Main memory system performance is crucial for high performance microprocessors. Even though the peak bandwidth of main memory systems has increased through improvements in the microarchitecture of Dynamic Random Access Memory (DRAM) chips, conventional on-chip memory systems of microprocessors do not fully take advantage of it. This results in underutilization of the DRAM system, in other words, many idle cycles on the DRAM data bus. The main reason for this is that conventional on-chip memory system designs do not fully take into account important DRAM characteristics. Therefore, the high bandwidth of DRAM-based main memory systems cannot be realized and exploited by the processor. This dissertation identifies three major performance-related characteristics that can significantly affect DRAM performance and makes a case for DRAM characteristic-aware on-chip memory system design. We show that on-chip memory resource management policies (such as prefetching, buffer, and cache policies) that are aware of these DRAM characteristics can significantly enhance entire system performance. The key idea of the proposed mechanisms is to send out to the DRAM system useful memory requests that can be serviced with low latency or in parallel with other requests rather than requests that are serviced with high latency or serially. Our evaluations demonstrate that each of the proposed DRAM-aware mechanisms significantly improves performance by increasing DRAM utilization for useful data. We also show that when employed together, the performance benefit of each mechanism is achieved additively: they work synergistically and significantly improve the overall system performance of both single-core and Chip MultiProcessor (CMP) systems. / text

Memory system design is increasingly influencing modern multi-core architectures from both performance and power perspectives. Both main memory latency and bandwidth have im-proved at a rate that is slower than the increase in processor core count and speed. Off-chip memory, primarily built from DRAM, has received significant attention in terms of architecture and design for higher performance. These performance improvement techniques include sophisticated memory access scheduling, use of multiple memory controllers, mitigating the impact of DRAM refresh cycles, and so on. At the same time, new non-volatile memory technologies have become increasingly viable in terms of performance and energy. These alternative technologies offer different performance characteristics as compared to traditional DRAM. With the advent of 3D stacking, on-chip memory in the form of 3D stacked DRAM has opened up avenues for addressing the bandwidth and latency limitations of off-chip memory. Stacked DRAM is expected to offer abundant capacity — 100s of MBs to a few GBs — at higher bandwidth and lower latency. Researchers have proposed to use this capacity as an extension to main memory, or as a large last-level DRAM cache. When leveraged as a cache, stacked DRAM provides opportunities and challenges for improving cache hit rate, access latency, and off-chip bandwidth. Thus, designing off-chip and on-chip memory systems for multi-core architectures is complex, compounded by the myriad architectural, design and technological choices, combined with the characteristics of application workloads. Applications have inherent spatial local-ity and access parallelism that influence the memory system response in terms of latency and bandwidth. In this thesis, we construct an analytical model of the off-chip main memory system to comprehend this diverse space and to study the impact of memory system parameters and work-load characteristics from latency and bandwidth perspectives. Our model, called ANATOMY, uses a queuing network formulation of the memory system parameterized with workload characteristics to obtain a closed form solution for the average miss penalty experienced by the last-level cache. We validate the model across a wide variety of memory configurations on four-core, eight-core and sixteen-core architectures. ANATOMY is able to predict memory latency with average errors of 8.1%, 4.1%and 9.7%over quad-core, eight-core and sixteen-core configurations respectively. Further, ANATOMY identifie better performing design points accurately thereby allowing architects and designers to explore the more promising design points in greater detail. We demonstrate the extensibility and applicability of our model by exploring a variety of memory design choices such as the impact of clock speed, benefit of multiple memory controllers, the role of banks and channel width, and so on. We also demonstrate ANATOMY’s ability to capture architectural elements such as memory scheduling mechanisms and impact of DRAM refresh cycles. In all of these studies, ANATOMY provides insight into sources of memory performance bottlenecks and is able to quantitatively predict the benefit of redressing them. An insight from the model suggests that the provisioning of multiple small row-buffers in each DRAM bank achieves better performance than the traditional one (large) row-buffer per bank design. Multiple row-buffers also enable newer performance improvement opportunities such as intra-bank parallelism between data transfers and row activations, and smart row-buffer allocation schemes based on workload demand. Our evaluation (both using the analytical model and detailed cycle-accurate simulation) shows that the proposed DRAM re-organization achieves significant speed-up as well as energy reduction. Next we examine the role of on-chip stacked DRAM caches at improving performance by reducing the load on off-chip main memory. We extend ANATOMY to cover DRAM caches. ANATOMY-Cache takes into account all the key parameters/design issues governing DRAM cache organization namely, where the cache metadata is stored and accessed, the role of cache block size and set associativity and the impact of block size on row-buffer hit rate and off-chip bandwidth. Yet the model is kept simple and provides a closed form solution for the aver-age miss penalty experienced by the last-level SRAM cache. ANATOMY-Cache is validated against detailed architecture simulations and shown to have latency estimation errors of 10.7% and 8.8%on average in quad-core and eight-core configurations respectively. An interesting in-sight from the model suggests that under high load, it is better to bypass the congested DRAM cache and leverage the available idle main memory bandwidth. We use this insight to propose a refresh reduction mechanism that virtually eliminates refresh overhead in DRAM caches. We implement a low-overhead hardware mechanism to record accesses to recent DRAM cache pages and refresh only these pages. Older cache pages are considered invalid and serviced from the (idle) main memory. This technique achieves average refresh reduction of 90% with resulting memory energy savings of 9%and overall performance improvement of 3.7%. Finally, we propose a new DRAM cache organization that achieves higher cache hit rate, lower latency and lower off-chip bandwidth demand. Called the Bi-Modal Cache, our cache organization brings three independent improvements together: (i) it enables parallel tag and data accesses, (ii) it eliminates a large fraction of tag accesses entirely by use of a novel way locator and (iii) it improves cache space utilization by organizing the cache sets as a combination of some big blocks (512B) and some small blocks (64B). The Bi-Modal Cache reduces hit latency by use of the way locator and parallel tag and data accesses. It improves hit rate by leveraging the cache capacity efficiently – blocks with low spatial reuse are allocated in the cache at 64B granularity thereby reducing both wasted off-chip bandwidth as well as cache internal fragmentation. Increased cache hit rate leads to reduction in off-chip bandwidth demand. Through detailed simulations, we demonstrate that the Bi-Modal Cache achieves overall performance improvement of 10.8%, 13.8% and 14.0% in quad-core, eight-core and sixteen-core workloads respectively over an aggressive baseline.

