Οι σύγχρονες τάσεις της Επιστήμης Σχεδιασμού των Υπολογιστικών Συστημάτων έχουν υιοθετήσει την χρήση των Κρυφών Μνημών ή Μνημών Cache, αποβλέποντας στην απόκρυψη της Καθυστέρησης της Κύριας Μνήμης των Συστημάτων (Memory Latency) και την γεφύρωση του χάσματος της απόδοσης του Επεξεργαστή και της Κύριας Μνήμης (Processor – Memory Performance Gap). Οι Μνήμες Cache έτσι έχουν αποκτήσει αδιαμφισβήτητα πρωτεύοντα ρόλο στην Ιεραρχία Μνήμης των Ηλεκτρονικών Υπολογιστών. Οι νέες τάσεις Σχεδιασμού ανέδειξαν την Έννοια του Παραλληλισμού σε πρωτεύοντα ρόλο. Αρχικά διερευνήθηκε ο Παραλληλισμός Επιπέδου Εντολών, ωστόσο η αύξηση της Απόδοσης των Υπολογιστών σύντομα έφτασε ένα μέγιστο. Την τελευταία δεκαετία το κέντρο του ενδιαφέροντος των σχεδιαστών έχει και πάλι μετατοπιστεί, καθώς ένας νέος τύπος Επεξεργαστών έχει εισέλθει στο προσκήνιο, οι Πολυπύρηνοι Επεξεργαστές, ή όπως είναι αλλιώς γνωστοί on-chip Multiprocessors (CMP). Αυτές οι εξελίξεις, σε συνδυασμό με την ολοένα αυξανόμενη πολυπλοκότητα της “συμπεριφοράς” των εκτελούμενων Εφαρμογών, ώθησαν το σχεδιαστικό ενδιαφέρον προς την εκμετάλλευση ενός νεοσύστατου τύπου Παραλληλισμού. Ο Παραλληλισμός Επιπέδου Μνήμης ή Memory Level Parallelism (MLP) αποτελεί τα τελευταία χρόνια, το πλέον ισχυρό μέσο αύξησης της απόδοσης των Υπολογιστικών Συστημάτων και μαζί με τους Πολυπύρηνους Επεξεργαστές θα κυριαρχήσει στο προσκήνιο των εξελίξεων τα επόμενα χρόνια. Σκοπός της παρούσας Διπλωματικής Εργασίας είναι η ανάπτυξη ενός Στατιστικού – Πιθανοτικού Μοντέλου για μελέτη και πρόβλεψη των φαινομένων που αναπτύσσονται σε Μνήμες Cache, στις οποίες αποθηκεύονται δεδομένα από εκτελούμενες Εφαρμογές, με έντονο Παραλληλισμό Επιπέδου Μνήμης. Θα οριστεί ένας Εκτιμητής του Φόρτου που επιβάλλεται στο Σύστημα, από φαινόμενα Παραλληλισμού Επιπέδου Μνήμης (MLP). Στην συνέχεια, με βάση το Μοντέλο που αναπτύσσουμε, θα διερευνηθεί ένα ικανοποιητικό σύνολο Εφαρμογών, και θα εξαχθεί μια Εκτίμηση – Πρόβλεψη για τον Φόρτο (MLP) του Συστήματος. Εφόσον οι Προβλέψεις μας κριθούν επιτυχής, το Μοντέλο Πρόβλεψης Φόρτου MLP που αναπτύξαμε, μπορεί να αποτελέσει χρήσιμο Εργαλείο στα χέρια των Σχεδιαστών που ασχολούνται με την αύξηση της Απόδοσης των Σύγχρονων Υπολογιστικών Συστημάτων. / -

Στην παρούσα διατριβή προτείνονται μέθοδοι διαχείρισης των κοινόχρηστων πόρων σε υπολογιστικά συστήματα όπου πολλαπλοί επεξεργαστές μοιράζονται το ίδιο ολοκληρωμένο (Chip Multiprocessors – CMPs). Ενώ μέχρι πρόσφατα ο σχεδιασμός ενός υπολογιστικού συστήματος στόχευε στην ικανοποίηση των απαιτήσεων μόνο μίας εφαρμογής ανά χρονική περίοδο, τώρα πια απαιτείται και η εξισορρόπηση των απαιτήσεων διαφορετικών εφαρμογών που ανταγωνίζονται για την κατοχή των ίδιων πόρων. Σε πολλές περιπτώσεις, όμως, αυτό δεν αρκεί από μόνο του. Ακόμη και αν επιτευχθεί κάποιος ιδανικός διαμοιρασμός του πόρου, αν δεν βελτιστοποιηθεί ο τρόπος με τον οποίο χρησιμοποιούν οι επεξεργαστές τον κοινόχρηστο πόρο, δεν θα καταφέρει να εξυπηρετήσει ικανοποιητικά το αυξημένο φορτίο. Για να αντιμετωπιστούν τα προβλήματα που πηγάζουν από τον διαμοιρασμό των κοινόχρηστων πόρων, στην παρούσα εργασία προτείνονται τρεις εναλλακτικοί μηχανισμοί διαχείρισης. Η πρώτη μεθοδολογία εισάγει μία νέα θεωρητική μοντελοποίηση του διαμοιρασμού της κρυφής μνήμης, η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί παράλληλα με την εκτέλεση των προγραμμάτων που διαμοιράζονται την κρυφή μνήμη. Η μεθοδολογία αξιοποιεί στην συνέχεια αυτήν την μοντελοποίηση, για να