Energy consumption has become one of the main design constraints in today’s integrated circuits. Techniques for energy optimization, from circuit-level up to system-level, have been intensively researched. The advent of large-scale integration with deep sub-micron technologies has led to both high power densities and high chip working temperatures. At the same time, leakage power is becoming the dominant power consumption source of circuits, due to continuously lowered threshold voltages, as technology scales. In this context, temperature is an important parameter. One aspect, of particular interest for this thesis, is the strong inter-dependency between leakage and temperature. Apart  from leakage power, temperature also has an important impact on circuit delay and, implicitly, on the frequency, mainly through its influence on carrier mobility and threshold voltage. For power-aware design techniques, temperature has become a major factor to be considered. In this thesis, we address the issue of system-level energy optimization for real-time embedded systems taking temperature aspects into consideration. We have investigated two problems in this thesis: (1) Energy optimization via temperature-aware dynamic voltage/frequency scaling (DVFS). (2) Energy optimization through temperature-aware idle time (or slack) distribution (ITD). For the above two problems, we have proposed off-line techniques where only static slack is considered. To further improve energy efficiency, we have also proposed online techniques, which make use of both static and dynamic slack. Experimental results have demonstrated that considerable improvement of the energy efficiency can be achieved by applying our temperature-aware optimization techniques. Another contribution of this thesis is an analytical temperature analysis approach which is both accurate and sufficiently fast to be used inside an energy optimization loop.

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In this thesis, we study temperature-constrained multiprocessor real-time systems, where real-time guarantees must be met without exceeding safe temperature levels within the processors. We focus on Pfair scheduling algorithms, especially ERfair scheduling scheme (a work-conserving extension to Pfair scheduling) as our main multiprocessor real-time scheduling methodology. Then, we study the benefits of simple reactive speed scaling as described in the real-time multiprocessor systems. In this thesis, in support of the temperature-awareness, we extend the applicability of the reactive speed scaling to global scheduling schemes for multiprocessors. We propose temperature-aware scheduling and processor selection schemes motivated by existing (thermally non-optimal) ERfair scheduling in order to reduce thermal stress and therefore increase the processor utilization. Then, we show that the proposed algorithm and reactive scheme can enhance the processor utilization compared with any constant speed scheme on real-time multiprocessor systems. Additionally, we show how the maximum schedulable utilization (MSU) for partitioning heuristics can be determined on the temperature-constrained multiprocessor real-time systems.

Esta tese apresenta soluções para o gerenciamento e otimização de temperatura para sistemas de codificação de vídeo baseados nas características da aplicação e no conteúdo dos vídeos digitais. Diferente dos trabalhos estado-da-arte, as soluções propostas nesta tese focam em técnicas de gerenciamento de temperatura no nível da aplicação e características da aplicação codificação de vídeo e as propriedades dos vídeos digitais são explorados para desenvolver soluções termais para a codificação de vídeo com baixas perdas na qualidade de serviço das aplicações. Diversas análises são realizadas considerando a aplicação de codificação de vídeo para entender o comportamento da temperatura durante o processo de codificação para diferentes sequências de vídeo. Com base nos resultados das análises, soluções com diferentes abordagens são propostas para atenuar os efeitos da temperatura nos sistemas de codificação de vídeo. Gerenciamento de temperatura baseado nas características da aplicação para o padrão de codificação HEVC usa uma técnica de seleção de configuração em tempo de execução para manter a temperatura abaixo dos limites seguros de operação com bons resultados de qualidade de vídeo. Otimização de temperatura baseado em computação imprecisa usa aproximações baseadas em conteúdo para reduzir a temperatura de chips executando o HEVC. Um escalonador de tarefas que usa características da aplicação para guiar o escalonamento de threads focando na redução dos gradientes espaciais de temperatura que são resultantes do desbalanceamento natural de cargas entre as threads da aplicação. As soluções propostas são capazes de reduzir em