Submitted by Kleber Silva (kleberbs@ufba.br) on 2017-06-01T20:12:51Z No. of bitstreams: 1 TESE Catia Kfouri.pdf: 2112669 bytes, checksum: e502967af9c0f73e9ab91dde19276e1a (MD5) / Approved for entry into archive by Vanessa Reis (vanessa.jamile@ufba.br) on 2017-06-07T11:24:29Z (GMT) No. of bitstreams: 1 TESE Catia Kfouri.pdf: 2112669 bytes, checksum: e502967af9c0f73e9ab91dde19276e1a (MD5) / Made available in DSpace on 2017-06-07T11:24:29Z (GMT). No. of bitstreams: 1 TESE Catia Kfouri.pdf: 2112669 bytes, checksum: e502967af9c0f73e9ab91dde19276e1a (MD5) / Sistemas distribuídos modernos, sobre redes móveis ad-hoc, entre pares (P2P), grades oportunistas ou nuvens, permitem que seus participantes acessem serviços e informações independente de sua localização ou topologia da rede. Garantir tais serviços exige um projeto de sistema confiável completamente distribuído e que possa lidar com o dinamismo, falhas e falta de conhecimento global. Esta tese dedica-se ao estudo de dois problemas fortemente relacionados e que são fundamentais no desenvolvimento de sistemas distribuídos confiáveis: o problema do consenso e o problema da eleição de líder após um tempo, considerando um ambiente assíncrono, dinâmico, em que os processos entram e saem do sistema aleatoriamente, se comunicam através de uma memória compartilhada e podem falhar por parada. A maioria das propostas para esses problemas foca em sistemas estáticos onde o conjunto de participantes é conhecido e fixo, e a comunicação se dá por passagem de mensagens. Entretanto, classes importantes de sistemas como os serviços centrados em dados tolerantes a falhas e altamente disponíveis, além das máquinas com arquitetura multinúcleo, onde os processos compartilham uma única memória física, não se adequam a esse modelo. No primeiro caso, algumas aplicações relevantes são as redes de área de armazenamento (SANs); sistemas de armazenamento P2P Bizantinos; e sistemas de passagem de mensagem nos quais servidores são modelados como componentes de armazenamento. Nesta tese, é proposto um conjunto de algoritmos para o problema do consenso tolerante a falhas em sistemas assíncronos com memória compartilhada, onde o conjunto de participantes é desconhecido. Duas abordagens são exploradas. A primeira considera a abstração detector de participantes que auxilia na construção do conhecimento do sistema. A solução conta com um algoritmo de consenso genérico baseado em oráculo que, ao que se sabe, é o primeiro algoritmo de consenso para memória compartilhada que pode ser instanciado com um detector de falhas da classe ◊S, ou um detector de líder da classe Ω. A segunda apresenta um consenso genérico com outra característica inovadora: não depende do conhecimento da cardinalidade do conjunto de participantes, de modo que suporta o dinamismo do sistema. Ainda na direção de prover serviços fundamentais para ambientes dinâmicos de memória compartilhada, propõe-se um protocolo de detecção de líder após um tempo. O algoritmo é livre de tempo, no sentido de que não usa temporizadores para garantir a convergência. Ao invés disso, baseia-se num padrão de acesso à memória compartilhada. Ao que se sabe, é o primeiro algoritmo a implementar um serviço de líder ? para memória compartilhada livre de tempo. Na prática, um consenso genérico e modular é um arcabouço que permite construir sistemas dinâmicos de camadas superiores independentes do detector de falhas que está disponível. Nesse caso, a implementação do consenso pode ser melhor adaptada às características particulares de cada ambiente; principalmente quando a implementação do detector serve a muitas aplicações. Desse modo, as aplicações existentes, que já estão rodando sobre os detectores ◊S ou Ω, podem ser portadas mais facilmente.

En la presente Tesis se proponen soluciones para aliviar el alto coste, en rendimiento y consumo, de las comunicaciones intra-chip a través de los alambres globales. En concreto, se propone utilizar redes heterogéneas que permiten una mejor adaptación a las necesidades de los diferentes tipos de mensajes de coherencia.Nuestra primera propuesta consiste en dividir las respuestas con datos en un mensaje corto crítico, enviado usando enlaces de baja latencia, y un mensaje largo no crítico enviado usando enlaces de bajo consumo. La segunda propuesta utiliza la compresión de direcciones en el contexto de una red de interconexión heterogénea que permite la compresión de mayoría de los mensajes críticos en unos pocos bytes, siendo transmitidos usando enlaces de muy baja latencia. Finalmente, se explora el uso de la prebúsqueda por hardware para aliviar los problemas derivados de las altas latencias de los enlaces globales. / In this thesis we propose different ways to alleviate the high cost, in terms of performance and power consumption, of the intra-chipcommunications using global wires. In particular, we considerheterogeneous networks to obtain a better match between thenetwork-on-chip and the needs of the different types of coherencemessages.Our first contribution proposes the partitioning of reply messages with data into a short critical message, which is sent using low-latency links, as well as a long non-critical message sent using low-power links. The second contribution exploits the use of address compression in the context of a heterogeneous interconnect to allow most of the critical messages to be compressed in a few bytes and transmitted using very low latency links. Finally, we explore the use of heterogeneous networks in the context of hardware prefetching to alleviate the problems caused by high latencies of global links.

