[論文レビュー] Isolation-Aware Timing Analysis and Design Space Exploration for Predictable and Composable Many-Core Systems

Behnaz Pourmohseni, Fedor Smirnov+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2019

Interconnection Networks and Systems参考文献 50被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、1つのアプリケーションマッピング内で複数のリソースごとに動的に複数の隔離方式（例：コア共有、コア予約、タイル予約）を組み合わせる、組み込み可能なマルチコアシステム向けの隔離認識タイミング解析およびデザインスペース探索（DSE）フレームワークを提案する。混合隔離ポリシー下での干渉を形式的に境界化することにより、リソース使用量、最悪応答遅延、エネルギーのトレードオフの幅を広げ、より最適化された探索が可能となり、固定隔離方式に比べてマッピング品質が最大67％向上する。

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.

研究の動機と目的

• 組み込み可能なマルチコアシステムにおける固定隔離方式の非最適性を解消し、制約のある解空間とリソース・タイミングのトレードオフの劣化を回避すること。
• 異なるリソース間で任意の隔離ポリシーの組み合わせをサポートすることで、アプリケーションの設計時解析を独立して行えるようにすること。
• 特定の隔離方式の組み合わせ下で発生しない干渉シナリオを安全に除外するタイミング解析を構築し、きめ細かくかつ安全な最悪応答遅延境界を保証すること。
• 各コアまたはタイルごとにマッピングと隔離方式選択を同時に最適化するデザインスペース探索を実施し、リアルタイム性能、リソース使用量、エネルギーのパラメータにおけるパレート最適なトレードオフを向上させること。

提案手法

• 異なるリソースに適用された隔離方式の組み合わせ下で発生しない干渉シナリオを特定・除外する、隔離認識タイミング解析を導入する。
• 各リソースに適用される特定の隔離ポリシー（例：コア共有、予約）を考慮した形式的干渉モデルを用いて干渉境界をモデル化する。
• 隔離認識タイミング解析を、各コアまたはタイルごとにマッピングと隔離方式選択を探索する多目的DSEフレームワークに統合する。
• 異なるDSE戦略の解集合の品質を評価・比較するために、ϵ優位性指標を用いる。
• 動的ワークロードと変動するリソース利用可能性をサポートするため、ハイブリッドアプリケーションマッピング（HAM）戦略を採用する。
• コア、メモリ、ネットワークアダプタを含む異種リソースを有するタイル型マルチコアアーキテクチャ（例：6×6 NoC）上でのリアルタイムアプリケーションに本手法を適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1つのアプリケーションマッピング内で異なるリソースに複数の隔離方式を同時に使用する状況下でも、安全かつきめ細かく最悪実行時間を境界づけるタイミング解析を設計可能か？
• RQ2 DSEに隔離認識タイミング解析を統合することで、固定隔離方式に比べてパレート最適マッピングの品質はどの程度向上するか？
• RQ3 提案手法によるDSEが、固定方式に比べてリソース使用量、遅延、エネルギーの観点で解空間をどの程度拡張し、制限を越えて探索できるか？
• RQ4 隔離認識DSEを採用した場合、コア共有、コア予約、タイル予約のみの方法と比較して、解の品質（ϵ優位性で測定）はどの程度向上するか？

主な発見

• 提案手法である隔離認識DSEは、ϵ優位性で測定した場合、固定隔離方式に比べてマッピング品質に最大67％の向上を達成した。
• 提案手法が探索する解空間は、コア共有、コア予約、タイル予約の各アプローチが探索する部分空間をすべてカバーしており、より高品質なトレードオフを可能にした。
• 隔離認識タイミング解析は、混合隔離ポリシー下で不可能な干渉シナリオを正しく除外し、よりきめ細かく安全な最悪応答遅延境界を実現した。
• 提案手法は、3次元の目的関数空間（リソース使用量、遅延、エネルギー）において、より広範なパレート最適解のスパンを提供し、より優れた多目的最適化を実現した。
• 自動車および通信分野のアプリケーションを対象とした全評価設定（6×6および4×4 NoCアーキテクチャ）において、隔離認識DSEは固定方式に比べてϵ優位性で優れており、一貫して低い優位性インデックスを示した。
• 本手法により、リソースごとに独立して隔離ポリシーを選択可能となる柔軟で組み込み可能な設計フローが実現され、予測可能性や安全性を損なわず、設計の柔軟性が向上した。