ελέγξει τον διαμοιρασμό της κρυφής μνήμης και να επιτύχει δικαιοσύνη στο πως κατανέμεται ο χώρος της κρυφής μνήμης μεταξύ των επεξεργαστών. Η δεύτερη μεθοδολογία παρουσιάζει μία νέα τεχνική για την πρόβλεψη της τοπικότητας των προσπελάσεων της κρυφής μνήμης. Καθώς η τοπικότητα είναι η βασική παράμετρος που καθορίζει την χρησιμότητα των δεδομένων της κρυφής μνήμης, χρησιμοποιώντας αυτήν την τεχνική πρόβλεψης μπορούν να οδηγηθούν μηχανισμοί διαχείρισης που βελτιώνουν την αξιοποίηση του χώρου της κρυφής μνήμης. Στα πλαίσια της μεθοδολογίας παρουσιάζουμε έναν τέτοιο μηχανισμό, ο οποίος στοχεύει στην ελαχιστοποίηση των αστοχιών της κρυφής μνήμης μέσω μίας νέας πολιτικής αντικατάστασης. Η τελευταία μεθοδολογία που παρουσιάζεται είναι μία μεθοδολογία για την μείωση της κατανάλωσης ενέργειας της ουράς εντολών, που είναι μία από τις πιο ενεργειακά απαιτητικές δομές του επεξεργαστή. Στα πλαίσια της μεθοδολογίας, δείχνεται ότι το κλειδί για την αποδοτική μείωση της κατανάλωσης ενέργειας της ουράς εντολών βρίσκεται στην αλληλεπίδραση της με το υποσύστημα μνήμης. Με βάση αυτό το συμπέρασμα, παρουσιάζουμε έναν νέο μηχανισμό δυναμικής διαχείρισης του μεγέθους της ουράς εντολών, ο οποίος συνδυάζει επιθετική μείωση της κατανάλωσης ενέργειας του επεξεργαστή με διατήρηση της υψηλής απόδοσής του. / This dissertation proposes methodologies for the management of shared resources in chip multi-processors (CMP). Until recently, the design of a computing system had to satisfy the computational and storage needs of a single program during each time period. Now instead, the designer has to balance the, perhaps conflicting, needs of multiple programs competing for the same resources. But, in many cases, even this is not enough. Even if we could invent a perfect way to manage sharing, without optimizing the way that each processor uses the shared resource, the resource could not deal efficiently with the increased load. In order to handle the negative effects of resource sharing, this dissertation proposes three management mechanisms. The first one introduces a novel theoretical model of the sharing of the shared cache, which can be used at run-time. Furthermore, out methodology uses the model to control sharing and to achieve a sense of justice in the way the cache is shared among the processors. Our second methodology presents a new technique for predicting the locality of cache accesses. Since locality determines, almost entirely, the usefulness of cache data, our technique can be used to drive any management mechanism which strives to improve the efficiency of the cache. As part of our methodology, we present such a mechanism, a new cache replacement policy which tries to minimize cache misses by near-optimal replacement decisions. The last methodology presented in this dissertation, targets the energy consumption of the processor. To that end, our methodology shows that the key to reducing the power consumption of the Issue Queue, without disproportional performance degradation, lies at the interaction of the Issue Queue with the memory subsystem: as long as the management of the Issue Queue doesn’t reduce the utilization of the memory subsystem, the effects of the management on the processor’s performance will be minimal. Based on this conclusion, we introduce a new mechanism for dynamically resizing the Issue Queue, which achieves aggressive downsizing and energy savings with almost no performance degradation.