Esta tese de doutorado apresenta o projeto de uma arquitetura de memória híbrida energeticamente eficiente baseada em memórias do tipo scratchpad (Hy-SVM) para a codificação paralela de vídeos segundo o padrão HEVC. A codificação de vídeo se destaca como uma parte extremamente complexa nas aplicações de processamento de vídeo. O padrão HEVC traz inovações que complicam fortemente os requerimentos de memória de tais aplicações, principalmente devido a: (a) novas estruturas de codificação, as quais agravam a complexidade computacional por proporcionarem muitas modos possíveis de codificação que devem ser analisados; além do (b) suporte de alto nível à paralelização da codificação por meio do particionamento das unidades de codificação em múltiplos Tiles, o qual provê a aceleração da performance dos codificadores, porém, ao mesmo tempo, adiciona grandes desafios à infraestrutura de memória. O principal gargalo em termos de comunicação com a memória externa e de armazenamento interno (dentro do chip do codificador) é dados pelas informações dos quadros de referência: que consiste em uma série de quadros completos já codificados (e reconstruídos) que devem ser mantidos em memória e acessados de forma intensa durante o processamento dos quadros futuros. Devido ao grande volume de dados que são necessários para representar os quadros de referência, estes são tipicamente armazenados na memória externa dos codificadores (principalmente quando vídeos de alta e ultra alta resolução são processados) A arquitetura proposta Hy-SVM está inserida em um sistema de codificação baseado no particionamento dos quadros do vídeo de entrada em múltiplos Tiles, de forma a habilitar a codificação paralela das informações segundo o padrão HEVC: neste cenário, cada Tile é assinalado para uma específica unidade de processamento do codificador HEVC, o qual executa o processamento dos diferentes Tiles em paralelo. A ideias chave da arquitetura Hy- SVM incluem: projeto e gerenciamento de memórias para a aplicação específica de codificação de vídeo; uso de múltiplos níveis de memórias privadas e compartilhadas, com o objetivo de explorar o reuso de dados intra-Tile e inter-Tiles de forma combinada; uso de memórias do tipo scratchpad (SPMs) para o armazenamento interno da informações de forma eficiente em termos de consumo de energia; projeto de memórias híbridas utilizando as tecnologias SRAM e STTRAM como base. Uma metodologia de projeto é proposta para a arquitetura Hy-SVM, a qual aproveita propriedades específicas da aplicação para, de forma adequada, definir os parâmetros de projeto das memórias híbridas. De forma a prover adaptação em tempo de execução (para ambas as memórias on-chip e off-chip), a arquitetura Hy-SVM integra uma camada de gerenciamento composta pelas seguintes estratégias (1) predição do overlap (sobreposição de acessos), o qual busca identificar o comportamento dos acessos redundantes entre diferentes unidades de processamento do codificador HEVC a partir da análise dos acessos à memória das codificações dos quadros passados do vídeo, com o objetivo de aumentar o potencial de exploração do reuso de dados inter-Tiles; (2) gerenciamento dos acessos à memória externa, responsável por balancear a vazão de dados com a memória acumulada entre as múltiplas unidades de processamento do codificador HEVC paralelo, com o objetivo de melhorar o uso do barramento de comunicação com a memória externa; e (3) gerenciamento de dados das SPMs implementadas a partir de células de memória STT-RAM, o qual alivia estas células de acessos de escrita com alta atividade de chaveamento dos bits armazenados, com o objetivo de aumentar o tempo de vide destas células, bem como reduzir as penalidades relativas à ineficiência dos acessos de escrita nas memórias STT-RAM. O conhecimento específico da aplicação foi utilizado nas estratégias de gerenciamento em tempo de execução das seguintes formas: explorando parâmetros da codificação HEVC e realizando monitorando em tempo real dos acessos à memória realizados pelo codificador Estas informações são utilizadas tanto pelas técnicas de gerenciamento, quanto pelas metodologias de projeto das memórias. Baseadas nas decisões tomadas pela camada de gerenciamento, a arquitetura Hy-SVM integra unidades de gerenciamento de acessos à memória (memory access management units – MAMUs) para controlar as dinâmicas de acesso das memórias SPM privadas e compartilhadas. Além disso, unidades adaptativas de gerenciamento de potência (adaptive power management units – APMUs) são capazes de reduzir o consumo de energia interno do chip do codificador a partir das estimativas precisas de formação dos overlaps. Os resultados obtidos por meio dos experimentos realizados demonstram economias de consumo energético da arquitetura Hy-SVM, quando comparada a trabalhos relacionados, sob diversos cenários de teste. Quando comparada a estratégias de reuso de dados tradicionais para codificadores de vídeo, como o esquema Level-C, a exploração do reuso de dados combinado nos níveis intra-Tile e inter-Tiles provê 69%-79% de redução de energia. Considerando as arquiteturas de memória de vídeo com foco no padrão HEVC, os ganhos variaram desde 2,8% (pior caso) até 67% (melhor caso) Da perspectiva do consumo de energia relacionado à comunicação com a memória externa, a arquitetura Hy-SVM é capaz de melhorar o reuso de dados (por explorar também o reuso de dados