[ES] La fibra óptica ha supuesto una gran revolución en el mundo de las telecomunicaciones debido a su alta capacidad de transmisión y sus bajas pérdidas. Hoy en día no sería posible transportar la cantidad de tráfico que se genera en internet si no fuera por sis- temas de comunicaciones basados en fibras ópticas. Sin embargo, el número de dispo- sitivos conectados a internet es cada vez mayor, por lo que la capacidad de la fibra óptica estándar de un solo núcleo se puede ver limitada en un futuro no muy lejano. Una forma de aumentar dicha capacidad es utilizar fibras ópticas con varios núcleos. Actualmente existe un gran interés sobre la investigación en este tipo de fibras para aplicaciones de telecomunicaciones, por lo que no es difícil encontrar fibras multinú- cleo comerciales. Aunque el uso más común de la fibra óptica es para telecomunicaciones, también se puede utilizar como sensor. Uno de los métodos más comunes para la implementa- ción de sensores es la inscripción de redes de difracción en fibras ópticas de un solo núcleo. Sin embargo, la inscripción de redes de dirección en fibras de múltiples núcleos abre nuevas líneas de investigación para el desarrollo de sensores avanzados. En esta tesis se ha estudiado distintos tipos de redes de difracción inscritas en una fibra de siete núcleos para su aplicación en la implementación de sensores. En primer lugar, se describe el sistema de fabricación que permite inscribir distintos tipos de redes de difracción en la fibra multinúcleo de forma selectiva, es decir, permite seleccionar en que núcleos se va a inscribir la red. Mediante este sistema se han inscrito redes de periodo largo y posteriormente se han caracterizado como sensor de deformación, tor- sión y curvatura. Después, se han inscrito redes de Bragg inclinadas para aumentar de forma intencionada la diafonía entre los núcleos de la fibra mediante el acoplo de luz entre ellos. Además, se ha demostrado experimentalmente que esta diafonía es sensible a la deformación de la fibra, a la curvatura, a la temperatura y al índice de refracción que rodea la fibra. Por otro lado, se ha demostrado que las redes de Bragg inscritas en fibras multinúcleo se pueden utilizar para implementar sensores de curvatura capaces de operar en entornos radioactivos. Finalmente se han fabricado redes de Bragg rege- neradas capaces de operar a altas temperaturas, estas redes se han caracterizado como sensor de temperatura, deformación y curvatura. / [CAT] La fibra òptica ha suposat una gran revolució en el món de les telecomunicacions a causa de la seua alta capacitat de transmissió i les seues baixes pèrdues. Hui en dia no seria possible transportar la quantitat d'informació que es genera en internet si no fos pels sistemes de comunicacions basats en fibres òptiques. No obstant això, el nombre de dispositius connectats a internet es cada vegada més gran, per la qual cosa la capacitat de la fibra òptica estàndard d'un sol nucli es pot veure limitada en un futur no gaire llunyà. Una manera d'augmentar aquesta capacitat es utilitzar fibres òptiques amb diversos nuclis. Actualment existeix un gran interès sobre la investigació en aquesta mena de fibres per a aplicacions de telecomunicacions, per la qual cosa no es difícil trobar fibres de múltiples nuclis comercials. Encara que l'ús mes comú de la fibra òptica es per a telecomunicacions, també es pot utilitzar com a sensor. Un dels mètodes més comuns per a la implementació de sensors es la inscripció de xarxes de difracció en fibres òptiques d'un sol nucli. No obstant això, la inscripció de xarxes de difracció en fibres de múltiples nuclis obri noves línies d'investigació per al desenvolupament de sensors més complexos. En aquesta tesi s'ha estudiat diferents tipus de xarxes de difracció inscrites en una fibra de set nuclis per a la seua aplicació en la implementació de sensors en fibra òptica. En primer lloc, es descriu el sistema de fabricació de xarxes de difracció que permet inscriure diferents tipus de xarxes de difracció en la fibra de múltiples nuclis de manera selectiva, es a dir, permet seleccionar en que nuclis s'inscriurà la xarxa. Mitjançant aquest sistema s'han inscrit xarxes de període llarg i posteriorment s'han caracteritzat com a sensor de deformació, torsió i curvatura. Després, s'han inscrit xarxes de Bragg inclinades per a augmentar de manera intencionada la diafonia entre els nuclis de la fibra mitjançant l'acoblament de llum entre ells. A més d'això, s'ha demostrat experimentalment que aquesta diafonia es sensible a la deformació de la fibra, a la curvatura, a la temperatura i a l'índex de refracció que envolta la fibra. D'altra banda, s'ha demostrat que les xarxes de Bragg inscrites en fibres múltiples nuclis es poden utilitzar per a implementar sensors de curvatura que poden operar en entorns radioactius. Finalment s'han fabricat xarxes de Bragg regenerades que suporten altes temperatures, aquestes xarxes s'han caracteritzat com a sensor de temperatura, deformació i curvatura. / [EN] Optical fiber has been a great revolution in the world of telecommunications due to its high transmission capacity and low attenuation. Today it would not be possible to transport the amount of traffic that is generated