommunications

Sous la direction de Olivier Sentieys et de Matthieu Gautier.

  • Titre traduit

    Méthodes et outils permettant le placement de taches efficaces en énergie sur architectures multicoeurs hétérogènes


  • Résumé

    Au cours de la dernière décennie, la conception des systèmes embarqués a évolué dans l'optique d'augmenter la puissance de calcul tout en conservant une faible consommation d'énergie. À titre d'exemple, les véhicules autonomes tels que les drones sont un domaine d'application représentatif qui combine de la vision, des communications sans fil avec d'autres noyaux de calculs intensifs, le tout avec un budget énergétique limité. Avec l'avènement des systèmes multicœurs sur puce (MpSoC), la simplification des processeurs a diminué la consommation d'énergie par opération, alors que leur multiplication a amélioré les performances. Cependant, l'apparition du phénomène de ''dark silicon'' a conduit à l'intégration d'accélérateurs matériels spécialisés au sein des systèmes multicœurs. C'est ainsi que sont nées les architectures massivement multicœurs hétérogènes (HMpSoC) combinant des processeurs généralistes (SW) et des accélérateurs matériels (HW). Pour ces architectures hétérogènes, les performances et la consommation d'énergie dépendent d'un large ensemble de paramètres tels que le partitionnement HW/SW, le type d'implémentation HW et le coût de communication entre les organes de calcul HW et SW conduisant ainsi à un immense espace de conception. Dans cette thèse, nous étudions des méthodes permettant la réduction de la complexité de développement et de mise en oeuvre d'applications efficaces en énergie sur HMpSoC. De nombreuses contributions sont proposées pour améliorer les outils d'exploration de l'espace de conception (DSE) avec des objectifs énergétiques. Tout d'abord, une définition formelle de la structure HMpSoC est introduite ainsi qu'une méthode de représentation générique axée sur la hiérarchie mémoire. Ensuite, un outil de modélisation rapide de l'énergie est proposé et validé sur plusieurs applications. Ce modèle énergétique sépare les sources d'énergie en trois catégories (calcul statique, dynamique et communications) et calcule leurs contributions sur la consommation globale de manière indépendante. Basée sur une étude précise des communications, cette approche calcule rapidement la consommation d'énergie pour une répartition donnée d'application sur un HMpSoC. Dans un deuxième temps, nous proposons une méthodologie permettant l'exploration énergétique d'accélérateurs sur HmpSoC. Cette méthode s'appuie sur le modèle de consommation précédent couplé à une formulation de programmation linéaire en nombre entier mixte (MILP). Cela permet de sélectionner efficacement les accélérateurs HW et le partitionnement HW/SW et ainsi d'obtenir une implémentation efficace en énergie pour une application tuilée. Les expériences réalisées ont montré la complexité du processus de validation d'outils/algorithmes de DSE sur une large gamme d'applications et d'architectures. Afin de résoudre ce problème, nous proposons un simulateur d'architectures HMpSoC intégrant un modèle de consommation permettant d'observer l'exécution d'applications. La structure de l'architecture cible est décrite à l'aide d'un fichier de configuration basé sur le modèle de représentation générique précédent. Ce fichier est chargé dynamiquement lors du démarrage du simulateur. De plus, ce simulateur est associé à un générateur d'applications permettant la création d'un large ensemble d'applications représentatives du domaine. Ce générateur se base sur un ensemble de schémas de calcul et de communication élémentaire qu'il combine pour obtenir une application complète. Les applications ainsi obtenues peuvent être enrichies par des informations de placement et automatiquement exécutées sur le simulateur. Cet ensemble d'outils a pour objectif de faciliter la validation de nouveaux algorithmes ciblant le placement efficace en énergie d'application sur une large gamme d'architectures HMpSoC.


  • Résumé

    During the last decade, the design of embedded systems was pushed to increase computational power while maintaining low energy consumption. As an example, autonomous vehicles such as drones are a representative application domain which combines vision, wireless communications and other computation intensive kernels constrained with a limited energy budget. With the advent of Multiprocessor System-on-Chip (MpSoC) architectures, simplification of processor cores decreased power consumption per operation, while the multiplication of cores brought performance improvement. However, the ''dark silicon'' issue led to the benefit of augmenting programmable processors with specialized hardware accelerators and to the rise of Heterogeneous MpSoC (HMpSoC) combining both software (SW) and hardware (HW) computational resources. For these heterogeneous architectures, performance and energy consumption depend on a large set of parameters such as the HW/SW partitioning, the type of HW implementation or the communication cost between HW and SW cores therefore leading to a huge design space. In this thesis, we study how to reduce the development and implementation complexity of energy-efficient applications on HMpSoC. Multiple contributions are proposed to enhance Design Space Exploration (DSE) tools with energy objectives. First, a formal definition of HMpSoC structure is introduced alongside with a generic representation focused on the memory hierarchy. Then, a fast power modelling tool is proposed and validated on several applications. This power model separates the power sources in three families (static, dynamic computation and dynamic communication) and computes their contributions on global consumption independently. With a fine grain communications study, this approach rapidly computes energy consumption for a given application mapping on a HMpSoC. In a second time, we propose a methodology for energy-driven accelerator exploration on HMpSoC. This method builds upon the previous power model coupled with an Mixed Integer Linear Programming (MILP) formulation and enables to efficiently select HW accelerators and HW/SW partitioning which achieve energy efficient-mapping of a tiled application. The experiments involved in these contributions show the complexity of DSE validation process on a wide range of applications and architectures. To address these issues, we introduce a HMpSoC simulator embedding a power model to monitor application execution. Properties of targeted architectures are described, at run-time with the previous generic representation model. Furthermore, this simulator is coupled with an application generator framework that could build an infinite set of representative applications following predefined computation models. The obtained applications could then be enriched with mapping directive and executed on the simulator. This combination enables to ease the research and validation of new DSE algorithms targeting energy-aware application mapping on a wide range of HMpSoC architectures.


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