Les systèmes embarqués sont de plus en plus complexes et requièrent des besoins en puissance de calcul toujours plus importants. Ils doivent être capables de s'adapter à l'évolution rapide de leurs applications qui requièrent un haut niveau de performance (ordre du TOPS: Téra-opérations par seconde) et de parallélisme. Par ailleurs, la complexité des parties irrégulières étant de plus en plus importantes, des solutions de calcul performantes et adaptées doivent être mises en œuvre afin de prendre en compte leur dynamisme. Une prise en compte efficace du dynamisme réduit le déséquilibre de charge entre les ressources de calcul et améliore grandement les performances globales.Pour répondre aux besoins de ces applications de calcul intensif massivement parallèle et dynamique, nous proposons dans cette thèse l’architecture AHDAM qui signifie « Asymmetric Homogeneous with Dynamic Allocator Manycore architecture ». Cette architecture a été conçue afin de masquer efficacement la latence d’accès à la mémoire extérieure dont de nombreux accès sont nécessaires lors de la manipulation de grands volumes de données. Pour cela, des processeurs multitâches ont été utilisés. Par ailleurs, l’architecture AHDAM imbrique plusieurs niveaux de parallélisme afin de tirer partie efficacement des différentes formes de parallélisme des applications, et ainsi atteindre un haut niveau de performance. Enfin, cette architecture utilise un contrôleur centralisé pour équilibrer la charge de calcul entre ses ressources de calcul afin d’augmenter leur taux d’utilisation et supporter les applications fortement dynamiques.L’architecture AHDAM a été évaluée en portant une application de radio logicielle appelée «spectrum radio-sensing ». Avec 136 cœurs cadencés à 500 MHz, l'architecture AHDAM atteint une performance crête de 196 GOPS et répond aux exigences de l'application. / Embedded systems are getting more complex and require more intensive processing capabilities. They must be able to adapt to the rapid evolution of the high-end embedded applications that are characterized by their high computation-intensive workloads (order of TOPS: Tera Operations Per Second), and their high level of parallelism. Moreover, since the dynamism of the applications is becoming more significant, powerful computing solutions should be designed accordingly. By exploiting efficiently the dynamism, the load will be balanced between the computing resources, which will improve greatly the overall performance. To tackle the challenges of these future high-end massively-parallel dynamic embedded applications, we have designed the AHDAM architecture, which stands for “Asymmetric Homogeneous with Dynamic Allocator Manycore architecture". Its architecture permits to process applications with large data sets by efficiently hiding the processors' stall time using multithreaded processors. Besides, it exploits the parallelism of the applications at multiple levels so that they would be accelerated efficiently on dedicated resources, hence improving efficiently the overall performance. AHDAM architecture tackles the dynamism of these applications by dynamically balancing the load between its computing resources using a central controller to increase their utilization rate.The AHDAM architecture has been evaluated using a relevant embedded application from the telecommunication domain called “spectrum radio-sensing”. With 136 cores running at 500 MHz, AHDAM architecture reaches a peak performance of 196 GOPS and meets the computation requirements of the application.