inter-Tiles), resultando em um consumo de energia on-chip 11%-17% menor. Além disso, as APMUs contribuem para reduzir o consumo de energia on-chip da arquitetura Hy-SVM em 56%-95%, para os cenários de teste analisados. Desta forma, comparada aos trabalhos relacionados, a arquitetura Hy-SVM apresenta o menor consumo energético on-chip. O gerenciamento da vazão da comunicação com a memória externa é capaz de reduzir as variações de largura de banda em 37%-83%, quando comparado à ordem tradicional de processamento, para cenários de teste com 4 e 16 Tiles sendo processados em paralelo pelo codificador HEVC. O gerenciamento de dados pôde, de forma significativa, estender o tempo de vida das células de memória STT-RAM, alcançando 0,83 de tempo de vida normalizado (métrica adotada para comparação, ficando muito próximo do caso ideal). Além disso, as sobrecargas causadas pela implementação das unidades de gerenciamento não afetam de foram significativa a performance e a eficiência energética da arquitetura Hy- SVM propostas por este trabalho. / This Thesis presents the design of an energy-efficient hybrid scratchpad video memory architecture (called Hy-SVM) for parallel High-Efficiency Video Coding. Video coding stands out as a high complex part in the video processing applications. HEVC standard brought innovations that increase the memory requirements, mainly due to: (a) the novel coding structures, which aggravates the computational complexity by providing a wider range of possibilities to be analyzed; and (b) the high-level parallelism features provided by the Tiles partitioning, which provides performance acceleration, but, at the same time, strongly adds hard challenges to the memory infrastructure. The main bottleneck in terms of external memory transmission and on-chip storage is the reference frames data: which consists of already coded (and reconstructed) entire frames that must be stored and intensively accessed during the encoding process of future frames. Due to the large volume of data required to represent the reference frames, they are typically stored in the external memory (especially when highdefinition videos are targeted). The proposed Hy-SVM architecture is inserted in a video coding system, which is based on multiple Tiles partitioning to enable parallel HEVC encoding: each Tile is assigned to a specific processing unit. The key ideas of Hy-SVM include: applicationspecific design and management; combined multiple levels of private and shared memories that jointly exploit intra-Tile and inter-Tiles data reuse; scratchpad memories (SPMs) as energyefficient on-chip data storage; combined SRAM and STT-RAM hybrid memory (HyM) design We propose a design methodology for Hy-SVM that leverages application-specific properties to properly define the HyMs parameters. In order to provide run-time adaptation (for both offand on-chip parts), Hy-SVM integrates a memory management layer composed of: (1) overlap prediction, which has the goal of identifying the redundant memory access behavior by analyzing monitored past frames encoding to increase inter-Tiles data reuse exploitation; (2) memory pressure management, which aims on balancing the Tiles-accumulated memory pressure targeting on improving external memory communication channel usage; and (3) lifetime-aware data management scheme that alleviates STT-RAM SPMs of high bit-toggling write accesses to increase the their cells lifetime, as well as to reduce overhead issues related to poor write characteristics of STT-RAM. Application-specific knowledge was exploited by inheriting HEVC properties and performing run-time monitoring of memory accesses. Such information is used to properly design the on-chip video memories, as well as being utilized as input parameters of the run-time memory management layer. Based on the run-time decisions from the proposed Hy-SVM management strategies, Hy-SVM integrates distributed memory access management units (MAMUs) to control the access dynamics of private and shared SPMs. Additionally, adaptive power management units (APMUs) are able to strongly reduce on-chip energy consumption due to an accurate overlap prediction The experimental results demonstrate Hy-SVM overall energy savings over related works under various HEVC encoding scenarios. Compared to traditional data reuse schemes, like Level-C, the combined intra-Tile and inter-Tiles data reuse provides 69%-79% of energy reduction. Regarding related HEVC video memory architectures, the savings varied from 2.8% (worst case) to 67% (best case). From the external memory perspective, Hy-SVM can improve data reuse (by also exploiting inter-Tiles data redundancy), resulting on 11%-71%% of reduced off-chip energy consumption. Additionally, our APMUs contribute by reducing on-chip energy consumption of Hy-SVM by 56%-95%, for the evaluated HEVC scenarios. Thus, compared to related works, Hy-SVM presents the lowest on-chip energy consumption. The memory pressure management scheme can reduce the variations in the memory bandwidth by 37%-83% when compared to the traditional raster scan processing for 4- and 16-core parallelized HEVC encoder. The lifetime-aware data management significantly extends the STT-RAM lifetime, achieving 0.83 of normalized lifetime (near to the optimal case). Moreover, the overhead of implementing our management units insignificantly affects the performance and energyefficiency of Hy-SVM.

