[논문 리뷰] Isolation-Aware Timing Analysis and Design Space Exploration for Predictable and Composable Many-Core Systems

Behnaz Pourmohseni, Fedor Smirnov외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 01.

Interconnection Networks and Systems참고 문헌 50인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 하나의 애플리케이션 매핑 내에서 자원 별로 다수의 격리 방식(예: 코어 공유, 코어 예약, 타일 예약)을 동적으로 조합하는 컴posable 멀티코어 시스템을 위한 격리 인지 시간 분석 및 설계 공간 탐색(DSE) 프레임워크를 제안한다. 혼합 격리 정책 하에서 간섭을 공식적으로 경계함으로써, 자원 사용, 최악의 지연 시간, 에너지 간의 상호 조정 가능성을 넓히고 최적화를 가능하게 하여 고정 격리 방식 대비 최대 67% 향상된 매핑 품질을 달성한다.

ABSTRACT

Composable many-core systems enable the independent development and analysis of applications which will be executed on a shared platform where the mix of concurrently executed applications may change dynamically at run time. For each individual application, an off-line DSE is performed to compute several mapping alternatives on the platform, offering Pareto-optimal trade-offs in terms of real-time guarantees, resource usage, etc. At run time, one mapping is then chosen to launch the application on demand. In this context, to enable an independent analysis of each individual application at design time, so-called inter-application isolation schemes are applied which specify temporal/spatial isolation policies between applications. State-of-the-art composable many-core systems are developed based on a fixed isolation scheme that is exclusively applied to every resource in every mapping of every application and use a timing analysis tailored to that isolation scheme to derive timing guarantees for each mapping. A fixed isolation scheme, however, heavily restricts the explored space of solutions and can, therefore, lead to suboptimality. Lifting this restriction necessitates a timing analysis that is applicable to mappings with an arbitrary mix of isolation schemes on different resources. To address this issue, in this paper, we (a) present an isolation-aware timing analysis that - unlike existing analyses - can handle multiple isolation schemes in combination within one mapping and delivers safe yet tight timing bounds by identifying and excluding interference scenarios that can never happen under the given combination of isolation schemes. Based on the timing analysis, we (b) present a DSE which explores the choices of isolation scheme per resource within each mapping and uses the proposed timing analysis for timing verification. Experimental results demonstrate that, for a variety of real-time applications and many-core platforms, the proposed approach achieves an improvement of up to 67% in the quality of delivered mappings compared to approaches based on a fixed isolation scheme.

연구 동기 및 목표

• 컴포지터블 멀티코어 시스템에서 고정 격리 방식의 부적합성 문제를 해결함으로써, 해법 공간을 제한하고 자원 및 시간 간의 상호 조정을 악화시키는 문제를 해결한다.
• 다양한 자원 간에 임의의 조합의 격리 정책을 지원함으로써, 응용 프로그램의 독립적인 설계 시점 분석을 가능하게 한다.
• 특정 혼합 격리 정책 하에서 발생할 수 없는 간섭 시나리오를 안전하게 배제할 수 있는 시간 분석 기법을 개발하여, 엄밀하면서도 안전한 최악의 상황 시간 경계를 확보한다.
• 각 코어 또는 타일 별로 매핑과 격리 정책 선택을 통합 최적화하는 설계 공간 탐색을 수행함으로써, 실시간 성능, 자원 사용 및 에너지 간의 파레토 최적 상호 조정을 향상시킨다.

제안 방법

• 다양한 자원에서 적용된 격리 정책 조합 하에서 발생할 수 없는 간섭 시나리오를 식별하고 배제하는 격리 인지 시간 분석 기법을 도입한다.
• 각 자원에 적용된 특정 격리 정책(예: 코어 공유, 예약)을 고려한 공식적인 간섭 모델을 사용하여 간섭 경계를 모델링한다.
• 매핑과 격리 정책 선택을 동시에 탐색할 수 있는 다목적 DSE 프레임워크에 격리 인지 시간 분석을 통합한다.
• 다양한 DSE 전략 간의 해 집합 품질 평가 및 비교를 위해 ϵ-지배도 기반 메트릭을 사용한다.
• 동적 워크로드와 변동 가능한 자원 가용성을 지원하기 위해 하이브리드 애플리케이션 매핑(HAM) 전략을 활용한다.
• 핵심, 메모리, 네트워크 어댑터를 포함한 이질적 자원을 갖춘 타일 기반 멀티코어 아키텍처(예: 6×6 NoC)에서 실시간 애플리케이션에 본 방법을 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 동일한 애플리케이션 매핑 내에서 서로 다른 자원에 대해 동시에 다수의 격리 방식을 사용할 경우, 안전하고 엄밀한 최악의 실행 시간 경계를 확보할 수 있는 시간 분석 기법을 설계할 수 있는가?
• RQ2 격리 인지 시간 분석을 DSE에 통합함으로써, 고정 격리 정책 방식 대비 파레토 최적 매핑의 품질은 어떻게 향상되는가?
• RQ3 제안된 DSE가 혼합 격리 정책을 사용함으로써, 자원 사용, 지연 시간, 에너지 측면에서 고정 방식의 제약을 초월하고 해법 공간을 얼마나 넓히고 확장할 수 있는가?
• RQ4 격리 인지 DSE를 사용할 경우, 코어 공유, 코어 예약, 타일 예약 전용 접근 방식 대비 ϵ-지배도 기반으로 측정한 해 품질 향상 정도는 어느 정도인가?

주요 결과

• 제안된 격리 인지 DSE는 ϵ-지배도 기반 측정 기준으로 고정 격리 정책 방식 대비 최대 67% 향상된 매핑 품질을 달성한다.
• 본 방법이 탐색하는 해 공간은 코어 공유, 코어 예약, 타일 예약 방식이 탐색하는 부분 공간을 모두 포함하며, 더 높은 품질의 상호 조정 가능성을 제공한다.
• 격리 인지 시간 분석은 혼합 격리 정책 하에서 발생할 수 없는 간섭 시나리오를 성공적으로 배제하여, 더욱 엄밀하고 안전한 최악의 상황 시간 경계를 확보한다.
• 제안된 방법은 자원 사용, 지연 시간, 에너지의 3차원 목적 공간에서 더 넓은 범위의 파레토 최적 해를 제공함으로써, 다목적 최적화 성능 향상을 보여준다.
• 모든 평가된 구성(자동차 및 통신 애플리케이션을 위한 6×6 및 4×4 NoC 아키텍처)에서 격리 인지 DSE는 고정 방식 대비 ϵ-지배도 측면에서 뛰어난 성능을 보였으며, 일관되게 낮은 지배도 지수를 기록했다.
• 자원 별로 독립적으로 격리 정책를 선택할 수 있도록 하여 더 유연하고 컴포지터블한 설계 프로세스를 가능하게 하였으며, 예측 가능성과 안전성에 손상을 주지 않는다.