on the Internet without communication systems based on optical fibers. However, the number of devices connected to the Internet is increasing, so the capacity of standard single-core fiber optics may be limited so far in the future. One way to increase this capacity is to use multi-core optical fibers. Nowadays is a great interest in research in this type of fibers for telecommunications applications, so it is not difficult to find commercial multicore fibers. Although the most common use of fiber optics is for telecommunications, it can also be used as a sensor. One of the most common methods for sensor implementation is the inscription of diffraction gratings on single-core optical fibers. However, the enrollment of steering networks in multi-core fibers opens new lines of research for the development of advanced sensors. In this thesis, different types of diffraction gratings inscribed in a seven-core fiber have been studied for their application in the implementation of sensors. In the first place, the diffraction grating manufacturing system is described that allows to inscribe different types of diffraction gratings in the multicore fiber selectively, that is, it allows to select in which cores the grating is going to be inscribed. By means of this system, long-period networks have been inscribed and subsequently they have been characterized as a deformation, torsion, and curvature sensor. Then, slanted Bragg gratings have been inscribed to intentionally increase the crosstalk between the fiber cores by coupling light between them. Furthermore, this crosstalk has been experimentally shown to be sensitive to fiber deformation, curvature, temperature, and the index of refraction surrounding the fiber. On the other hand, it has been shown that Bragg networks inscribed in multicore fibers can be used to implement curvature sensors capable of operating in radioactive environments. Finally, regenerated Bragg nets capable of operating at high temperatures have been manufactured. These nets have been characterized as a temperature, deformation, and curvature sensor. / Agradezco a la Universitat Politècnica de València la beca FPI (PAID-01-18) que me fue concedida para realizar está tesis. / Madrigal Madrigal, J. (2022). Diseño, fabricación y caracterización de sensores basados en fibras ópticas de múltiples núcleos [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/180806 / TESIS

[ES] Las fibras de multiplexación por división espacial surgieron en la última década como solución al cuello de botella en la capacidad en las redes de comunicación de fibra óptica monomodo. Utilizan el espacio, la última técnica de multiplexación en comunicaciones ópticas, para aumentar la capacidad total en comunicaciones digitales al tiempo que reducen las necesidades de espacio. Las fibras multinúcleo, un tipo de fibras de multiplexación por división espacial compuestas por varios núcleos individuales dentro de la misma cubierta, son prometedoras para las comunicaciones de largo alcance por su compatibilidad inmediata con las redes de fibra actuales. Además, las fibras multinúcleo han despertado interés en otros campos de aplicación, como las interconexiones de centros de datos, las comunicaciones cuánticas, las redes de acceso radio y la Fotónica de Microondas. Además, estas fibras presentan un gran potencial no sólo para la distribución de señales, sino también para su procesado. Las funcionalidades de procesado de señal pueden beneficiarse significativamente del uso de estas fibras en términos de compacidad y peso, garantizando al mismo tiempo versatilidad, reconfigurabilidad y rendimiento estable de banda ancha. En esta Tesis, proponemos la explotación del paralelismo inherente que se encuentra en las fibras multinúcleo para implementar el procesado distribuido de señales ópticas y de microondas. En primer lugar, estudiamos la realización de un componente óptico clave en el procesado de señales en Fotónica de Microondas, la línea de retardo en tiempo real muestreada, con fibras multinúcleo heterogéneas. Esto comprende la validación del rendimiento de una fibra heterogénea de 7 núcleos previamente fabricada, la demostración experimental de las funcionalidades de procesado de señales de microondas; incluyendo el filtrado de señales, la conformación óptica de haces y la generación de formas de onda arbitrarias; y el diseño y fabricación de una fibra heterogénea de 19 núcleos que se comporta como una línea de retardo en tiempo real sintonizable. Esta fibra se fabricó escalando 3 preformas diferentes, cada una con un perfil de índice refractivo específico, para obtener núcleos con unas características de propagación determinadas. Por último, proponemos diferentes diseños de fibras multinúcleo heterogéneas específicos para aplicaciones novedosas de distribución y procesado de señales ópticas, incluyendo la distribución de claves cuánticas, la compensación paralela de la dispersión cromática y los efectos Talbot temporales paralelos. / [CA] Les fibres de multiplexació per divisió espacial van sorgir en la darrera dècada per a solucionar el coll de botella en la capacitat de les xarxes de comunicació de fibra òptica monomode. Utilitzen l'espai, l'última tècnica de