Στη παρούσα Διατριβή διερευνήθηκε η χρήση υλικών υψηλής διηλεκτρικής σταθεράς (high-k) ως οξειδίων ελέγχου σε διατάξεις παγίδευσης φορτίου τύπου MONOS (Μetal-Οxide-Νitride-Οxide-Silicon). Τα οξείδια που εξετάστηκαν ήταν το HfO2, τo ZrO2 και το Al2O3. Η ανάπτυξή τους πραγματοποιήθηκε με χρήση της μεθόδου εναπόθεσης ατομικού στρώματος (ALD). Οι ιδιότητες των δομών μνήμης μελετήθηκαν συναρτήσει: (α) των πρόδρομων μορίων της εναπόθεσης για τα HfO2 και ZrO2, (β) του οξειδωτικού μέσου της εναπόθεσης για την περίπτωση του Al2O3 και (γ) της επακόλουθης ανόπτησης. Η ηλεκτρική συμπεριφορά των δομών εξετάστηκε με την κατασκευή πυκνωτών τύπου MOS. Τα υμένια του HfO2 αναπτύχθηκαν επί διστρωματικής στοίβας SiO2/Si3N4 με (α) αλκυλαμίδιο του χαφνίου (ΤΕΜΑΗ) και Ο3 στους 275 oC, και (β) κυκλοπενταδιενύλιο του χαφνίου (HfD-04) και Ο3 στους 350 οC. Ομοίως, τα υμένια του ZrO2 αναπτύχθηκαν επί διστρωματικής στοίβας SiO2/Si3N4 με: (α) αλκυλαμίδιο του ζιρκονίου (ΤΕΜΑΖ) και Ο3 στους 275 oC και (β) κυκλοπενταδιενύλιο του ζιρκονίου (ZrD-04) με Ο3 στους 350 oC. Ο δομικός χαρακτηρισμός, για το HfO2, φανέρωσε πως η ύπαρξη ή όχι κρυσταλλικού χαρακτήρα και η σύσταση του οξειδίου εξαρτάται τόσο από το πρόδρομο μόριο αλλά και από την ανόπτηση (600 οC, 2 min). Αντίθετα, το ZrO2 έχει σε κάθε περίπτωση κρυσταλλικότητα. Τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των πυκνωτών Si/SiO2/Si3N4/high-k/Pt, δείχνουν ότι οι δομές έχουν ικανοποιητική συμπεριφορά ως στοιχεία μνήμης αφού όλες οι ιδιότητες πληρούν τις βασικές προϋποθέσεις ως στοιχεία μνήμης, παρά την ανυπαρξία ενεργειακού φραγμού μεταξύ στρώματος παγίδευσης και οξειδίου ελέγχου. Η ικανότητα παγίδευσης και η επίδοση των δομών με HfO2 και ZrO2 δεν διαφοροποιούνται σημαντικά με χρήση διαφορετικού πρόδρομου μορίου ή με την ανόπτηση. Ο έλεγχος όμως της αντοχής των δομών σε επαναλαμβανόμενους παλμούς εγγραφής/διαγραφής αναδεικνύει ότι αμφότερες οι δομές που ανεπτύχθησαν με βάση το κυκλοπενταδιενύλιο έχουν μειωμένη αντοχή ηλεκτρικής καταπόνησης. Τo Al2O3 αναπτύχθηκε χρησιμοποιώντας το μόριο ΤΜΑ και ως οξειδωτικό μέσο: (α) H2O, (β) O3 και (γ) Plasma Ο2 (μέθοδος PE-ALD) σε συνδυασμό με ΤΜΑ. Οι δομές στην αρχική κατάσταση, χωρίς ανόπτηση, χαρακτηρίζονται από ισχυρό ρεύμα έγχυσης ηλεκτρονίων από την πύλη (υπό αρνητικές τάσεις) περιορίζοντας την ικανότητα φόρτισης και την επίδοση διαγραφής. Η ανόπτηση σε φούρνο και αδρανές περιβάλλον (850 ή 1050 oC, 15 min) προκάλεσε σημαντική βελτίωση των ηλεκτρικών χαρακτηριστικών των δομών λόγω του σημαντικού περιορισμού του παραπάνω φαινομένου. Μετά το στάδιο της ανόπτησης οι συνδυασμοί ΤΜΑ/Η2Ο και ΤΜΑ/Plasma Ο2 έχουν καλύτερες χαρακτηριστικές σε σχέση με αυτές του συνδυασμού ΤΜΑ/Ο3. Το φαινόμενο της διαρροής ηλεκτρονίων από την πύλη αποδίδεται στη μεγάλη συγκέντρωση και χωρική κατανομή του υδρογόνου στο υμένιο υψηλής διηλεκτρικής σταθεράς. Τέλος, διερευνήθηκε η τροποποίηση των ιδιοτήτων μνήμης των δομών με εμφύτευση ιόντων αζώτου χαμηλής ενέργειας και υψηλής δόσης στο Al2O3 και επακόλουθη ανόπτηση υψηλής θερμοκρασίας. Η παρουσία αζώτου στο υμένιο καθώς και ο χημικός δεσμός του εμφυτευμένου αζώτου είναι συνάρτηση της θερμοκρασίας ανόπτησης. Επομένως, οι ιδιότητες μνήμης εξαρτώνται από τη μορφή σύνδεσης και την συγκέντρωση του εμφυτευμένου αζώτου στο τροποποιημένο Al2O3. Η υψηλή θερμοκρασία ανόπτησης (1050 οC, 15 min) φαίνεται να αποφέρει δομές με τις καλύτερες ιδιότητες μνήμης. / This thesis studies