Mixed-signal processing systems especially data converters can be reliably tested at high frequencies using on-chip testing schemes based on memory. In this thesis, an on-chip testing strategy based on shift registers/memory (2 k bits) has been proposed for digital-to-analog converters (DACs) operating at 5 GHz. The proposed design uses word length of 8 bits in order to test DAC at high speed of 5 GHz. The proposed testing strategy has been designed in standard 65 nm CMOS technology with additional requirement of 1-V supply. This design has been implemented using Cadence IC design environment. The additional advantage of the proposed testing strategy is that it requires lower number of I/O pins and avoids the large number of high speed I/O pads. It therefore also solves the problem of the bandwidth limitation that is associated with I/O transmission paths. The design of the on-chip tester based on memory contains no analog block and is implemented entirely in digital domain. In the proposed design, low frequency of 1 MHz has been used outside the chip to load the data into the memory during the write mode. During the read mode, the frequency of 625 MHz is used to read the data from the memory. A multiplexing system is used to reuse the stored data during read mode to test the intended functionality and performance. In order to convert the parallel data into serial data at high frequency at the memory output, serializer has been used. By using the frequencies of 1.25 GHz and 2.5 GHz, the serializer speeds up the data from the lower frequency of 625 MHz to the highest frequency of 5 GHz in order to test DAC at 5 GHz.

Esta tese de doutorado apresenta o projeto de uma arquitetura de memória híbrida energeticamente eficiente baseada em memórias do tipo scratchpad (Hy-SVM) para a codificação paralela de vídeos segundo o padrão HEVC. A codificação de vídeo se destaca como uma parte extremamente complexa nas aplicações de processamento de vídeo. O padrão HEVC traz inovações que complicam fortemente os requerimentos de memória de tais aplicações, principalmente devido a: (a) novas estruturas de codificação, as quais agravam a complexidade computacional por proporcionarem muitas modos possíveis de codificação que devem ser analisados; além do (b) suporte de alto nível à paralelização da codificação por meio do particionamento das unidades de codificação em múltiplos Tiles, o qual provê a aceleração da performance dos codificadores, porém, ao mesmo tempo, adiciona grandes desafios à infraestrutura de memória. O principal gargalo em termos de comunicação com a memória externa e de armazenamento interno (dentro do chip do codificador) é dados pelas informações dos quadros de referência: que consiste em uma série de quadros completos já codificados (e reconstruídos) que devem ser mantidos em memória e acessados de forma intensa durante o processamento dos quadros futuros. Devido ao grande volume de dados que são necessários para representar os quadros de referência, estes são tipicamente armazenados na memória externa dos codificadores (principalmente quando vídeos de alta e ultra alta resolução são processados) A arquitetura proposta Hy-SVM está inserida em um sistema de codificação baseado no particionamento dos quadros do vídeo de entrada em múltiplos Tiles, de forma a habilitar a codificação paralela das informações segundo o padrão HEVC: neste cenário, cada Tile é assinalado para uma específica unidade de processamento do codificador HEVC, o qual executa o processamento dos diferentes Tiles em paralelo. A ideias chave da arquitetura Hy- SVM incluem: projeto e gerenciamento de memórias para a aplicação específica de codificação de vídeo; uso de múltiplos níveis de memórias privadas e compartilhadas, com o objetivo de explorar o reuso de dados intra-Tile e inter-Tiles de forma combinada; uso de memórias do tipo scratchpad (SPMs) para o armazenamento interno da informações de forma eficiente em termos de consumo de energia; projeto de memórias híbridas utilizando as tecnologias SRAM e STTRAM como base. Uma metodologia de projeto é proposta para a arquitetura Hy-SVM, a qual aproveita propriedades específicas da aplicação para, de forma adequada, definir os parâmetros de projeto das memórias híbridas. De forma a prover adaptação em tempo de execução (para ambas as memórias on-chip e off-chip), a arquitetura Hy-SVM integra uma camada de gerenciamento composta pelas seguintes estratégias (1) predição do overlap (sobreposição de acessos), o qual busca identificar o comportamento dos acessos redundantes entre diferentes unidades de processamento do codificador HEVC a partir da análise dos acessos à memória das codificações dos quadros passados do vídeo, com o objetivo de aumentar o potencial de exploração do reuso de dados inter-Tiles; (2) gerenciamento dos acessos à memória externa, responsável por balancear a vazão de dados com a memória acumulada entre as múltiplas unidades de processamento do codificador HEVC paralelo, com o objetivo de melhorar o uso do barramento de comunicação com a memória externa; e (3) gerenciamento de dados das SPMs implementadas a partir de células de memória STT-RAM, o qual alivia estas células de acessos de escrita com alta atividade de chaveamento dos bits armazenados, com o objetivo de aumentar o tempo de vide destas células, bem como reduzir as penalidades relativas à ineficiência dos acessos de escrita nas memórias STT-RAM. O conhecimento específico da aplicação foi utilizado nas estratégias de gerenciamento em tempo de execução das seguintes formas: explorando parâmetros da codificação HEVC e realizando monitorando em tempo real dos acessos à memória realizados pelo codificador Estas informações são utilizadas tanto pelas técnicas de gerenciamento, quanto pelas metodologias de projeto das memórias. Baseadas nas decisões