Es wird ein Ansatz zur zeitbeschränkten Ablaufplanung für VLIW-Prozessoren mit neuronalen Netzen vorgestellt. Bestehende Arbeiten werden dahingehend erweitert, dass der Datenpfad des Prozessors über heterogene funktionale Einheiten verfügen und geclustert sein darf. Es werden zwei Varianten zur Lösung des Problems angegeben, deren Qualität mit einem heuristischen Ansatz verglichen wird und Schlussfolgerungen bezüglich der Nutzbarkeit neuronaler Netze gezogen.

Les processeurs intégrés dans des domaines critiques exigent une combinaison de fiabilité, de performances et de faible consommation d'énergie. Very Large Instruction Word (VLIW) processeurs améliorent les performances grâce à l'exploitation ILP (Instruction Level Parallelism), tout en maintenant les coûts et la puissance à un niveau bas. L’ILP étant fortement dépendant de l'application, le processeur n'utilise pas toutes ses ressources en permanence et ces ressources peuvent donc être utilisées pour l'exécution d'instructions redondantes. Cette thèse présente une méthodologie d’injection fautes pour processeurs VLIW et trois mécanismes matériels pour traiter les pannes légères, permanentes et à long terme menant à trois contributions.La première contribution présente un schéma d’analyse du facteur de vulnérabilité architecturale et du facteur de vulnérabilité d’instruction pour les processeurs VLIW. Une méthodologie d’injection de fautes au niveau de différentes structures de mémoire est proposée pour extraire les capacités de masquage architecture / instruction du processeur. Un schéma de classification des défaillances de haut niveau est présenté pour catégoriser la sortie du processeur. La deuxième contribution explore les ressources inactives hétérogènes au moment de l'exécution, à l'intérieur et à travers des ensembles d'instructions consécutifs. Pour ce faire, une technique d’ordonnancement des instructions optimisée pour le matériel est appliquée en parallèle avec le pipeline afin de contrôler efficacement la réplication et l’ordonnancement des instructions. Suivant les tendances à la parallélisation croissante, une conception basée sur les clusters est également proposée pour résoudre les problèmes d’évolutivité, tout en maintenant une pénalité surface/énergie raisonnable. La technique proposée accélère la performance de 43,68% avec une surcoût en surface et en énergie de ~10% par rapport aux approches existantes. Les analyses AVF et IVF évaluent la vulnérabilité du processeur avec le mécanisme proposé.La troisième contribution traite des défauts persistants. Un mécanisme matériel est proposé, qui réplique au moment de l'exécution les instructions et les planifie aux emplacements inactifs en tenant compte des contraintes de ressources. Si une ressource devient défaillante, l'approche proposée permet de relier efficacement les instructions d'origine et les instructions répliquées pendant l'exécution. Les premiers résultats de performance d’évaluation montrent un gain de performance jusqu’à 49% sur les techniques existantes.Afin de réduire davantage le surcoût lié aux performances et de prendre en charge l’atténuation des erreurs uniques et multiples sur les transitoires de longue durée (LDT), une quatrième contribution est présentée. Nous proposons un mécanisme matériel qui détecte les défauts toujours actifs pendant l'exécution et réorganise les instructions pour utiliser non seulement les unités fonctionnelles saines, mais également les composants sans défaillance des unités fonctionnelles concernées. Lorsque le défaut disparaît, les composants de l'unité fonctionnelle concernés peuvent être réutilisés. La fenêtre de planification du mécanisme proposé comprend deux ensembles d'instructions pouvant explorer des solutions d'atténuation lors de l'exécution de l'instruction en cours et de l'instruction suivante. Les résultats obtenus sur l'injection de fautes montrent que l'approche proposée peut atténuer un grand nombre de fautes avec des performances, une surface et une surcharge de puissance faibles. / Embedded processors in critical domains require a combination of reliability, performance and low energy consumption. Very Long Instruction Word (VLIW) processors provide performance improvements through Instruction Level Parallelism (ILP) exploitation, while keeping cost and power in low levels. Since the ILP is highly application dependent, the processor does not use all its resources constantly and, thus, these resources can be utilized for redundant instruction execution. This thesis presents a fault injection methodology for VLIW processors and three hardware mechanisms to deal with soft, permanent and long-term faults leading to three contributions. The first contribution presents an Architectural Vulnerability Factor (AVF) and Instruction Vulnerability Factor (IVF) analysis schema for VLIW processors. A fault injection methodology at different memory structures is proposed to extract the architectural/instruction masking capabilities of the processor. A high-level failure classification schema is presented to categorize the output of the processor. The second contribution explores heterogeneous idle resources at run-time both inside and across consecutive instruction bundles. To achieve this, a hardware optimized instruction scheduling technique is applied in parallel with the pipeline to efficiently control the replication and the scheduling of the instructions. Following the trends of increasing parallelization, a cluster-based design is also proposed to tackle the issues of scalability, while maintaining a reasonable area/power overhead. The proposed technique achieves a speed-up of 43.68% in performance with a ~10% area and power overhead over existing approaches. AVF and IVF analysis evaluate the vulnerability of the processor with the proposed mechanism.The third contribution deals with persistent faults. A hardware mechanism is proposed which replicates at run-time the instructions and schedules them at the idle slots considering the resource constraints. If a resource becomes faulty, the proposed approach efficiently rebinds both the original and replicated instructions during execution. Early evaluation performance results show up to 49\% performance gain over existing techniques.In order to further decrease the performance overhead and to support single and multiple Long-Duration Transient (LDT) error mitigation a fourth contribution is presented. We propose a hardware mechanism, which detects the faults that are still active during execution and re-schedules the instructions to use not only the healthy function units, but also the fault-free components of the affected function units. When the fault faints, the affected function unit components can be reused. The scheduling window of the proposed mechanism is two instruction bundles being able to explore mitigation solutions in the current and the next instruction execution. The obtained fault injection results show that the proposed approach can mitigate a large number of faults with low performance, area, and power overhead.