Cette thèse s'intéresse à la définition de mécanismes, aussi bien au niveau logiciel que matériel, facilitant la gestion des systèmes-sur-puce hétérogènes et dynamiquement reconfigurable (HRSoC). L'hétérogénéité de ses architectures se manifeste par la présence à la fois de processeurs de calcul généralistes et de modules matériels reconfigurables. L'objectif de cette thèse est de permettre à un développeur d'application de s'abstraire de cette hétérogénéité en ce qui concerne l'allocation des tâches sur les différentes unités de calcul disponibles. Cette abstraction passe par une première phase d'homogénéisation des interfaces utilisateurs (API) et la définition d'un modèle de thread matériel, au même titre qu'il existe des threads logiciels. Cette homogénéisation se poursuit ensuite dans la gestion de ces threads matériels. Nous avons implémenté des services au niveau du système d'exploitation permettant de sauvegarder, préempter, et restaurer le contexte d'un thread matériel. Des outils de conception ont également été développés afin de surpasser le problème de la relocation d'un thread matériel au sein d'un FPGA. Enfin, la dernière étape a été d'étendre l'accès aux services offerts par tous les systèmes d'exploitation distribués au sein de la plateforme à tous les threads s'exécutant sur celle-ci, indépendamment de leur localisation. Ceci a été réalisé via une implémentation originale de l'API MRAPI. Avec ces trois étapes, nous avons apporté une base solide afin, dans le futur, de proposer au développeur un flot de conception dédié aux architectures HRSoC lui permettant de procéder à une exploration architecturale précise de son système. Finalement, afin d'éprouver le fonctionnement de ces mécanismes, nous avons réalisé une plateforme de démonstration sur FPGA Virtex 5 mettant en scène une application de suivi de cibles dynamique. / This thesis aims to define software and hardware mechanisms helping in the management the Heterogeneous and dynamically Reconfigurable Systems-on-Chip (HRSoC). The heterogeneity is due to the presence of general processing units and reconfigurable IPs. Our objective is to provide to an application developer an abstracted view of this heterogeneity, regarding the task mapping on the available processing elements. First, we homogenize the user interface defining a hardware thread model. Then, we pursue with the homogenization of the hardware threads management. We implemented OS services permitting to save and restore a hardware thread context. Conception tools have also been developed in order to overcome the relocation issue. The last step consisted in extending the access to the distributed OS services to every thread running on the platform. This access is provided independently from the thread location and is is realized implementing the MRAPI API. With these three steps, we build a solid basis to, in future work, provide to the developer, a conception flow dedicated to HRSoC allowing to perform precise architectural space explorations. Finally, to validate these mechanisms, we realize a demonstration platform on a Virtex 5 FPGA running a dynamic tracking application.

Devant les difficultés croissantes liées au coût en développement, en consommation, en surface de silicium, nécessaires aux nouvelles optimisations des architectures monocœur, on assiste au retour en force du parallélisme et des coprocesseurs spécialisés dans les architectures. Cette technique apporte le meilleur compromis entre puissance de calcul élevée et utilisations des ressources. Afin d'exploiter efficacement toutes ces architectures, il faut partitionner le code en tâches, appelées codelet, avant de les distribuer aux différentes unités de calcul. Ce partionnement est complexe et l'espace des solutions est vaste. Il est donc nécessaire de développer des outils d'automatisation efficaces pour le partitionnement du code séquentiel. Les travaux présentés dans cette thèse portent sur l'élaboration d'un tel processus de partitionnement. L'approche d'Astex est basée sur la spéculation, en effet les codelets sont construits à partir des profils d'exécution de l'application. La spéculation permet un grand nombre d'optimisations inexistantes ou impossibles statiquement. L'élaboration, la gestion dynamique et l'usage que l'on peut faire de la spéculation sont un vaste sujet d'étude. La deuxième contribution de cette thèse porte sur l'usage de la spéculation dans l'optimisation des communications entre processeur et coprocesseur et traite en particulier du cas du GPGPU, i.e. l'utilisation d'un processeur graphique comme coprocesseur de calcul intensif.

La perspective de technologies nanométriques permet d'envisager l'avènement de processeurs constitués de centaines de coeurs de calcul. Néanmoins, l'utilisation de ces processeurs nécessitera de pallier aux problèmes de fiabilité et de variabilité inhérents à ces procédés de fabrication agressifs. Dans cette thèse, nous présentons un ensemble cohérent de techniques pour l'utilisation de processeurs multi-coeurs massivement parallèles, soumis à de forts taux de variabilité et de défaillance. Tout d' abord, la fiabilité du réseau d'interconnexion est abordée, avec la présentation de plusieurs algorithmes de routage tolérants aux fautes, sans interblocages et sans table de routage pour une meilleure scalabilité. Les différentes variantes de ces algorithmes permettent d'ajuster la complexité du réseau sur puce, en fonction des besoins en fiabilité des applications. A titre d'exemple, le plus performant des algorithmes de routage peut acheminer les paquets tant qu'il existe un chemin sans défaillance, et ce jusqu'à 40% de ressources défectueuses. Plusieurs évolutions ont également été étudiées afin d'améliorer les performances du réseau en présence d'un nombre important de fautes. Ensuite, nous proposons une technique auto-adaptative de gestion des applications parallèles, basée sur un routage tolérant aux fautes. L'affectation dynamique des tâches se base sur la recherche adaptative des noeuds de calcul, afin de diminuer la consommation énergétique de l'application en présence de variabilité. Enfin, nous présentons un modèle de simulation de haut-niveau appelé VOCIS (Versatile On-Chip Interconnect Simulator), développé pendant cette thèse. Il permet l'étude approfondie des réseaux d'interconnexion et des routages tolérants aux fautes dans des conditions complexes, afin de répondre aux contraintes propres à ce travail. Nous décrivons son architecture et ses capacités de visualisation. Finalement, nous analysons et illustrons plusieurs résultats expérimentaux originaux obtenus avec ce modèle.