tomadas pela camada de gerenciamento, a arquitetura Hy-SVM integra unidades de gerenciamento de acessos à memória (memory access management units – MAMUs) para controlar as dinâmicas de acesso das memórias SPM privadas e compartilhadas. Além disso, unidades adaptativas de gerenciamento de potência (adaptive power management units – APMUs) são capazes de reduzir o consumo de energia interno do chip do codificador a partir das estimativas precisas de formação dos overlaps. Os resultados obtidos por meio dos experimentos realizados demonstram economias de consumo energético da arquitetura Hy-SVM, quando comparada a trabalhos relacionados, sob diversos cenários de teste. Quando comparada a estratégias de reuso de dados tradicionais para codificadores de vídeo, como o esquema Level-C, a exploração do reuso de dados combinado nos níveis intra-Tile e inter-Tiles provê 69%-79% de redução de energia. Considerando as arquiteturas de memória de vídeo com foco no padrão HEVC, os ganhos variaram desde 2,8% (pior caso) até 67% (melhor caso) Da perspectiva do consumo de energia relacionado à comunicação com a memória externa, a arquitetura Hy-SVM é capaz de melhorar o reuso de dados (por explorar também o reuso de dados inter-Tiles), resultando em um consumo de energia on-chip 11%-17% menor. Além disso, as APMUs contribuem para reduzir o consumo de energia on-chip da arquitetura Hy-SVM em 56%-95%, para os cenários de teste analisados. Desta forma, comparada aos trabalhos relacionados, a arquitetura Hy-SVM apresenta o menor consumo energético on-chip. O gerenciamento da vazão da comunicação com a memória externa é capaz de reduzir as variações de largura de banda em 37%-83%, quando comparado à ordem tradicional de processamento, para cenários de teste com 4 e 16 Tiles sendo processados em paralelo pelo codificador HEVC. O gerenciamento de dados pôde, de forma significativa, estender o tempo de vida das células de memória STT-RAM, alcançando 0,83 de tempo de vida normalizado (métrica adotada para comparação, ficando muito próximo do caso ideal). Além disso, as sobrecargas causadas pela implementação das unidades de gerenciamento não afetam de foram significativa a performance e a eficiência energética da arquitetura Hy- SVM propostas por este trabalho. / This Thesis presents the design of an energy-efficient hybrid scratchpad video memory architecture (called Hy-SVM) for parallel High-Efficiency Video Coding. Video coding stands out as a high complex part in the video processing applications. HEVC standard brought innovations that increase the memory requirements, mainly due to: (a) the novel coding structures, which aggravates the computational complexity by providing a wider range of possibilities to be analyzed; and (b) the high-level parallelism features provided by the Tiles partitioning, which provides performance acceleration, but, at the same time, strongly adds hard challenges to the memory infrastructure. The main bottleneck in terms of external memory transmission and on-chip storage is the reference frames data: which consists of already coded (and reconstructed) entire frames that must be stored and intensively accessed during the encoding process of future frames. Due to the large volume of data required to represent the reference frames, they are typically stored in the external memory (especially when highdefinition videos are targeted). The proposed Hy-SVM architecture is inserted in a video coding system, which is based on multiple Tiles partitioning to enable parallel HEVC encoding: each Tile is assigned to a specific processing unit. The key ideas of Hy-SVM include: applicationspecific design and management; combined multiple levels of private and shared memories that jointly exploit intra-Tile and inter-Tiles data reuse; scratchpad memories (SPMs) as energyefficient on-chip data storage; combined SRAM and STT-RAM hybrid memory (HyM) design We propose a design methodology for Hy-SVM that leverages application-specific properties to properly define the HyMs parameters. In order to provide run-time adaptation (for both offand on-chip parts), Hy-SVM integrates a memory management layer composed of: (1) overlap prediction, which has the goal of identifying the redundant memory access behavior by analyzing monitored past frames encoding to increase inter-Tiles data reuse exploitation; (2) memory pressure management, which aims on balancing the Tiles-accumulated memory pressure targeting on improving external memory communication channel usage; and (3) lifetime-aware data management scheme that alleviates STT-RAM SPMs of high bit-toggling write accesses to increase the their cells lifetime, as well as to reduce overhead issues related to poor write characteristics of STT-RAM. Application-specific knowledge was exploited by inheriting HEVC properties and performing run-time monitoring of memory accesses. Such information is used to properly design the on-chip video memories, as well as being utilized as input parameters of the run-time memory management layer. Based on the run-time decisions from the proposed Hy-SVM management strategies, Hy-SVM integrates distributed memory access management units (MAMUs) to control the access dynamics of private and shared SPMs. Additionally, adaptive power management units (APMUs) are able to strongly reduce on-chip energy consumption due to an accurate overlap prediction The experimental results demonstrate Hy-SVM overall energy savings over related works under various HEVC encoding scenarios. Compared to traditional data reuse schemes, like Level-C, the combined intra-Tile and inter-Tiles data reuse provides 69%-79% of energy reduction. Regarding related HEVC video memory architectures, the savings varied from 2.8% (worst case) to 67% (best case). From the external memory perspective, Hy-SVM can improve data reuse (by also exploiting inter-Tiles data redundancy), resulting on 11%-71%% of reduced off-chip energy consumption. Additionally, our APMUs contribute by reducing on-chip energy consumption of Hy-SVM by 56%-95%, for the evaluated HEVC scenarios. Thus, compared to related works, Hy-SVM presents the lowest on-chip energy consumption. The memory pressure management scheme can reduce the variations in the memory bandwidth by 37%-83% when compared to the traditional raster scan processing for 4- and 16-core parallelized HEVC encoder. The lifetime-aware data management significantly extends the STT-RAM lifetime, achieving 0.83 of normalized lifetime (near to the optimal case). Moreover, the overhead of implementing our management units insignificantly affects the performance and energyefficiency of Hy-SVM.

