Use of shared memory in the context of embedded multi-core processors: exploration of the technology and its limits
Piattaforme multicore e integrazione tri-dimensionale: analisi architetturale e ottimizzazione
Creators: name: Burgio, Paolo <1981>
Publisher: name: Alma Mater Studiorum - Università di Bologna
Year: 2013
Subjects: ING-INF/01 Elettronica

description: Modern embedded systems embrace many-core shared-memory designs. Due to constrained power and area budgets, most of them feature software-managed scratchpad memories instead of data caches to increase the data locality. It is therefore programmers’ responsibility to explicitly manage the memory transfers, and this make programming these platform cumbersome. Moreover, complex modern applications must be adequately parallelized before they can the parallel potential of the platform into actual performance. To support this, programming languages were proposed, which work at a high level of abstraction, and rely on a runtime whose cost hinders performance, especially in embedded systems, where resources and power budget are constrained. This dissertation explores the applicability of the shared-memory paradigm on modern many-core systems, focusing on the ease-of-programming. It focuses on OpenMP, the de-facto standard for shared memory programming. In a first part, the cost of algorithms for synchronization and data partitioning are analyzed, and they are adapted to modern embedded many-cores. Then, the original design of an OpenMP runtime library is presented, which supports complex forms of parallelism such as multi-level and irregular parallelism. In the second part of the thesis, the focus is on heterogeneous systems, where hardware accelerators are coupled to (many-)cores to implement key functional kernels with orders-of-magnitude of speedup and energy efficiency compared to the “pure software” version. However, three main issues rise, namely i) platform design complexity, ii) architectural scalability and iii) programmability. To tackle them, a template for a generic hardware processing unit (HWPU) is proposed, which share the memory banks with cores, and the template for a scalable architecture is shown, which integrates them through the shared-memory system. Then, a full software stack and toolchain are developed to support platform design and to let programmers exploiting the accelerators of the platform. The OpenMP frontend is extended to interact with it.
description: I sistemi integrati moderni sono architetture many-core, in cui spesso lo spazio di memoria è condiviso fra i processori. Per ridurre i consumi, molte di queste architetture sostituiscono le cache dati con memorie scratchpad gestite in software, per massimizzarne la località alle CPU e aumentare le performance. Questo significa che i dati devono essere spostati manualmente da parte del programmatore. Inoltre, tradurre in perfomance l’enorme parallelismo potenziale delle piattaforme many-core non è semplice. Per supportare la programmazione, diversi programming model sono stati proposti, e siccome lavorano ad un alto livello di astrazione, sfruttano delle librerie di runtime che forniscono servizi di base quali sincronizzazione, allocazione della memoria, threading. Queste librerie hanno un costo, che nei sistemi integrati è troppo elevato e ostacola il raggiungimento delle piene performance. Questa tesi analizza come un programming model ad alto livello di astrazione – OpenMP – possa essere efficientemente supportato, se il suo stack software viene adattato per sfruttare al meglio la piattaforma sottostante. In una prima parte, studio diversi meccanismi di sincronizzazione e comunicazione fra thread paralleli, portati sulle piattaforme many-core. In seguito, li utilizzo per scrivere un runtime di supporto a OpenMP che sia il più possibile efficente e “leggero” e che supporti paradigmi di parallelismo multi-livello e irregolare, spesso presenti nelle applicazioni moderne. Una seconda parte della tesi esplora le architetture eterogenee, ossia con acceleratori hardware. Queste architetture soffrono di problematiche sia i) per il processo di design della piattaforma, che ii) di scalabilità della piattaforma stessa (aumento del numero degli acceleratori e dei processori), che iii) di programmabilità. La tesi propone delle soluzioni a tutti e tre i problemi. Il linguaggio di programmazione usato è OpenMP, sia per la sua grande espressività a livello semantico, sia perché è lo standard de-facto per programmare sistemi a memoria condivisa.