multiplexació en comunicacions òptiques, per a incrementar la capacitat total en comunicacions digitals al mateix temps que redueixen les necessitats espacials. Les fibres multinucli, un tipus de fibres de multiplexació per divisió espacial compostes per diversos nuclis individuals situats dins la mateixa coberta, són prometedores per a les comunicacions de llarg abast per la immediata compatibilitat amb les xarxes de fibra òptica actuals. Per aquest motiu, les fibres multinucli han despertat interès en altres àmbits d'aplicació, com les interconnexions de centres de dades, les comunicacions quàntiques, les xarxes d'accés radio i la Fotònica de Microones. A més, aquestes fibres presenten un gran potencial no només per a la distribució de senyals, sinó també per al seu processament. Les funcionalitats de processament de senyals poden beneficiar-se significativament del seu ús en relació a la compacitat i al pes, mentre garanteixen versatilitat, reconfigurabilitat i rendiment estable de banda ampla. En aquesta Tesi, proposem l'explotació del paral·lelisme inherent de les fibres multinucli per a implementar processament distribuït de senyals òptiques i de microones. En primer lloc, estudiem la realització d'un component òptic clau en el processament de senyals en la Fotònica de Microones, la línia de retard en temps real mostrejada, amb fibres multinucli heterogènies. Això comprèn la validació del rendiment d'una fibra de heterogènia 7 nuclis fabricada prèviament, la demostració experimental de les funcionalitats de processament de senyals de microones sobre aquesta mateixa fibra; la qual cosa inclou el filtrat de senyals, la conformació òptica de feixos i la generació de formes d'ona arbitràries; i el disseny i fabricació d'una fibra heterogènia de 19 nuclis que es comporta com una línia de retard en temps real sintonitzable. Aquesta fibra es va fabricar escalant 3 preformes diferents, cadascuna amb un perfil d'índex refractiu específic, per obtindre nuclis amb característiques de propagació determinades. Per últim, proposem diversos dissenys específics de fibres multinucli heterogènies per a aplicacions innovadores de distribució i processament de senyals òptiques, incloent la distribució de claus quàntiques, la compensació paral·lela de la dispersió cromàtica i els efectes Talbot temporals en paral·lel. / [EN] Space-division multiplexing fibers emerged in the last decade as a solution to the capacity bottleneck in single-mode optical fiber communication networks. They utilize space, the last multiplexing technique in optical communications, to increase the total capacity in digital communications whilst reducing space needs. Multicore fibers, a type of space-division multiplexing fibers comprised of multiple individual cores within the same cladding, are promising for long-reach communications because of their immediate compatibility with current fiber networks. Moreover, multicore fibers have raised interest in other fields of application such as data-center interconnects, quantum communications, radio access networks and Microwave Photonics. Apart from that, these fibers exhibit great potential not only for signal distribution but also for signal processing. Signal processing functionalities can benefit significantly from using these fibers in terms of compactness and weight, while assuring broadband versatility, reconfigurability, and performance stability. In this Thesis, we propose the exploitation of the inherent parallelism found in multicore fibers to implement distributed signal processing for optical and microwave signals. First, we study the realization of a key optical component in Microwave Photonics signal processing, the sampled true-time delay line, with heterogeneous multicore fibers. This comprises the performance validation of a previously fabricated heterogeneous 7-core fiber, the experimental demonstration of microwave signal processing functionalities including signal filtering, optical beamforming, and arbitrary waveform generation, and the design and fabrication of a heterogeneous 19-core fiber that behaves as a tunable true-time delay line. This fiber was fabricated by scaling down 3 different preforms, each with a specific refractive index profile, with a different ratio to obtain cores with determined propagation characteristics. Lastly, we propose different custom heterogeneous multicore fiber designs for novel optical signal distribution and processing applications, including quantum key distribution, parallel chromatic dispersion compensation and parallel temporal Talbot effects. / Ureña Gisbert, M. (2023). Novel Multicore Optical Fibers for Signal Distribution and Processing [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/196862