Les logiciels embarqués critiques de contrôle-commande sont soumis à des contraintes fortes englobant le déterminisme, la correction logique et la correction temporelle. Nous supposons que les spécifications sont exprimées à l'aide du langage formel de description d'architectures logicielles temps réel multipériodiques Prelude. L'objectif de cette thèse est, à partir d'un programme Prelude ou d'un ensemble de tâches temps réel dépendantes, de générer un code multithreadé exécutable sur une architecture multicœur tout en respectant la sémantique initiale. Pour cela, nous avons développé une boîte à outil, SchedMCore,permettant : - d'une part, la vérification formelle de l'ordonnançabilité. La vérification proposée est basée sur le parcours exhaustif du comportement avec pas de temps discret. Il est alors possible d'analyser des politiques en-ligne (FP, gEDF, gLLF et LLREF) mais également de calculer une affectation de priorité fixe valide et une séquence valide hors-ligne.- d'autre part, l'exécution multithreadée sur une cible multicœur. L'exécutif encode les politiques proposées étudiées dans la partie d'analyse d'ordonnançabilité, à savoir les quatre politiques en-ligne ainsi que les séquences valides générées. L'exécutif permet 3 modes d'utilisation, allant de la simulation temporelle à l'exécution temps précis des comportements des tâches. Il est compatible Posix et facilement portable sur divers OS. / A real-time control-command embedded system is subject to strong constraints such as determinism, logical and temporal correctness. We assume that the specifications are expressed using the formal software architecture description language Prelude, dedicated to real-time multiperiodic applications. The goal of this thesis is, given a Prelude program or dependent real-time taskset, to generate amultithreaded executable code over a multicore architecture while respecting the original semantic. To do so we have developed a toolbox, SchedMcore, that allows: - the formal verification of schedulability. The verification is based on the exhaustive exploration of the behaviour with a discret time frame. It is possible to analyse on-line policies (FP, gEDF, gLLF et LLREF), as well as to compute a fixed valid priority assignment and a valid off-line sequence.- the multithreaded execution over a multicore target. The framework encodes the same policies as those studied in the first part (the four on-line policies and the generated sequences). The framework provides three usage modes, from temporal simulation to time accurate execution. The executive is compatible with Posix and easily portable on several OS.

La perspective de technologies nanométriques permet d'envisager l'avènement de processeurs constitués de centaines de coeurs de calcul. Néanmoins, l'utilisation de ces processeurs nécessitera de pallier aux problèmes de fiabilité et de variabilité inhérents à ces procédés de fabrication agressifs. Dans cette thèse, nous présentons un ensemble cohérent de techniques pour l'utilisation de processeurs multi-coeurs massivement parallèles, soumis à de forts taux de variabilité et de défaillance. Tout d' abord, la fiabilité du réseau d'interconnexion est abordée, avec la présentation de plusieurs algorithmes de routage tolérants aux fautes, sans interblocages et sans table de routage pour une meilleure scalabilité. Les différentes variantes de ces algorithmes permettent d'ajuster la complexité du réseau sur puce, en fonction des besoins en fiabilité des applications. A titre d'exemple, le plus performant des algorithmes de routage peut acheminer les paquets tant qu'il existe un chemin sans défaillance, et ce jusqu'à 40% de ressources défectueuses. Plusieurs évolutions ont également été étudiées afin d'améliorer les performances du réseau en présence d'un nombre important de fautes. Ensuite, nous proposons une technique auto-adaptative de gestion des applications parallèles, basée sur un routage tolérant aux fautes. L'affectation dynamique des tâches se base sur la recherche adaptative des noeuds de calcul, afin de diminuer la consommation énergétique de l'application en présence de variabilité. Enfin, nous présentons un modèle de simulation de haut-niveau appelé VOCIS (Versatile On-Chip Interconnect Simulator), développé pendant cette thèse. Il permet l'étude approfondie des réseaux d'interconnexion et des routages tolérants aux fautes dans des conditions complexes, afin de répondre aux contraintes propres à ce travail. Nous décrivons son architecture et ses capacités de visualisation. Finalement, nous analysons et illustrons plusieurs résultats expérimentaux originaux obtenus avec ce modèle. / The perspective of nanometric technologies foreshadows the advent of processors consisting of hundreds of computation cores. However, the exploitation of these processors will require to cope with reliability and variability issues inherent to these aggressive manufacturing processes. In this thesis, we present a coherent set of techniques for the utilization of many-cores processors subject to high defect and variability rates. First, the interconnection network reliability is addressed, with the presentation of several deadlock-free fault-tolerant routing algorithms, without routing tables for improving their scalability. The different variants of these algorithms allow for the tune-up of NoC complexity, depending on applications' reliability requirements. For example, the most performant routing algorithm is able to transmit packets as long as a fault-free path exists, with defect rates as high as 40%. Evolutions have also been studied, in order to improve the interconnect performances in the presence of a large number of faults. Second, we propose a self-adaptive technique for the management of parallel applications, based on a fault-tolerant interconnect. The dynamic tasks mapping is based on the adaptive search of computing nodes, in order to reduce the application's energy consumption in the presnece of variability. Third, we present a high-level simulation model named VOCIS (Versatile On-Chip Interconnect Simulator), developed during this thesis. The model allows in-depth study of interconnection networks and fault-tolerant routings under complex settings, in order to meet the specific constraints of this work. The architecture and visualization features are described. Finally, we analyse and illustrate original experimental results obtained with this model.