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Tradicinės x86 architektūros spartinimui artėjant prie galimybių ribos, kompanija Intel pradėjo kurti naują IA-64 architektūrą, paremtą EPIC – išreikštinai lygiagrečiai vykdomomis instrukcijomis vieno takto metu. Ši pagrindinė savybė leidžia vykdyti iki šešių instrukcijų per vieną taktą. Taipogi architektūra pasižymi tokiomis savybėmis, kurios leido efektyviai spręsti su kodo optimizavimu susijusias problemas tradicinėse architektūrose. Tačiau kompiliatorių optimizavimo algoritmai ilgą laiką buvo tobulinami tradicinėse architektūrose, todėl norint išnaudoti naująją architektūrą, reikia ieškoti būdų tobulinti esamus kompiliatorius. Vienas iš būdų – kompiliatoriaus vidinių parametrų atsakingų už optimizacijas reikšmių pritaikymas IA-64. Būtent toks yra šio darbo tikslas, kuriam pasiekti reikia išnagrinėti IA-64 savybes, jas vėliau eksperimentiškai taikyti realaus kodo pavyzdžiuose bei įvertinti jų įtaką kodo vykdymo spartai. Pagal gautus rezultatus nagrinėjami kompiliatoriaus vidiniai parametrai ir su specialia kompiliatorių testavimo programa randamas geriausias reikšmių rinkinys šiai architektūrai. Vėliau šis rinkinys išbandomas su taikomosiomis programomis. Gauto parametrų rinkinio reikšmės turėtų leisti generuoti efektyvesnį kodą IA-64 architektūrai. / After performance optimization of traditional architectures began to reach their limits, Intel corporation started to develop new architecture based on EPIC – Explicitly Parallel Instruction Counting. This main feature allowed up to six instructions to be executed in single CPU cycle. Also this architecture includes more features, which allowed efficient solution of traditional architectures code optimization problems. However for long time code optimization algorithms have been improved for traditional architectures only, as a result those algorithms should be adopted to new architecture. One of the ways to do that – exploration of internal compilers parameters, which are responsible for code optimizations. That is the primary target of this work and in order to reach it the features of the IA-64 architecture and impact to execution performance must be explored using real-life code examples. Tests results may be used later for internal parameters selection and further exploration of these parameters values by using special compiler performance testing benchmarks. The set of those new values could be tested with real life applications in order to prove efficiency of IA-64 architecture features.

Machine learning is rapidly being integrated into all areas of society, however, that puts a lot of pressure on resource costraint hardware such as embedded systems. The company Ericsson is gradually integrating machine learning based on neural networks, so-called deep learning, into their radio products. One promising product is their vectorized Digital Signal Processor (DSP) that are based upon the machine learning suitable Single Instruction, Multiple Data (SIMD) paradigm and Very Long Instruction Word (VLIW) architecture. However, despite the suitability of the SIMD paradigm, the embedded system needs to efficiently execute a computation-intensive deep learning algorithm with proper use of its limited resources. Therefore commonly used methods of implementing each layer of the computation-intensive Convolutional Neural Network (CNN), a type of Deep Neural Network (DNN), have been used and evaluated its implementation on the hardware and to assess the vectorized DSP’s deep learning suitability and capabilities. Despite the suitability of the hardware, the implementation utilized less than half of the available resources at all times during the execution. The main limitations were identified to be the limited 16-bit element instructions. To enhance the performance and improve the utilization of the available resources, easy-to-implement hardware instructions have been suggested. This work has made the first steps of implementing an efficiently performing CNN implementation on the examined vectorized DSP. / Integreringen av maskininlärning in i alla samhällsområden sker idag i rusande fart, men det sätter stor press på begränsad hårdvara som inbyggda system. Företaget Ericsson integrerar successivt maskininlärning baserad på neurala nätverk, så kallad djupinlärning, i sina radioprodukter. En lovande produkt är deras vektoriserade DSP som är baserade på maskininlärningspasset SIMD-paradigm och VLIW-arkitektur. Men trots lämpligheten av SIMD-paradigmet, är den största utmaningen att utnyttja de begränsade resurserna i inbyggda systemet för att effektivt exekvera en beräkningsintensiv djupinlärningsalgoritm. Därför har vanligt använda metoder för att implementera varje lager av den beräkningsintensiva CNN, en typ av DNN, använts och utvärderats på hårdvaran för att bedöma den vektoriserade DSP:s djupinlärningslämplighet samt förmågor. Trots hårdvarans lämplighet använde alla implementeringar mindre än hälften av de tillgängliga resurserna vid alla tidpunkter under exekveringen. De huvudsakliga begränsningarna identifierades vara den begränsade tillgången på 16-bitars element instruktioner. För att förbättra prestandan för ett närmare fullt utnyttjande av tillgängliga resurser har hårdvaruinstruktioner som är enkla att implementera föreslagits. Detta arbete har tagit de första stegen för att implementera ett effektivt förformande CNN på den undersökta vekotriserade DSP.