Tesis por compendio / [ES] Los sistemas de tiempo real se caracterizan por exigir el cumplimento de unos requisitos temporales que garanticen el funcionamiento aceptable de un sistema. Especialmente, en los sistemas de tiempo real estricto estos requisitos temporales deben ser inviolables. Estos sistemas suelen aplicarse en áreas como la aviación, la seguridad ferroviaria, satélites y control de procesos, entre otros. Por tanto, el incumplimiento de un requisito temporal en un sistema de tiempo real estricto puede ocasionar un fallo catastrófico. La planificación de sistemas de tiempo real es una área en la que se estudian y aplican diversas metodologías, heurísticas y algoritmos que intentan asignar el recurso de la CPU sin pérdidas de plazo. El uso de sistemas de computación multinúcleo es una opción cada vez más recurrente en los sistemas de tiempo real estrictos. Esto se debe, entre otras causas, a su alto rendimiento a nivel de computación gracias a su capacidad de ejecutar varios procesos en paralelo. Por otro lado, los sistemas multinúcleo presentan un nuevo problema, la contención que ocurre debido a la compartición de los recursos de hardware. El origen de esta contención es la interferencia que en ocasiones ocurre entre tareas asignadas en distintos núcleos que pretenden acceder al mismo recurso compartido simultáneamente, típicamente acceso a memoria compartida. Esta interferencia añadida puede suponer un incumplimiento de los requisitos temporales, y por tanto, la planificación no sería viable. En este trabajo se proponen nuevas metodologías y estrategias de planificación no convencionales para aportar soluciones al problema de la interferencia en sistemas multinúcleo. Estas metodologías y estrategias abarcan algoritmos de planificación, algoritmos de asignación de tareas a núcleos, modelos temporales y análisis de planificabilidad. El resultado del trabajo realizado se ha publicado en diversos artículos en revistas del área. En ellos se presentan estas nuevas propuestas que afrontan los retos de la planificación de tareas. En la mayoría de los artículos presentados la estructura es similar: se introduce el contexto en el que nos situamos, se plantea la problemática existente, se expone una propuesta para solventar o mejorar los resultados de la planificación, después se realiza una experimentación para evaluar de forma práctica la metodología propuesta, se analizan los resultados obtenidos y finalmente se exponen unas conclusiones sobre la propuesta. Los resultados de las metodologías no convencionales propuestas en los artículos que conforman esta tesis muestran una mejora del rendimiento de las planificaciones en comparación con algoritmos clásicos del área. Especialmente la mejora se produce en términos de disminución de la interferencia producida y mejora de la tasa de planificabilidad. / [CA] Els sistemes de temps real es caracteritzen per exigir el compliment d'uns requisits temporals que garantisquen el funcionament acceptable d'un sistema. Especialment, en els sistemes de temps real estricte aquests requisits temporals han de ser inviolables. Aquests sistemes solen aplicar-se en àrees com l'aviació, la seguretat ferroviària, satèl·lits i control de processos, entre altres. Per tant, l'incompliment d'un requisit temporal en un sistema de temps real estricte pot ocasionar un error catastròfic. La planificació de sistemes de temps real és una àrea en la qual s'estudien i apliquen diverses metodologies, heurístiques i algorismes que intenten assignar el recurs de la CPU sense pèrdues de termini. L'ús de sistemes de computació multinucli és una opció cada vegada més recurrent en els sistemes de temps real estrictes. Això es deu, entre altres causes, al seu alt rendiment a nivell de computació gràcies a la seua capacitat d'executar diversos processos en paral·lel. D'altra banda, els sistemes multinucli presenten un nou problema, la contenció que ocorre a causa de la compartició dels recursos de hardware. L'origen d'aquesta contenció és la interferència que a vegades ocorre entre tasques assignades en diferents nuclis que pretenen accedir al mateix recurs compartit simultàniament, típicament accés a memòria compartida. Aquesta interferència afegida pot suposar un incompliment dels requisits temporals, i per tant, la planificació no seria viable. En aquest treball es proposen noves metodologies i estratègies de planificació no convencionals per aportar solucions al problema de la interferència en sistemes multinucli. Aquestes metodologies i estratègies comprenen algorismes de planificació, algorismes d'assignació de tasques a nuclis, models temporals i anàlisis de planificabilitat. El resultat del treball realitzat s'ha publicat en diversos articles en revistes de l'àrea. En ells es presenten aquestes noves propostes que afronten els reptes de la planificació de tasques. En la majoria dels articles presentats l'estructura és similar: s'introdueix el context en el qual ens situem, es planteja la problemàtica existent, s'exposa una proposta per a solucionar o millorar els resultats de la planificació, després es realitza una experimentació per a avaluar de manera pràctica la metodologia proposada, s'analitzen els resultats obtinguts i finalment s'exposen unes conclusions sobre la proposta. Els resultats de les metodologies no convencionals proposades en els articles que conformen aquesta tesi mostren una millora del rendiment de les planificacions en comparació amb algorismes clàssics de l'àrea. Especialment, la millora es produeix en termes de disminució de la interferència produïda i millora de la taxa de planificabilitat. / [EN] Real-time systems are characterised by the demand for temporal constraints that guarantee