Performance variation in digital systems: workload dependent modeling and mitigation

Νόλτσης, Μιχαήλ; Noltsis, Michail

dc.contributor.author	Νόλτσης, Μιχαήλ	el
dc.contributor.author	Noltsis, Michail	en
dc.date.accessioned	2021-12-22T09:22:10Z
dc.date.available	2021-12-22T09:22:10Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/54243
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.21941
dc.rights	Default License
dc.subject	Hardware	el
dc.subject	Performance	el
dc.subject	Variation	el
dc.subject	Variability	el
dc.subject	Temperature management	en
dc.subject	Power	el
dc.title	Performance variation in digital systems: workload dependent modeling and mitigation	en
heal.type	doctoralThesis
heal.classification	Engineering	en
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2020-09-21
heal.abstract	Η βιομηχανία υπολογιστών βιώνει ολοένα κι αυξανόμενη (ανευ προηγουμένου) ζήτηση για αυξημένη λειτουργικότητα και επίδοση, χρησιμοποιώντας συνεχώς πυριτίο με όλο και μικρότερα μεγέθη χαρακτηριστικών και συντελεστή μορφής. Η επιθετική σμίκρυνση των συνιστωσών υλικού οδήγησε αναπόφευκτα σε νέους μηχανισμούς σφαλμάτων, τα οποία αποτελούν απειλή για την αξιοπιστία και την εύρυθμη λειτουργία του συστήματος. Τα σφάλματα αυτά μπορεί να οφείλονται στις εύλογες διακυμάνσεις των χαρακτηριστικών και διαστάσεων των στοιχείων του κυκλώματος κατά την κατασκευή, ή να αποδίδονται στη γήρανση και τη σταδιακή φθορά του υλικού. Η εγγενώς στοχαστική φύση αυτών των μηχανισμών είναι η γενεσιουργός αιτία της αποκαλούμενης ‘διακύμανσης επίδοσης’ των ψηφιακών συστημάτων, υπό την έννοια ότι η συμπεριφορά κι απόκριση του συστήματος δεν μπορεί να είναι απόλυτα ντετερμινιστική αλλά ενέχει και μια δυναμική συνιστώσα. Σε επίπεδο λογισμικού, η ύπαρξη εφαρμογών υπολογιστικής έντασης αλλά και έντασης δεδομένων, η επίδραση του χρήστη αλλά και η ποιότητα της υπηρεσίας συμβάλλουν εξίσου στη συνεχή ύπαρξη κυμαινόμενου και απρόβλεπτου υπολογιστικού φόρτου, επιδεινώνοντας περαιτέρω την επίδοση. Με τις εφαρμογές λογισμικού να γίνονται όλο και πιο πολύπλοκες και υπολογιστικά απαιτητικές σε επίπεδο πόρων, ειδικά λόγω της αυξανόμενης ‘εικονικοποίησης’ που οδηγεί σε απανταχού χρήση νημάτων εκτέλεσης και δυναμική εκχώρηση μνήμης και δεδομένου ότι η σμίκρυνση των τρανζίστορ και των διαστάσεων συνδεσμολογίας δεν αναμένεται να φτάσει στο τέλος της εντός της τρέχουσας δεκαετίας, μπορεί με ασφάλεια να υποτεθεί ότι θα βιώσουμε μια εποχή αναπόδραστης διακύμανσης επίδοσης έντονα δυναμικού χαρακτήρα. Στα πλαίσια του δυναμικού αυτού περιβάλλοντος λειτουργίας του συστήματος, η διασφάλιση της αξιοπιστίας και η πλήρωση των χρονικών περιορισμών φαντάζει δύσκολη πρόκληση. Στόχος της παρούσας εργασίας είναι η μελέτη υπαρχουσών μεθοδολογιών για τη μείωση της διακύμανσης επίδοσης και η ανάπτυξη σχετικών μεθόδων που μπορούν να διασφαλίσουν και να εγγυηθούν τους χρονικούς περιορισμούς. Στα πλαίσια αυτά, αρχικά θα παρουσιαστούν εν συντομία οι κυρίαρχοι μηχανισμοί σφαλμάτων που ευθύνονται για αστοχίες σε επίπεδο πυριτίου και επιδεινώνουν την αξιοπιστία του συστήματος. Η ενδελεχής μελέτη της υπάρχουσας βιβλιογραφίας στον τομέα της αξιοπιστίας συστημάτων είναι σημαντική και για την εμπέδωση των σύγχρονων προσεγγίσεων και μεθόδων ελέγχου της αξιοπιστίας. Πιο συγκεκριμένα, θα μελετηθεί το ερευνητικό πεδίο της παραμετρικής αξιοπιστίας, δηλαδή οι τεχνικές προστασίας του συστήματος από ακραίες διακυμάνσεις των παραμέτρων