Exploração adaptativa de paralelismo sob restrições físicas e de tempo real em sistemas embarcados tolerantes a falhas

Abstract

A constante redução nas dimensões dos transistores foi o principal combustível capaz de manter o crescente desempenho exigido por aplicações. Ao mesmo tempo, as tensões de alimentação dos circuitos também são reduzidas a cada novo nó tecnológico, fazendo com que partículas como nêutrons e partículas alpha, portando quantidades de energia cada vez menores sejam capazes de gerar os chamados soft errors, que impactam diretamente na redução da confiabilidade dos sistemas embarcados atuais. Isto faz com que a implementação de técnicas de tolerância a falhas se tornem praticamente obrigatórias para tecnologias atuais e futuras. Estes mesmos sistemas embarcados, como smartphones, devem apresentar alto poder de processamento, visando atender um crescente conjunto de aplicações de natureza heterogênea, consumindo a mínima potência possível. Nestes sistemas, algumas dessas principais aplicações como codec GSM, cancelamento de eco acústico, processamento de áudio e vídeo apresentam em comum a necessidade de multiplicar matrizes de diferentes dimensões em determinados intervalos de tempo. Pensando nestas demandas, será proposta a arquitetura RA3, cujo objetivo é executar o algoritmo de multiplicação de matrizes em paralelo com a técnica de tolerância a falhas conhecida na literatura como ABFT, visando a aumentar a confiabilidade da mesma. Além disso, a RA3 possui uma estrutura adaptativa que permite que unidades internas como memórias, multiplicadores e somadores sejam ligadas ou desligadas através da aplicação da técnica de power gating em tempo de execução, conforme restrições impostas pela largura da banda de memória, power budgets e deadlines impostos por aplicações de tempo real, visando executar tarefas consumindo a mínima potência possível. Para avaliar as funcionalidades propostas, dois estudos de caso reais são apresentados e o comportamento da arquitetura é avaliado sobre diversos aspectos como desempenho, área, consumo de potência e cobertura de falhas. Finalmente é possível comprovar que a adaptabilidade proposta pela arquitetura RA3 permite que seja encontrada, em diversos cenários, a quantidade exata de recursos necessários para executar determinadas aplicações sem comprometer as restrições impostas principalmente no consumo de potência e por aplicações com deadlines críticos, mantendo ainda altas taxas de cobertura de falhas.

The continuous reduction of transistors’ dimensions was the main drive capable of maintaining the performance increase required by applications. At the same time, supply voltages of the circuits are also reduced with each new technology node, causing particles such as neutrons or alpha particles, even with reduced amounts of energy, to generate so-called soft errors that directly impact on the reliability of embedded systems. This scenario makes the implementation of techniques for fault tolerance mandatory for current and future technologies. Still, embedded systems, such as smartphones, must provide high processing power to execute a growing set of applications of heterogeneous nature, consuming the least possible power. In these systems, applications like GSM codec, acoustic echo cancellation, audio and video processing have in common the need for matrix multiplication operations of different dimensions at certain time intervals. To efficiently support the aforementioned scenario, this dissertation proposes the RA3 architecture whose goal is run the matrix multiplication algorithm in parallel with the fault tolerance technique know in the literature as ABFT, aiming to support software execution with high reliability. Furthermore, the RA3 architecture provides adaptive internal units such as memories, multipliers and adders with adaptive powering on or off by applying power gating at runtime. Runtime power gating enables to meet restrictions imposed by real-time applications or memory bandwidth with minimum power. To evaluate the proposed architecture, two case studies are presented and the behavior of the architecture is evaluated in terms of performance, area, power consumption and fault coverage. Finally, a comprehensive design space exploration shows that the adaptability provided by the RA3 architecture allows the system designer to find, in many scenarios, the exact amount of resources needed to run a set of applications without compromising the restrictions imposed mainly in power consumption and real-time deadlines, while still maintaining a high fault coverage rate.