acceptable operation and feasibility of a system. Especially, in hard real-time systems these temporal constraints must be respected. These systems are typically applied in areas such as aviation, railway safety, satellites and process control, among others. Therefore, a missed deadline in a hard-real time system can lead to a catastrophic failure. The scheduling of real-time systems is an area where various methodologies, heuristics and algorithms are studied and applied in an attempt to allocate the CPU resources without missing any deadline. The use of multicore computing systems is an increasingly recurrent option in hard real-time systems. This is due, among other reasons, to its high computational performance thanks to the ability to run multiple processes in parallel. On the other hand, multicore systems present a new problem, the contention that occurs due to the sharing of hardware resources. The source of this contention is the interference that sometimes happens between tasks allocated in different cores that try to access the same shared resource simultaneously, typically shared memory access. This added interference can lead to miss a deadline, and therefore, the scheduling would not be feasible. This paper proposes new non-conventional scheduling methodologies and strategies to provide solutions to the interference problem in multicore systems. These methodologies and strategies include scheduling algorithms, task allocation algorithms, temporal models and schedulability analysis. The results of this work have been published in several journal articles in the field. In these articles the new proposals are presented, they face the challenges of task scheduling. In the majority of these articles the structure is similar: the context is introduced, the existing problem is identified, a proposal to solve or improve the results of the scheduling is presented, then the proposed methodology is experimented in order to evaluate it in practical terms, the results obtained are analysed and finally conclusions about the proposal are expressed. The results of the non-conventional methodologies proposed in the articles that comprise this thesis show an improvement in the performance of the scheduling compared to classical algorithms in the area. In particular, the improvement is produced in terms of reducing the interference and a higher schedulability rate. / Esta tesis se ha realizado en el marco de dos proyectos de investigación de carácter nacional. Uno de ellos es el proyecto es PRECON-I4. Consiste en la búsqueda de sistemas informáticos predecibles y confiables para la industria 4.0. El otro proyecto es PRESECREL, que consiste en la búsqueda de modelos y plataformas para sistemas informáticos industriales predecibles, seguros y confiables. Tanto PRECON-I4 como PRESECREL son proyectos coordinados financiados por el Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades y los fondos FEDER (AEI/FEDER, UE). En ambos proyectos participa la Universidad Politécnica de Valencia, la Universidad de Cantabria y la Universidad Politécnica de Madrid. Además, en PRESECREL también participa IKERLAN S. COOP I.P. Además, parte de los resultados de esta tesis también han servido para validar la asignación de recursos temporales en sistemas críticos en el marco del proyecto METROPOLIS (PLEC2021-007609). / Aceituno Peinado, JM. (2024). Investigación de nuevas metodologías para la planificación de sistemas de tiempo real multinúcleo mediante técnicas no convencionales [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/203212 / Compendio

[ES] Una de las principales preocupaciones de los centros de datos actuales es maximizar la utilización de los servidores. En cada servidor se ejecutan simultáneamente varias aplicaciones para aumentar la eficiencia de los recursos. Sin embargo, las prestaciones dependen en gran medida de la proporción de recursos que recibe cada aplicación. El mayor número de núcleos (y de aplicaciones ejecutándose) con cada nueva generación de procesadores hace que crezca la preocupación por la interferencia en los recursos compartidos. Esta tesis se centra en mitigar la interferencia cuando diferentes aplicaciones se consolidan en un mismo procesador desde dos perspectivas: computación de alto rendimiento (HPC) y computación en la nube. En el contexto de HPC, esta tesis propone políticas de gestión para dos de los recursos más críticos: la caché de último nivel (LLC) y los núcleos del procesador. La LLC desempeña un papel clave en las prestaciones de los procesadores actuales al reducir considerablemente el número de accesos de alta latencia a memoria principal. Se proponen estrategias de particionado de la LLC tanto para cachés inclusivas como no inclusivas, ambos diseños presentes en los procesadores para servidores actuales. Para los esquemas, se detectan nuevos comportamientos problemáticos y se asigna un mayor espacio de caché a las aplicaciones que hacen mejor uso de este. En cuanto a los núcleos del procesador, muchas aplicaciones paralelas (como aplicaciones de grafos) no escalan bien con un mayor número de núcleos. Además, el planificador de Linux aplica una estrategia de tiempo compartido que no ofrece buenas prestaciones cuando