λειτουργίας, ειδικά σε σχέση με τις χρονικές απαιτήσεις. Κατόπιν, οι προαναφερθείσες απειλές αξιοπιστίας πρέπει να εντοπισθούν και να μοντελοποιηθούν, ενώ η επίδρασή τους στην επίδοση του συστήματος πρέπει να εξηγηθεί και να εκτιμηθεί. Για το σκοπό αυτό θα χρησιμοποιηθούν υπάρχοντα εργαλεία αλλά και θα προταθούν καινούρια, ώστε να αναπτυχθεί ένα πλήρες πλαίσιο αποτελεσματικής αξιολόγησης της πιθανότητας αστοχίας ηλεκτρικών συνιστωσών, επικεντρώνοντας περαιτέρω στα κύταρρα μνήμης δρομολογητών σε ηλεκτρονικες πλατφορμες. Παρόλο που η ερευνητική κοινότητα χρησιμοποιεί ευρέως το χρονοβόρο μοντέλο Monte-Carlo για την αποτίμηση αυτής της πιθανότητας, το προτεινόμενο πλαίσιο βασίζεται στην αναλυτική μεθοδολογία MPFP που μελετήθηκε και βελτιώθηκε για την υπόθεση τυπικών 6Τ στοιχείων κυττάρων μνήμης. Στη συνέχεια θα παρουσιαστεί ένα ρεαλιστικό σενάριο ενός PID ελεγκτή κλειστού βρόχου για τον περιορισμό της διακύμανσης επίδοσης μέσω μιας αντιδραστικής απόκρισης DVFS. Η ιδέα αυτή έχει μελετηθεί αλλά μόνο σε μικρή κλίμακα πιο συγκεκριμένα, η ενσωμάτωση της σε μια ολοκληρωμένη πλατφόρμα και η επέκτασή της για τη διαχείριση δυναμικού φόρτου εργασίας δεν έχει εξετασθεί. Το μοντέλο αυτό θα συγκριθεί ως προς κατανάλωση ενέργειας και χρονική απόκριση με το μοντέλο βάσης ενός ελεγκτή συχνότητας του λειτουργικού Linux. Επιπλέον θα προταθεί μια διαφοροποιημένη εκδοχή του μοντέλου για τη διαχείριση θερμότητας. Ο ελεγκτής αυτός υλοποιείται και πάλι με πραγματικό υλικό και παρουσιάζεται με ένα ρεαλιστικό σενάριο. Εν συνεχεία, ο προαναφερθείς ελεγκτής βελτιώνεται ώστε να λειτουργήσει Τελικώς, προτείνονται προληπτικοί χειρισμοί DVFS σε επίπεδο thread node, με χρήση δυναμικών σεναρίων για χρονικές εγγυήσεις με οικονομικά αποδοτικό τρόπο. Αξιοποιώντας τη μερική προβλεψιμότητα της συμπεριφοράς κάθε εφαρμογής, αναπτύσσεται μια προσέγγιση δυναμικών σεναρίων και καθίσταται εφικτή η λήψη οικονομικά αποδοτικών αποφάσεων DVFS. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης επιτυγχάνουν σημαντικά ενεργειακά οφέλη σε σχέση με προηγούμενες μεθόδους ελέγχου συχνότητας, ενώ τα πειραματικά αποτελέσματα της υλοποιηθείσας διάταξης καταδεικνύουν την αποτελεσματικότητα του προτεινό- μενου μοντέλου. με αυξημένο βαθμό λεπτομέρειας σε επίπεδο thread node level. Εισάγονται οι έννοιες του συντελεστή ευπροσβλητότητας επίδοσης και ευπροσβλητότητας χρονικού ορίου ώστε να στοιχειοθετηθεί ένας πρόβλημα ελέγχου διακριτού χρόνου, ενώ η νέα αυτή προσέγγιση χρησιμοποιεί ως βάση τη μεθοδολογία σεναρίων συστήματος. Η μεθοδολογία αυτή, αλλά και οι σχετικοί όροι και ορισμοί, μελετώνται λεπτομερώς. Επιπρόσθετα, παρουσιάζεται μια προσαρμογή στο περιβάλλον εκτέλεσης της μεθοδολογίας ώστε να ληφθούν υπόψη μοτίβα διακύμανσης επίδοσης, δημιουργώντας ένα πλαίσιο ευπροσάρμοστων σεναρίων και σημαντικά ενεργειακά οφέλη. Σε αυτό το σημείο, η διακύμανση επίδοσης εξακολουθεί να αντιμετωπίζεται με αντιδραστική απόκριση, χωρίς να παρέχονται χρονικές εγγυήσεις.	el
heal.advisorName	Soudris, Dimitrios	en
heal.advisorName	Catthoor, Francky	en
heal.committeeMemberName	Soudris, Dimitrios	en
heal.committeeMemberName	Catthoor, Francky	en
heal.committeeMemberName	Pekmestzi, Kiamal	en
heal.committeeMemberName	Spessot, Alessio	en
heal.committeeMemberName	Gielen, Georges	en
heal.committeeMemberName	Sazeidis, Yanos	en
heal.committeeMemberName	Gizopoulos, Dimitris	en
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.fullTextAvailability	false