até 10 ºC a temperatura do chip com perdas insignificantes na eficiência de compressão. Os resultados de qualidade objetiva (medida usando PSNR) são de 12 dBs até 20 dBs maiores quando comparados com trabalhos da literatura. Além disso, o escalonador de tarefas proposto é capaz de eliminar os gradientes espaciais de temperatura maiores que 5 ºC para arquitetura multi-cores. Como principal conclusão, esta tese demonstra que as técnicas de gerenciamento de temperatura que usam o conhecimento da aplicação de maneira conjunta com as propriedades dos vídeos digitais tem um alto potencial para melhorar os resultados de temperatura de sistemas de codificação de vídeo mantendo bons resultados de qualidade visual dos vídeos codificados. / This thesis presents application-driven temperature-aware solutions for next generation video coding systems, such as the High Efficiency Video Coding (HEVC). Different from state-of-the-art works, the proposed solutions raise the abstraction of temperature management to the application-level, where video coding characteristics and video content properties are used to leverage thermal-aware solutions for video coding with low QoS (Quality of Service) degradation. Several video coding and temperature analyses are performed to understand the behavior of temperature when encoding different video sequences. Based on the analyses results, different approaches are proposed to mitigate the temperature effects on video coding systems. Application-driven temperature management for HEVC uses run-time encoder configuration selection to keep temperature under safe operational state while providing good visual quality results. Temperature optimization using approximate computing uses content-driven approximations to reduce the on-chip temperature of HEVC encoding. Application-driven temperature-aware scheduler leverages application-specific knowledge to guide a scheduling technique targeting reducing the spatial temperature gradients that are resulted from the unbalance workload nature of multi-threaded video coding application. The proposed solutions are able to provide up to 10 °C of chip temperature reduction with negligible compression efficiency loss. Besides, when compared with previous works the resulted objective video quality (PSNR) is from 12 dB up to 20 dB higher. Moreover, the proposed scheduler eliminates spatial temperature gradients greater than 5 ºC of multi-core architectures. As conclusion, this thesis demonstrates that leveraging application-specific knowledge and video content properties has a significant potential to improve temperature profiles of video coding systems while still keeping good quality results.

Esta tese apresenta soluções para o gerenciamento e otimização de temperatura para sistemas de codificação de vídeo baseados nas características da aplicação e no conteúdo dos vídeos digitais. Diferente dos trabalhos estado-da-arte, as soluções propostas nesta tese focam em técnicas de gerenciamento de temperatura no nível da aplicação e características da aplicação codificação de vídeo e as propriedades dos vídeos digitais são explorados para desenvolver soluções termais para a codificação de vídeo com baixas perdas na qualidade de serviço das aplicações. Diversas análises são realizadas considerando a aplicação de codificação de vídeo para entender o comportamento da temperatura durante o processo de codificação para diferentes sequências de vídeo. Com base nos resultados das análises, soluções com diferentes abordagens são propostas para atenuar os efeitos da temperatura nos sistemas de codificação de vídeo. Gerenciamento de temperatura baseado nas características da aplicação para o padrão de codificação HEVC usa uma técnica de seleção de configuração em tempo de execução para manter a temperatura abaixo dos limites seguros de operação com bons resultados de qualidade de vídeo. Otimização de temperatura baseado em computação imprecisa usa aproximações baseadas em conteúdo para reduzir a temperatura de chips executando o HEVC. Um escalonador de tarefas que usa características da aplicação para guiar o escalonamento de threads focando na redução dos gradientes espaciais de temperatura que são resultantes do desbalanceamento natural de cargas entre as threads da aplicação. As soluções propostas são capazes de reduzir em até 10 ºC a temperatura do chip com perdas insignificantes na eficiência de compressão. Os resultados de qualidade objetiva (medida usando PSNR) são de 12 dBs até 20 dBs maiores quando comparados com trabalhos da literatura. Além disso, o escalonador de tarefas proposto é capaz de eliminar os gradientes espaciais de temperatura maiores que 5 ºC para arquitetura multi-cores. Como principal conclusão, esta tese demonstra que as técnicas de gerenciamento de temperatura que usam o conhecimento da aplicação de maneira