Esta tese de doutorado apresenta o projeto de uma arquitetura de memória híbrida energeticamente eficiente baseada em memórias do tipo scratchpad (Hy-SVM) para a codificação paralela de vídeos segundo o padrão HEVC. A codificação de vídeo se destaca como uma parte extremamente complexa nas aplicações de processamento de vídeo. O padrão HEVC traz inovações que complicam fortemente os requerimentos de memória de tais aplicações, principalmente devido a: (a) novas estruturas de codificação, as quais agravam a complexidade computacional por proporcionarem muitas modos possíveis de codificação que devem ser analisados; além do (b) suporte de alto nível à paralelização da codificação por meio do particionamento das unidades de codificação em múltiplos Tiles, o qual provê a aceleração da performance dos codificadores, porém, ao mesmo tempo, adiciona grandes desafios à infraestrutura de memória. O principal gargalo em termos de comunicação com a memória externa e de armazenamento interno (dentro do chip do codificador) é dados pelas informações dos quadros de referência: que consiste em uma série de quadros completos já codificados (e reconstruídos) que devem ser mantidos em memória e acessados de forma intensa durante o processamento dos quadros futuros. Devido ao grande volume de dados que são necessários para representar os quadros de referência, estes são tipicamente armazenados na memória externa dos codificadores (principalmente quando vídeos de alta e ultra alta resolução são processados) A arquitetura proposta Hy-SVM está inserida em um sistema de codificação baseado no particionamento dos quadros do vídeo de entrada em múltiplos Tiles, de forma a habilitar a codificação paralela das informações segundo o padrão HEVC: neste cenário, cada Tile é assinalado para uma específica unidade de processamento do codificador HEVC, o qual executa o processamento dos diferentes Tiles em paralelo. A ideias chave da arquitetura Hy- SVM incluem: projeto e gerenciamento de memórias para a aplicação específica de codificação de vídeo; uso de múltiplos níveis de memórias privadas e compartilhadas, com o objetivo de explorar o reuso de dados intra-Tile e inter-Tiles de forma combinada; uso de memórias do tipo scratchpad (SPMs) para o armazenamento interno da informações de forma eficiente em termos de consumo de energia; projeto de memórias híbridas utilizando as tecnologias SRAM e STTRAM como base. Uma metodologia de projeto é proposta para a arquitetura Hy-SVM, a qual aproveita propriedades específicas da aplicação para, de forma adequada, definir os parâmetros de projeto das memórias híbridas. De forma a prover adaptação em tempo de execução (para ambas as memórias on-chip e off-chip), a arquitetura Hy-SVM integra uma camada de gerenciamento composta pelas seguintes estratégias (1) predição do overlap (sobreposição de acessos), o qual busca identificar o comportamento dos acessos redundantes entre diferentes unidades de processamento do codificador HEVC a partir da análise dos acessos à memória das codificações dos quadros passados do vídeo, com o objetivo de aumentar o potencial de exploração do reuso de dados inter-Tiles; (2) gerenciamento dos acessos à memória externa, responsável por balancear a vazão de dados com a memória acumulada entre as múltiplas unidades de processamento do codificador HEVC paralelo, com o objetivo de melhorar o uso do barramento de comunicação com a memória externa; e (3) gerenciamento de dados das SPMs implementadas a partir de células de memória STT-RAM, o qual alivia estas células de acessos de escrita com alta atividade de chaveamento dos bits armazenados, com o objetivo de aumentar o tempo de vide destas células, bem como reduzir as penalidades relativas à ineficiência dos acessos de escrita nas memórias STT-RAM. O conhecimento específico da aplicação foi utilizado nas estratégias de gerenciamento em tempo de execução das seguintes formas: explorando parâmetros da codificação HEVC e realizando monitorando em tempo real dos acessos à memória realizados pelo codificador Estas informações são utilizadas tanto pelas técnicas de gerenciamento, quanto pelas metodologias de projeto das memórias. Baseadas nas decisões tomadas pela camada de gerenciamento, a arquitetura Hy-SVM integra unidades de gerenciamento de acessos à memória (memory access management units – MAMUs) para controlar as dinâmicas de acesso das memórias SPM privadas e compartilhadas. Além disso, unidades adaptativas de gerenciamento de potência (adaptive power management units – APMUs) são capazes de reduzir o consumo de energia interno do chip do codificador a partir das estimativas precisas de formação dos overlaps. Os resultados obtidos por meio dos experimentos realizados demonstram economias de consumo energético da arquitetura Hy-SVM, quando comparada a trabalhos relacionados, sob diversos cenários de teste. Quando comparada a estratégias de reuso de dados tradicionais para codificadores de vídeo, como o esquema Level-C, a exploração do reuso de dados