Real-time high-performance computing for embedded control systems
Authors:   , Calderón Torres Alejandro Josué 
Published: July 2023

The real-time control systems industry is moving towards the consolidation of multiple computing systems into fewer and more powerful ones, aiming for a reduction in size, weight, and power. The increasing demand for higher performance in other critical domains like autonomous driving has led the industry to recently include embedded GPUs for the implementation of advanced functionalities. The highly parallel architecture of GPUs could also be leveraged in the control systems industry to develop more advanced, energy-efficient, and scalable control systems. However, the closed-source and non-deterministic nature of GPUs complicates the resource provisioning analysis required for the implementation of critical real-time systems. On the other hand, there is no indication of the integration of GPUs in the traditional development cycle of control systems, which is oriented to the use of a model-based design approach. Recently, some model-based design tools vendors have extended their development frameworks with GPU code generation capabilities targeting hybrid computing platforms, so that the model-based design environment now enables the concurrent analysis of more complex and diverse functions by simulation and automating the deployment to the final target. However, there is no indication whether these tools are well-suited for the design and development of time-sensitive systems.
Motivated by these challenges, in this thesis, we contribute to the state of the art of real-time control systems towards the adoption of embedded GPUs by providing tools to facilitate the resource provisioning analysis and the integration in the model-based design development cycle. First, we present a methodology and an automated tool to extract the properties of GPU memory allocators. This tool allows the computation of the real amount of memory used by GPU applications, facilitating a correct resource provisioning analysis. Then, we present a library which allows the characterization of the use of dynamic memory in GPU applications. We use this library to characterize GPU benchmarks and we identify memory allocation patterns that could be modified to improve performance and memory consumption when targeting embedded GPUs. Based on these results, we present a tool to optimize the use of dynamic memory in legacy GPU applications executed on embedded platforms. This tool allows us to minimize the memory consumption and memory management overhead of GPU applications without rewriting them. Afterwards, we analyze the timing of control algorithms executed in embedded GPUs and we identify techniques to achieve an acceptable real-time behavior. Finally, we evaluate model-based design tools in terms of integration with GPU hardware and GPU code generation, and we propose improvements for the model-based generated GPU code. Then, we present a source-to-source transformation tool to automatically apply the proposed improvements.

La industria de los sistemas de control en tiempo real avanza hacia la consolidación de múltiples sistemas informáticos en menos y más potentes sistemas, con el objetivo de reducir el tamaño, el peso y el consumo. La creciente demanda de un mayor rendimiento en otros dominios críticos, como la conducción autónoma, ha llevado a la industria a incluir recientemente GPU embebidas para la implementación de funcionalidades avanzadas. La arquitectura altamente paralela de las GPU también podría aprovecharse en la industria de los sistemas de control para desarrollar sistemas de control más avanzados, eficientes energéticamente y escalables. Sin embargo, la naturaleza privativa y no determinista de las GPUs complica el análisis de aprovisionamiento de recursos requerido para la implementación de sistemas críticos en tiempo real. Por otro lado, no hay indicios de la integración de las GPU en el ciclo de desarrollo tradicional de los sistemas de control, que está orientado al uso de un enfoque de diseño basado en modelos. Recientemente, algunos proveedores de herramientas de diseño basado en modelos han ampliado sus entornos de desarrollo con capacidades de generación de código de GPU dirigidas a plataformas informáticas híbridas, de modo que el entorno de diseño basado en modelos ahora permite el análisis simultáneo de funciones más complejas y diversas mediante la simulación y la automatización de la implementación para el objetivo final. Sin embargo, no hay indicación de si estas herramientas son adecuadas para el diseño y desarrollo de sistemas sensibles al tiempo. Motivados por estos desafíos, en esta tesis contribuimos al estado del arte de los sistemas de control en tiempo real hacia la adopción de GPUs integradas al proporcionar herramientas para facilitar el análisis de aprovisionamiento de recursos y la integración en el ciclo de desarrollo de diseño basado en modelos. Primero, presentamos una metodología y una herramienta automatizada para extraer las propiedades de los asignadores de memoria en GPUs. Esta herramienta permite el cómputo de la cantidad real de memoria utilizada por las aplicaciones GPU, facilitando un correcto análisis del aprovisionamiento de recursos. Luego, presentamos una librería que permite la caracterización del uso de memoria dinámica en aplicaciones de GPU. Usamos esta librería para caracterizar una serie de benchmarks GPU e identificamos patrones de asignación de memoria que podrían modificarse para mejorar el rendimiento y el consumo de memoria al utilizar GPUs embebidas. Con base en estos resultados, presentamos también una herramienta para optimizar el uso de la memoria dinámica en aplicaciones de GPU heredadas al ser ejecutadas en plataformas embebidas. Esta herramienta nos permite minimizar el consumo de memoria y la sobrecarga de administración de memoria de las aplicaciones GPU sin necesidad de reescribirlas. Posteriormente, analizamos el tiempo de los algoritmos de control ejecutados en GPUs embebidas e identificamos técnicas para lograr un comportamiento de tiempo real aceptable. Finalmente, evaluamos las herramientas de diseño basadas en modelos en términos de integración con hardware GPU y generación de código GPU, y proponemos mejoras para el código GPU generado por las herramientas basadas en modelos. Luego, presentamos una herramienta de transformación de código fuente para aplicar automáticamente al código generado las mejoras propuestas.