conjunta com as propriedades dos vídeos digitais tem um alto potencial para melhorar os resultados de temperatura de sistemas de codificação de vídeo mantendo bons resultados de qualidade visual dos vídeos codificados. / This thesis presents application-driven temperature-aware solutions for next generation video coding systems, such as the High Efficiency Video Coding (HEVC). Different from state-of-the-art works, the proposed solutions raise the abstraction of temperature management to the application-level, where video coding characteristics and video content properties are used to leverage thermal-aware solutions for video coding with low QoS (Quality of Service) degradation. Several video coding and temperature analyses are performed to understand the behavior of temperature when encoding different video sequences. Based on the analyses results, different approaches are proposed to mitigate the temperature effects on video coding systems. Application-driven temperature management for HEVC uses run-time encoder configuration selection to keep temperature under safe operational state while providing good visual quality results. Temperature optimization using approximate computing uses content-driven approximations to reduce the on-chip temperature of HEVC encoding. Application-driven temperature-aware scheduler leverages application-specific knowledge to guide a scheduling technique targeting reducing the spatial temperature gradients that are resulted from the unbalance workload nature of multi-threaded video coding application. The proposed solutions are able to provide up to 10 °C of chip temperature reduction with negligible compression efficiency loss. Besides, when compared with previous works the resulted objective video quality (PSNR) is from 12 dB up to 20 dB higher. Moreover, the proposed scheduler eliminates spatial temperature gradients greater than 5 ºC of multi-core architectures. As conclusion, this thesis demonstrates that leveraging application-specific knowledge and video content properties has a significant potential to improve temperature profiles of video coding systems while still keeping good quality results.

Esta tese apresenta soluções para o gerenciamento e otimização de temperatura para sistemas de codificação de vídeo baseados nas características da aplicação e no conteúdo dos vídeos digitais. Diferente dos trabalhos estado-da-arte, as soluções propostas nesta tese focam em técnicas de gerenciamento de temperatura no nível da aplicação e características da aplicação codificação de vídeo e as propriedades dos vídeos digitais são explorados para desenvolver soluções termais para a codificação de vídeo com baixas perdas na qualidade de serviço das aplicações. Diversas análises são realizadas considerando a aplicação de codificação de vídeo para entender o comportamento da temperatura durante o processo de codificação para diferentes sequências de vídeo. Com base nos resultados das análises, soluções com diferentes abordagens são propostas para atenuar os efeitos da temperatura nos sistemas de codificação de vídeo. Gerenciamento de temperatura baseado nas características da aplicação para o padrão de codificação HEVC usa uma técnica de seleção de configuração em tempo de execução para manter a temperatura abaixo dos limites seguros de operação com bons resultados de qualidade de vídeo. Otimização de temperatura baseado em computação imprecisa usa aproximações baseadas em conteúdo para reduzir a temperatura de chips executando o HEVC. Um escalonador de tarefas que usa características da aplicação para guiar o escalonamento de threads focando na redução dos gradientes espaciais de temperatura que são resultantes do desbalanceamento natural de cargas entre as threads da aplicação. As soluções propostas são capazes de reduzir em até 10 ºC a temperatura do chip com perdas insignificantes na eficiência de compressão. Os resultados de qualidade objetiva (medida usando PSNR) são de 12 dBs até 20 dBs maiores quando comparados com trabalhos da literatura. Além disso, o escalonador de tarefas proposto é capaz de eliminar os gradientes espaciais de temperatura maiores que 5 ºC para arquitetura multi-cores. Como principal conclusão, esta tese demonstra que as técnicas de gerenciamento de temperatura que usam o conhecimento da aplicação de maneira conjunta com as propriedades dos vídeos digitais tem um alto potencial para melhorar os resultados de temperatura de sistemas de codificação de vídeo mantendo bons resultados de qualidade visual dos vídeos codificados. / This thesis presents application-driven temperature-aware solutions for next generation video coding systems, such as the High Efficiency Video Coding (HEVC). Different from state-of-the-art works, the proposed solutions raise the abstraction of temperature management to the application-level, where