combinado nos níveis intra-Tile e inter-Tiles provê 69%-79% de redução de energia. Considerando as arquiteturas de memória de vídeo com foco no padrão HEVC, os ganhos variaram desde 2,8% (pior caso) até 67% (melhor caso) Da perspectiva do consumo de energia relacionado à comunicação com a memória externa, a arquitetura Hy-SVM é capaz de melhorar o reuso de dados (por explorar também o reuso de dados inter-Tiles), resultando em um consumo de energia on-chip 11%-17% menor. Além disso, as APMUs contribuem para reduzir o consumo de energia on-chip da arquitetura Hy-SVM em 56%-95%, para os cenários de teste analisados. Desta forma, comparada aos trabalhos relacionados, a arquitetura Hy-SVM apresenta o menor consumo energético on-chip. O gerenciamento da vazão da comunicação com a memória externa é capaz de reduzir as variações de largura de banda em 37%-83%, quando comparado à ordem tradicional de processamento, para cenários de teste com 4 e 16 Tiles sendo processados em paralelo pelo codificador HEVC. O gerenciamento de dados pôde, de forma significativa, estender o tempo de vida das células de memória STT-RAM, alcançando 0,83 de tempo de vida normalizado (métrica adotada para comparação, ficando muito próximo do caso ideal). Além disso, as sobrecargas causadas pela implementação das unidades de gerenciamento não afetam de foram significativa a performance e a eficiência energética da arquitetura Hy- SVM propostas por este trabalho. / This Thesis presents the design of an energy-efficient hybrid scratchpad video memory architecture (called Hy-SVM) for parallel High-Efficiency Video Coding. Video coding stands out as a high complex part in the video processing applications. HEVC standard brought innovations that increase the memory requirements, mainly due to: (a) the novel coding structures, which aggravates the computational complexity by providing a wider range of possibilities to be analyzed; and (b) the high-level parallelism features provided by the Tiles partitioning, which provides performance acceleration, but, at the same time, strongly adds hard challenges to the memory infrastructure. The main bottleneck in terms of external memory transmission and on-chip storage is the reference frames data: which consists of already coded (and reconstructed) entire frames that must be stored and intensively accessed during the encoding process of future frames. Due to the large volume of data required to represent the reference frames, they are typically stored in the external memory (especially when highdefinition videos are targeted). The proposed Hy-SVM architecture is inserted in a video coding system, which is based on multiple Tiles partitioning to enable parallel HEVC encoding: each Tile is assigned to a specific processing unit. The key ideas of Hy-SVM include: applicationspecific design and management; combined multiple levels of private and shared memories that jointly exploit intra-Tile and inter-Tiles data reuse; scratchpad memories (SPMs) as energyefficient on-chip data storage; combined SRAM and STT-RAM hybrid memory (HyM) design We propose a design methodology for Hy-SVM that leverages application-specific properties to properly define the HyMs parameters. In order to provide run-time adaptation (for both offand on-chip parts), Hy-SVM integrates a memory management layer composed of: (1) overlap prediction, which has the goal of identifying the redundant memory access behavior by analyzing monitored past frames encoding to increase inter-Tiles data reuse exploitation; (2) memory pressure management, which aims on balancing the Tiles-accumulated memory pressure targeting on improving external memory communication channel usage; and (3) lifetime-aware data management scheme that alleviates STT-RAM SPMs of high bit-toggling write accesses to increase the their cells lifetime, as well as to reduce overhead issues related to poor write characteristics of STT-RAM. Application-specific knowledge was exploited by inheriting HEVC properties and performing run-time monitoring of memory accesses. Such information is used to properly design the on-chip video memories, as well as being utilized as input parameters of the run-time memory management layer. Based on the run-time decisions from the proposed Hy-SVM management strategies, Hy-SVM integrates distributed memory access management units (MAMUs) to control the access dynamics of private and shared SPMs. Additionally, adaptive power management units (APMUs) are able to strongly reduce on-chip energy consumption due to an accurate overlap prediction The experimental results demonstrate Hy-SVM overall energy savings over related works under various HEVC encoding scenarios. Compared to traditional data reuse schemes, like Level-C, the combined intra-Tile and inter-Tiles data reuse provides 69%-79% of energy reduction. Regarding related HEVC video memory architectures, the savings varied from 2.8% (worst case) to 67% (best case). From the external memory perspective, Hy-SVM can improve data reuse (by also exploiting inter-Tiles data redundancy), resulting on 11%-71%% of reduced off-chip energy consumption. Additionally, our APMUs contribute by reducing on-chip energy consumption of Hy-SVM by 56%-95%, for the evaluated HEVC scenarios. Thus, compared to related works, Hy-SVM presents the lowest on-chip energy consumption. The memory pressure management scheme can reduce the variations in the memory bandwidth by 37%-83% when compared to the traditional raster scan processing for 4- and 16-core parallelized HEVC encoder. The lifetime-aware data management significantly extends the STT-RAM lifetime, achieving 0.83 of normalized lifetime (near to the optimal case). Moreover, the overhead of implementing our management units insignificantly affects the performance and energyefficiency of Hy-SVM.