se ejecutan aplicaciones de grafo. Para maximizar la utilización del sistema, esta tesis propone ejecutar múltiples aplicaciones de grafo en el mismo procesador, asignando a cada una el número óptimo de núcleos (y adaptando el número de hilos creados) dinámicamente. En cuanto a la computación en la nube, esta tesis aborda tres grandes retos: la compleja infraestructura de estos sistemas, las características de sus aplicaciones y el impacto de la interferencia entre máquinas virtuales (MV). Primero, esta tesis presenta la plataforma experimental desarrollada con los principales componentes de un sistema en la nube. Luego, se presenta un amplio estudio de caracterización sobre un conjunto de aplicaciones de latencia crítica representativas con el fin de identificar los puntos que los proveedores de servicios en la nube deben tener en cuenta para mejorar el rendimiento y la utilización de los recursos. Por último, se realiza una propuesta que permite detectar y estimar dinámicamente la interferencia entre MV. El enfoque usa métricas que pueden monitorizarse fácilmente en la nube pública, ya que las MV deben tratarse como "cajas negras". Toda la investigación descrita se lleva a cabo respetando las restricciones y cumpliendo los requisitos para ser aplicable en entornos de producción de nube pública. En resumen, esta tesis aborda la contención en los principales recursos compartidos del sistema en el contexto de la consolidación de servidores. Los resultados experimentales muestran importantes ganancias sobre Linux. En los procesadores con LLC inclusiva, el tiempo de ejecución (TT) se reduce en más de un 40%, mientras que se mejora el IPC más de un 3%. Con una LLC no inclusiva, la equidad y el TT mejoran en un 44% y un 24%, respectivamente, al mismo tiempo que se mejora el rendimiento hasta un 3,5%. Al distribuir los núcleos del procesador de forma eficiente, se alcanza una equidad casi perfecta (94%), y el TT se reduce hasta un 80%. En entornos de computación en la nube, la degradación del rendimiento puede estimarse con un error de un 5% en la predicción global. Todas las propuestas presentadas han sido diseñadas para ser aplicadas en procesadores comerciales sin requerir ninguna información previa, tomando las decisiones dinámicamente con datos recogidos de los contadores de prestaciones. / [CAT] Una de les principals preocupacions dels centres de dades actuals és maximitzar la utilització dels servidors. A cada servidor s'executen simultàniament diverses aplicacions per augmentar l'eficiència dels recursos. Tot i això, el rendiment depèn en gran mesura de la proporció de recursos que rep cada aplicació. El nombre creixent de nuclis (i aplicacions executant-se) amb cada nova generació de processadors fa que creixca la preocupació per l'efecte causat per les interferències en els recursos compartits. Aquesta tesi se centra a mitigar la interferència en els recursos compartits quan diferents aplicacions es consoliden en un mateix processador des de dues perspectives: computació d'alt rendiment (HPC) i computació al núvol. En el context d'HPC, aquesta tesi proposa polítiques de gestió per a dos dels recursos més crítics: la memòria cau d'últim nivell (LLC) i els nuclis del processador. La LLC exerceix un paper clau a les prestacions del sistema en els processadors actuals reduint considerablement el nombre d'accessos d'alta latència a la memòria principal. Es proposen estratègies de particionament de la LLC tant per a caus inclusives com no inclusives, ambdós dissenys presents en els processadors actuals. Per als dos esquemes, se detecten nous comportaments problemàtics i s'assigna un major espai de memòria cau a les aplicacions que en fan un millor ús. Pel que fa als nuclis del processador, moltes aplicacions paral·leles (com les aplicacions de graf) no escalen bé a mesura que s'incrementa el nombre de nuclis. A més, el planificador de Linux aplica una estratègia de temps compartit que no ofereix bones prestacions quan s'executen aplicacions de graf. Per maximitzar la utilització del sistema, aquesta tesi proposa executar múltiples aplicacions de grafs al mateix processador, assignant a cadascuna el nombre òptim de nuclis (i adaptant el nombre de fils creats) dinàmicament. Pel que fa a la computació al núvol, aquesta tesi aborda tres grans reptes: la complexa infraestructura d'aquests sistemes, les característiques de les seues aplicacions i l'impacte de la interferència entre màquines virtuals (MV). En primer lloc, aquesta tesi presenta la plataforma experimental desenvolupada amb els principals components d'un sistema al núvol. Després, es presenta un ampli estudi de caracterització sobre un conjunt d'aplicacions de latència crítica representatives per identificar els punts que els proveïdors de serveis al núvol han de tenir en compte per millorar el rendiment i la utilització dels recursos. Finalment, es fa una proposta que de manera dinàmica permet detectar i estimar la interferència entre MV. L'enfocament es basa en mètriques que es poden monitoritzar fàcilment al núvol públic, ja que les MV han de tractar-se com a "caixes negres". Tota la investigació descrita es duu a terme respectant les restriccions i complint els requisits per ser aplicable