video coding characteristics and video content properties are used to leverage thermal-aware solutions for video coding with low QoS (Quality of Service) degradation. Several video coding and temperature analyses are performed to understand the behavior of temperature when encoding different video sequences. Based on the analyses results, different approaches are proposed to mitigate the temperature effects on video coding systems. Application-driven temperature management for HEVC uses run-time encoder configuration selection to keep temperature under safe operational state while providing good visual quality results. Temperature optimization using approximate computing uses content-driven approximations to reduce the on-chip temperature of HEVC encoding. Application-driven temperature-aware scheduler leverages application-specific knowledge to guide a scheduling technique targeting reducing the spatial temperature gradients that are resulted from the unbalance workload nature of multi-threaded video coding application. The proposed solutions are able to provide up to 10 °C of chip temperature reduction with negligible compression efficiency loss. Besides, when compared with previous works the resulted objective video quality (PSNR) is from 12 dB up to 20 dB higher. Moreover, the proposed scheduler eliminates spatial temperature gradients greater than 5 ºC of multi-core architectures. As conclusion, this thesis demonstrates that leveraging application-specific knowledge and video content properties has a significant potential to improve temperature profiles of video coding systems while still keeping good quality results.

L'augmentation de la densité des transistors dans les circuits électroniques conduit à une augmentation de la consommation d'énergie induisant des phénomènes thermiques plus complexes à maitriser. Dans le cas de systèmes embarqués en environnement où la température ambiante varie dans des proportions importantes (automobile par exemple), ces phénomènes peuvent conduire à des problèmes de fiabilité. Parmi les mécanismes de défaillance observés, on peut citer les cycles thermiques (CT) qui induisent des déformations dans les couches métalliques de la puce pouvant conduire à des fissurations. L’objectif de la thèse est de proposer pour des architectures de type multiprocesseur sur puce une technique de réduction des CT subis par les processeurs, et ce en respectant les contraintes temps réel des applications. L’exemple du circuit MPC5517 de Freescale a été considéré. Dans un premier temps un modèle thermique de ce circuit a été élaboré à partir de mesures par une caméra thermique sur ce circuit décapsulé. Un environnement de simulation a été mis en oeuvre pour permettre d’effectuer simultanément des analyses thermiques et d’ordonnancement de tâches et mettre en évidence l’influence de la température sur la puissance dissipée. Une heuristique globale pour réduire à la fois les CT et la température maximale des processeurs a été étudiée. Elle tient compte des variations de la température ambiante et se base sur les techniques DVFS et DPM. Les résultats de simulation avec les algorithmes d’ordonnancement globaux RM, EDF et EDZL et avec différentes charges processeur (sur un circuit type MPC5517 et un UltraSparc T1) illustrent l’efficacité de la technique proposée. / Increasing the density of transistors in electronic circuits leads to an increase in energy consumption resulting in more complex thermal phenomena to master. For systems embedded in environments where the ambient temperature can vary in large range (e.g. automotive), these thermal effects can induce reliability problems. Among classical failure mechanisms thermal cycles (CTs) produce deformations in materials and play a major role in the cracking of the metal layers in the chip. The aim of the thesis is to propose a reduction technique of CTs suffered by the processor cores in a multiprocessor on chip architecture such that real-time application constraints are met. The example of the Freescale MPC5517 circuit has been considered. In a first step a thermal model of this circuit was developed. This was achieved from measurements taken by a thermal camera on a decapsulated circuit. Next, a simulation environment has been implemented allowing both the analysis of thermal behavior and the scheduling of tasks so as to highlight the influence of temperature on the dissipated power. A global heuristic to reduce both the CTs and the maximum temperature of processors has been studied. It takes into account variations in the ambient temperature and is based on DVFS and DPM techniques. Simulation results with global scheduling algorithms RM, EDF and EDZL and different processor loads (for a MPC5517 type circuit and a T1 UltraSparc from Sun Microsystems) illustrate the effectiveness of the proposed technique.