Cette thèse s’intéresse aux algorithmes adaptés aux architectures mémoire hiérarchiques, rencontrées notamment dans le contexte des processeurs multi-cœurs.Nous étudions d’abord le produit de matrices sur les processeurs multi-cœurs. Nous modélisons le processeur, bornons le volume de communication, présentons trois algorithmes réduisant ce volume de communication et validons leurs performances. Nous étudions ensuite la factorisation QR, dans le contexte des matrices ayant plus de lignes que de colonnes. Nous revisitons les algorithmes existants afin d’exploiter les processeurs multi-cœurs, analysons leurs chemins critiques, montrons que certains sont asymptotiquement optimaux, et analysons leurs performances.Nous étudions ensuite les applications pipelinées sur une plate-forme hétérogène, le QS 22. Nous modélisons celle-ci et appliquons les techniques d’ordonnancement en régime permanent. Nous introduisons un programme linéaire mixte permettant d’obtenir une solution optimale. Nous introduisons en outre un ensemble d’heuristiques.Puis, nous minimisons la mémoire nécessaire à une application modélisée par un arbre, sur une plate-forme à deux niveaux de mémoire. Nous présentons un algorithme optimal et montrons qu’il existe des arbres tels que les parcours postfixes sont arbitrairement mauvais. Nous étudions alors la minimisation du volume d’E/S à mémoire donnée, montrons que ce problème est NP-complet, et présentons des heuristiques. Enfin, nous comparons plusieurs politiques d’archivage pour BLUE WATERS. Nous introduisons deux politiques d’archivage améliorant les performances de la politique RAIT, modélisons la plate-forme de stockage et simulons son fonctionnement. / This thesis focus on memory-aware algorithms tailored for hierarchical memory architectures, found for instance within multicore processors. We first study the matrix product on multicore architectures. We model such a processor, and derive lower bounds on the communication volume. We introduce three ad hoc algorithms, and experimentally assess their performance.We then target a more complex operation: the QR factorization of tall matrices. We revisit existing algorithms to better exploit the parallelism of multicore processors. We thus study the critical paths of many algorithms, prove some of them to be asymptotically optimal, and assess their performance.In the next study, we focus on scheduling streaming applications onto a heterogeneous multicore platform, the QS 22. We introduce a model of the platform and use steady-state scheduling techniques so as to maximize the throughput. We present a mixed integer programming approach that computes an optimal solution, and propose simpler heuristics. We then focus on minimizing the amount of required memory for tree-shaped workflows, and target a classical two-level memory system. I/O represent transfers from a memory to the other. We propose a new exact algorithm, and show that there exist trees where postorder traversals are arbitrarily bad. We then study the problem of minimizing the I/O volume for a given memory, show that it is NP-hard, and provide a set of heuristics.Finally, we compare archival policies for BLUE WATERS. We introduce two archival policies and adapt the well known RAIT strategy. We provide a model of the tape storage platform, and use it to assess the performance of the three policies through simulation.