Today’s feature-rich multimedia products require embedded system solution with complex System-on-Chip (SoC) to meet market expectations of high performance at low cost and lower energy consumption. SoCs are complex designs with multiple embedded processors, memory subsystems, and application specific peripherals. The memory architecture of embedded SoCs strongly influences the area, power and performance of the entire system. Further, the memory subsystem constitutes a major part (typically up to 70%) of the silicon area for the current day SoC. The on-chip memory organization of embedded processors varies widely from one SoC to another, depending on the application and market segment for which the SoC is deployed. There is a wide variety of choices available for the embedded designers, starting from simple on-chip SPRAM based architecture to more complex cache-SPRAM based hybrid architecture. The performance of a memory architecture also depends on how the data variables of the application are placed in the memory. There are multiple data layouts for each memory architecture that are efficient from a power and performance viewpoint. Further, the designer would be interested in multiple optimal design points to address various market segments. Hence a memory architecture exploration for an embedded system involves evaluating a large design space in the order of 100,000 of design points and each design points having several tens of thousands of data layouts. Due to its large impact on system performance parameters, the memory architecture is often hand-crafted by experienced designers exploring a very small subset of this design space. The vast memory design space prohibits any possibility for a manual analysis. In this work, we propose an automated framework for on-chip memory architecture exploration. Our proposed framework integrates memory architecture exploration and data layout to search the design space efficiently. While the memory exploration selects specific memory architectures, the data layout efficiently maps the given application on to the memory architecture under consideration and thus helps in evaluating the memory architecture. The proposed memory exploration framework works at both logical and physical memory architecture level. Our work addresses on-chip memory architecture for DSP processors that is organized as multiple memory banks, with each back can be a single/dual port banks and with non-uniform bank sizes. Further, our work also address memory architecture exploration for on-chip memory architectures that is SPRAM and cache based. Our proposed method is based on multi-objective Genetic Algorithm based and outputs several hundred Pareto-optimal design solutions that are interesting from a area, power and performance viewpoints within a few hours of running on a standard desktop configuration.

The energy consumption to make the off-chip memory writing and readings are aknown problem. In the image processing field structure from motion simpler compressiontechniques could be used to save energy. A balance between the detected features suchas corners, edges, etc., and the degree of compression becomes a big issue to investigate.In this thesis a deeper study of this balance are performed. A number of more advancedcompression algorithms for processing of still images such as JPEG is used for comparisonwith a selected number of simpler compression algorithms. The simpler algorithms canbe divided into two categories: individual block-wise compression of each image andcompression with respect to all pixels in each image. In this study the image sequences arein grayscale and provided from an earlier study about rolling shutters. Synthetic data setsfrom a further study about optical flow is also included to see how reliable the other datasets are. / Energikonsumtionen för att skriva och läsa till off-chip minne är ett känt problem. Inombildbehandlingsområdet struktur från rörelse kan enklare kompressionstekniker användasför att spara energi. En avvägning mellan detekterade features såsom hörn, kanter, etc.och grad av kompression blir då en fråga att utreda. I detta examensarbete har en djuparestudie av denna avvägning utförts. Ett antal mer avancerade kompressionsalgoritmer förbearbetning av stillbilder som tex. JPEG används för jämförelse med ett antal utvaldaenklare kompressionsalgoritmer. De enklare algoritmerna kan delas in i två kategorier:individuell blockvis kompression av vardera bilden och kompression med hänsyn tillsamtliga pixlar i vardera bilden. I studien är bildsekvenserna i gråskala och tillhandahållnafrån en tidigare studie om rullande slutare. Syntetiska data set från ytterligare en studie om’optical flow’ ingår även för att se hur pass tillförlitliga de andra dataseten är.