the functionality of high-k oxides as blocking oxide layers in SONOS type charge-trap memory devices. The oxide materials that were examined were the HfO2, the ZrO2 and the Al2O3. All these blocking oxide layers were deposited by atomic layer deposition technique (ALD). The electrical performance of the trilayer stacks was examined using Pt-gate MOS-type capacitors. The properties of the memory structures were examined as a function of: (a) precursor chemistry of HfO2 and ZrO2 deposition, (b) the deposition oxidizing agent in the case of Al2O3 and (c) subsequent high temperature annealing steps. The HfO2 films were deposited on SiO2/Si3N4 bilayer stacks using: (a) hafnium alkylamide (TEMAH) and O3 at 275 oC, and (b) hafnium cyclopentadienyl (HfD-04) and O3 at 350 oC. Similarly the ZrO2 films were deposited by (a) zirconium alkylamide (TEMAZ) and O3 at 275 oC, and (b) zirconium cyclopentadienyl (ZrD-04) and O3 at 350 oC The structural characterization of the HfO2 showed that the crystallinity of the deposited high-k material depends on the precursor choice and the post deposition annealing step (600 °C, 2 min). On the contrary ZrO2 is deposited in a crystalline phase independent of the deposition conditions and the choice of the precursors. The electrical characterization of Si/SiO2/Si3N4/high-k/Pt capacitors showed that all fabricated structures operate well as memory elements, despite the absence of an energy barrier between the trapping layer and control oxide. The trapping efficiency and the performance of structures with HfO2 or ZrO2 blocking layers do not revealed a dependence upon the precursor chemistry. However, endurance testing using continuous write/erase pulses showed that both structures deposited by cyclopentadienyl precursors cannot sustain the resulting electrical stress. The Al2O3 layers were deposited using the TMA molecule while three different oxidizing agents were used: (a) H2O, (b) O3 and (c) oxygen plasma. Electrical testing of the resulting Pt-gate trilayer capacitors showed that in the deposited condition all three samples were characterized by gate electrode induced electron leakage currents in the negative bias regime, which completely masked the substrate hole injection effects. This effect limits the performance and the functionality of the memory stacks. After a high temperature annealing step (850 or 1050 oC, 15 min) this leakage current is reduced significantly and the stacks can function as memory elements. The results point to suggest that after annealing the best performance is exhibited by the TMA/H2O and TMA/Plasma O2 samples. The effect of gate induced electron leakage current is attributed to hydrogen related contamination, which has been verified by ToF-ERDA in depth profile measurements, at least for the case of TMA/H2O samples. The modification of the memory properties of the SiO2/Si3N4/Al2O3 stacks was also investigated using low energy and high fluence nitrogen implantation into Al2O3 layer. The concentration and the chemical bonding of the implanted nitrogen is a function of annealing temperature. The memory properties of the stack depend therefore on the chemical bonding and the concentration of the remaining nitrogen in the modified Al2O3. The high temperature annealing (1050 oC, 15 min) appears to provide the structures with improved memory properties in terms of retention and fast erase performance.