Le réseau de capteurs sans fil est une technologie clé du 21ème siècle car ses applications sont nombreuses et diverses. Cependant le réseau de capteurs sans fil est un système à très forte contrainte de ressources. En conséquence, les techniques utilisées pour le développement des systèmes embarqués classiques ne peuvent être appliquées. Aujourd’hui les capteurs sans fil ont été réalisés en utilisant une architecture monoprocesseur. Cette approche ne permet pas de réaliser un capteur sans fil robuste et à énergie efficiente pour les applications telles que agriculture de précision (en extérieur) et télémédecine. Les travaux menés dans le cadre de cette thèse ont pour but de développer une nouvelle approche pour la réalisation d’un capteur sans fil en utilisant une architecture multicoeur pour permettre à la fois d’augmenter sa robustesse et sa durée de vie (minimiser sa consommation énergétique). / The wireless sensor network is a key technology in the 21st century because it has multitude applications and it becomes the new way of interaction between physical environment and computer system. Moreover, the wireless sensor network is a high resource constraint system. Consequently, the techniques used for the development of traditional embedded systems cannot be directly applied. Today wireless sensor nodes were implemented by using only one single processor architecture. This approach does not achieve a robust and efficient energy wireless sensor network for applications such as precision agriculture (outdoor) and telemedicine. The aim of this thesis is to develop a new approach for the realization of a wireless sensor network node using multicore architecture to enable to increase both its robustness and lifetime (reduce energy consumption).

Ce travail de thèse présente la conception d’un convertisseur Buck 3 états pour améliorer le comportement dynamique des tensions d’alimentations des microprocesseurs. La topologie du convertisseur est dans un premier temps, implémentée en technologie IBM CMOS 180 nm pour la validation de la structure 3 états. Le prototype réalisé utilise une tension d’entrée de 3.6V et génère une tension de sortie de 0.8V à 2V. Sa réponse aux transitoires de charge ne montre que 1 à 2% de surtension prouvant ainsi l’avantage du régulateur en dynamique. Le convertisseur 3 états est dans un deuxième temps intégré en technologie 28 nm CMOS HPM (cette technologie est essentiellement utilisée pour les microprocesseurs). Les résultats des tests effectués sur le prototype réalisé confirment les performances en économie d’énergie, de surface et de réponse dynamique. Ce prototype délivre en effet 0.5 à 1.2V en sortie pour 1.8V en entrée et présente un rendement maximal de 90%. Les mesures de régulation dynamique montrent qu’il permet d’obtenir moins de 5% de bruit sur le processeur et 10 mV/ns de commutation de tensio / This thesis work consists into the design of a 3 states buck converter targeting the improvement of dynamic regulation of microprocessors supplies. The topology of the converter is, at first, implemented in IBMCMOS 180 nm technology to validate the transient performances of the3 states regulator. The prototype in 180 nm, uses an input voltage of 3.6V and outputs a voltage in the range of 0.8V to 2V. Its response to load transients shows about 1% of undershoot and 2 % of overshoot, proving a good dynamic behavior for a simple structure compared to state of the art.The 3 states converter is then integrated in 28 nm CMOS HPM (technologymostly used for microprocessors desgn). The experimental results on the prototype confirm the performances in terms of energy and area savings, aswell as dynamic response. The chip delivers 0.5V to 1.2V from a 1.8V supply,and shows a 90% peak efficiency. The measurements of dynamic regulation show less than 5% of noise on the processor supply and 10 mV/ns outputvoltage switching for DVFS purpose.

les travaux de recherche de Jean-François Nezan s'inscrivent dans le cadre général des méthodes et outils d'aide à la conception de systèmes embarqués. Plus particulièrement, les travaux présentés visent les systèmes électroniques constitués de plusieurs processeurs (MPSoC) et dédiés aux applications de compression/décompression vidéo. L'approche choisie se situe dans le cadre AAA (Adéquation Algorithme Architecture) qui utilise des modèles de descriptions haut-niveau des algorithmes et des architectures parallèles pour automatiser les processus de placement/ordonnancement et pour générer un code optimisé. La présentation montrera les apports à cette problématique issus des travaux encadrés par Jean-François Nezan, précisera également la manière dont ces travaux distincts s'intègrent dans un processus de développement cohérent et évolutif, et enfin donnera les perspectives attendues dans les années à venir.