en entorns de producció al núvol públic. En resum, aquesta tesi aborda la contenció en els principals recursos compartits del sistema en el context de la consolidació de servidors. Els resultats experimentals mostren que s'obtenen importants guanys sobre Linux. En els processadors amb una LLC inclusiva, el temps d'execució (TT) es redueix en més d'un 40%, mentres que es millora l'IPC en més d'un 3%. En una LLC no inclusiva, l'equitat i el TT es milloren en un 44% i un 24%, respectivament, al mateix temps que s'obté una millora del rendiment de fins a un 3,5%. Distribuint els nuclis del processador de manera eficient es pot obtindre una equitat quasi perfecta (94%), i el TT pot reduir-se fins a un 80%. En entorns de computació al núvol, la degradació del rendiment pot estimar-se amb un error de predicció global d'un 5%. Totes les propostes presentades en aquesta tesi han sigut dissenyades per a ser aplicades en processadors de servidors comercials sense requerir cap informació prèvia, prenent decisions dinàmicament amb dades recollides dels comptadors de prestacions. / [EN] One of the main concerns of today's data centers is to maximize server utilization. In each server processor, multiple applications are executed concurrently, increasing resource efficiency. However, performance and fairness highly depend on the share of resources that each application receives, leading to performance unpredictability. The rising number of cores (and running applications) with every new generation of processors is leading to a growing concern for interference at the shared resources. This thesis focuses on addressing resource interference when different applications are consolidated on the same server processor from two main perspectives: high-performance computing (HPC) and cloud computing. In the context of HPC, resource management approaches are proposed to reduce inter-application interference at two major critical resources: the last level cache (LLC) and the processor cores. The LLC plays a key role in the system performance of current multi-cores by reducing the number of long-latency main memory accesses. LLC partitioning approaches are proposed for both inclusive and non-inclusive LLCs, as both designs are present in current server processors. In both cases, newly problematic LLC behaviors are identified and efficiently detected, granting a larger cache share to those applications that use best the LLC space. As for processor cores, many parallel applications, like graph applications, do not scale well with an increasing number of cores. Moreover, the default Linux time-sharing scheduler performs poorly when running graph applications, which process vast amounts of data. To maximize system utilization, this thesis proposes to co-locate multiple graph applications on the same server processor by assigning the optimal number of cores to each one, dynamically adapting the number of threads spawned by the running applications. When studying the impact of system-shared resources on cloud computing, this thesis addresses three major challenges: the complex infrastructure of cloud systems, the nature of cloud applications, and the impact of inter-VM interference. Firstly, this thesis presents the experimental platform developed to perform representative cloud studies with the main cloud system components (hardware and software). Secondly, an extensive characterization study is presented on a set of representative latency-critical workloads which must meet strict quality of service (QoS) requirements. The aim of the studies is to outline issues cloud providers should consider to improve performance and resource utilization. Finally, we propose an online approach that detects and accurately estimates inter-VM interference when co-locating multiple latency-critical VMs. The approach relies on metrics that can be easily monitored in the public cloud as VMs are handled as ``black boxes''. The research described above is carried out following the restrictions and requirements to be applicable to public cloud production systems. In summary, this thesis addresses contention in the main system shared resources in the context of server consolidation, both in HPC and cloud computing. Experimental results show that important gains are obtained over the Linux OS scheduler by reducing interference. In inclusive LLCs, turnaround time (TT) is reduced by over 40% while improving IPC by more than 3%. In non-inclusive LLCs, fairness and TT are improved by 44% and 24%, respectively, while improving performance by up to 3.5%. By distributing core resources efficiently, almost perfect fairness can be obtained (94%), and TT can be reduced by up to 80%. In cloud computing, performance degradation due to resource contention can be estimated with an overall prediction error of 5%. All the approaches proposed in this thesis have been designed to be applied in commercial server processors without requiring any prior information, making decisions dynamically with data collected from hardware performance counters. / Pons Escat, L. (2023). Interference Analysis and Resource Management in Server Processors: from HPC to Cloud Computing [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/195840