Η ασφάλεια των υπολογιστικών συστημάτων αποτελεί πλέον μια πολύ ενεργή περιοχή και αναμένεται να γίνει μια νέα παράμετρος σχεδίασης ισάξια μάλιστα με τις κλασσικές παραμέτρους σχεδίασης των συστημάτων, όπως είναι η απόδοση, η κατανάλωση ισχύος και το κόστος. Οι φερέγγυες υπολογιστικές πλατφόρμες έχουν προταθεί σαν μια υποσχόμενη λύση, ώστε να αυξήσουν τα επίπεδα ασφάλειας των συστημάτων και να παρέχουν προστασία από μη εξουσιοδοτημένη άδεια χρήσης των πληροφοριών που είναι αποθηκευμένες σε ένα σύστημα. Ένα φερέγγυο σύστημα θα πρέπει να διαθέτει τους κατάλληλους μηχανισμούς, ώστε να είναι ικανό να αντιστέκεται στο σύνολο, τόσο γνωστών όσο και νέων, επιθέσεων άρνησης υπηρεσίας. Οι επιθέσεις αυτές μπορεί να έχουν ως στόχο να βλάψουν το υλικό ή/και το λογισμικό του συστήματος. Ωστόσο, η μεγαλύτερη βαρύτητα στην περιοχή έχει δοθεί στην αποτροπή επιθέσεων σε επίπεδο λογισμικού. Στην παρούσα διατριβή προτείνονται έξι μεθοδολογίες σχεδίασης ικανές να θωρακίσουν ένα υπολογιστικό σύστημα από επιθέσεις άρνησης υπηρεσίας που έχουν ως στόχο να πλήξουν το υλικό του συστήματος. Η κύρια έμφαση δίνεται στο υποσύστημα της μνήμης (κρυφές μνήμες). Στις κρυφές μνήμες αφιερώνεται ένα μεγάλο μέρος της επιφάνειας του ολοκληρωμένου, είναι αυτές που καλούνται να "αποκρύψουν" τους αργούς χρόνους απόκρισης της κύριας μνήμης και ταυτόχρονα σε αυτές οφείλεται ένα μεγάλο μέρος της συνολικής κατανάλωσης ισχύος. Ως εκ τούτου, παρέχοντας βελτιστοποιήσεις στις κρυφές μνήμες καταφέρνουμε τελικά να μειώσουμε τον χρόνο εκτέλεσης του λογισμικού, να αυξήσουμε το ρυθμό μετάδοσης των ψηφιακών δεδομένων και να θωρακίσουμε το σύστημα από επιθέσεις άρνησης υπηρεσίας σε επίπεδο υλικού. / Data security concerns have recently become very important, and it can be expected that security will join performance, power and cost as a key distinguish factor in computer systems. Trusted platforms have been proposed as a promising approach to enhance the security of the modern computer system and prevent unauthorized accesses and modifications of the sensitive information stored in the system. Unfortunately, previous approaches only provide a level of security against software-based attacks and leave the system wide open to hardware attacks. This dissertation thesis proposes six design methodologies to shield a uniprocessor or a multiprocessor system against a various number of Denial of Service (DoS) attacks at the architectural and the operating system level. Specific focus is given to the memory subsystem (i.e. cache memories). The cache memories account for a large portion of the silicon area, they are greedy power consumers and they seriously determine system performance due to the even growing gap between the processor speed and main memory access latency. As a result, in this thesis we propose methodologies to optimize the functionality and lower the power consumption of the cache memories. The goal in all cases is to increase the performance of the system, the achieved packet throughput and to enhance the protection against a various number of passive and Denial of Service attacks.