Smart hardware designs for probabilistically-analyzable processor architectures
Authors:   , Benedicte Illescas Pedro 
Published: July 2023

Future Critical Real-Time Embedded Systems (CRTES), like those is planes, cars or trains, require more and more guaranteed performance in order to satisfy the increasing performance demands of advanced complex software features. While increased performance can be achieved by deploying processor techniques currently used in High-Performance Computing (HPC) and mainstream domains, their use challenges the software timing analysis, a necessary step in CRTES' verification and validation. Cache memories are known to have high impact in performance, and in fact, current CRTES include multicores usually with several levels of cache. In this line, this Thesis aims at increasing the guaranteed performance of CRTES by using techniques for caches building upon time randomization and providing probabilistic guarantees of tasks' execution time.

In this Thesis, we first focus on on improving cache placement and replacement to improve guaranteed performance. For placement, different existing policies are explored in a multi-level cache setup, and a solution is reached in which different of those policies are combined. For cache replacement, we analyze a pathological scenario that no cache policy so far accounts and propose several policies that fix this pathological scenario.

For shared caches in multicore we observe that contention is mainly caused by private writes that go through to the shared cache, yet using a pure write-back policy also has its drawbacks. We propose a hybrid approach to mitigate this contention. Building on this solution, the next contribution tackles a problem caused by the need of some reliability mechanisms in CRTES. Implementing reliability close to the processor's core has a significant impact in performance. A look-ahead error detection solution is proposed to greatly mitigate the performance impact.

The next contribution proposes the first hardware prefetcher for CRTES with arbitrary cache hierarchies. Given its speculative nature, prefetchers that have a guaranteed positive impact on performance are difficult to design. We present a framework that provides execution time guarantees and obtains a performance benefit.

Finally, we focus on the impact of timing anomalies in CRTES with caches. For the first time, a definition and taxonomy of timing anomalies is given for Measurement-Based Timing Analysis. Then, we focus on a specific timing anomaly that can happen with caches and provide a solution to account for it in the execution time estimates.
Los Sistemas Empotrados de Tiempo-Real Crítico (SETRC), como los de los aviones, coches o trenes, requieren más y más rendimiento garantizado para satisfacer la demanda al alza de rendimiento para funciones complejas y avanzadas de software. Aunque el incremento en rendimiento puede ser adquirido utilizando técnicas de arquitectura de procesadores actualmente utilizadas en la Computación de Altas Prestaciones (CAP) i en los dominios convencionales, este uso presenta retos para el análisis del tiempo de software, un paso necesario en la verificación y validación de SETRC. Las memorias caches son conocidas por su gran impacto en rendimiento y, de hecho, los actuales SETRC incluyen multicores normalmente con diversos niveles de cache. En esta línea, esta Tesis tiene como objetivo mejorar el rendimiento garantizado de los SETRC utilizando técnicas para caches y utilizando métodos como la randomización del tiempo y proveyendo garantías probabilísticas de tiempo de ejecución de las tareas. En esta Tesis, primero nos centramos en mejorar la colocación y el reemplazo de caches para mejorar el rendimiento garantizado. Para la colocación, diferentes políticas son exploradas en un sistema cache multi-nivel, y se llega a una solución donde diversas de estas políticas son combinadas. Para el reemplazo, analizamos un escenario patológico que ninguna política actual tiene en cuenta, y proponemos varias políticas que solucionan este escenario patológico. Para caches compartidas en multicores, observamos que la contención es causada principalmente por escrituras privadas que van a través de la cache compartida, pero usar una política de escritura retardada pura también tiene sus consecuencias. Proponemos un enfoque híbrido para mitigar la contención. Sobre esta solución, la siguiente contribución ataca un problema causado por la necesidad de mecanismos de fiabilidad en SETRC. Implementar fiabilidad cerca del núcleo del procesador tiene un impacto significativo en rendimiento. Una solución basada en anticipación se propone para mitigar el impacto en rendimiento. La siguiente contribución propone el primer prefetcher hardware para SETRC con una jerarquía de caches arbitraria. Por primera vez, se da una definición y taxonomía de anomalías temporales para Análisis Temporal Basado en Medidas. Después, nos centramos en una anomalía temporal concreta que puede pasar con caches y ofrecemos una solución que la tiene en cuenta en las estimaciones del tiempo de ejecución.