A novel simulator for heterogeneous parallel and distributed systems

Abstract

In an era of complex networked heterogeneous systems, simulating independently only parts, components or attributes of a system-under-design is not a viable, accurate or efficient option. On top of that, the growing use of hardware accelerators in both embedded systems (e.g. mobile phones) and high-end systems (e.g. HPC/Cloud systems) triggers an urgent demand for simulation frameworks that can simulate in an integrated manner all the components (i.e. CPUs, Memories, Networks, Hardware Accelerators) of a system-under-design (SuD). In this thesis we present the COSSIM simulation framework which is the first known open-source, high-performance simulator that can handle holistically system-of-systems including processors, peripherals and networks; such an approach is very appealing to both CPS and Highly Parallel Heterogeneous Systems designers and application developers. In the context of COSSIM, a novel intercommunication and synchronization scheme is developed which is fully compliant with the IEEE HLA standard. In addition, we present the ACSIM framework which is the first known open-source, high-performance simulator that can handle holistically system-of-systems including processors, peripherals, networks and accelerators. COSSIM and ACSIM have been evaluated when executing several real-world use cases; the end results demonstrate that the presented approach has up to 99% accuracy in the reported SuD aspects (when compared with the corresponding characteristics measured in the real systems), while the overall simulation time can be accelerated almost linearly with the number of CPUs utilized by the simulator.

Σε μια εποχή πολύπλοκων δικτυωμένων ετερογενών συστημάτων, η προσομοίωση ανεξάρτητων τμημάτων, εξαρτημάτων ή χαρακτηριστικών ενός συστήματος υπό-σχεδιασμό δεν είναι μια βιώσιμη, ακριβής ή αποτελεσματική επιλογή. Επιπλέον, η αυξανόμενη χρήση επιταχυντών υλικού (hardware accelerators) σε ενσωματωμένα συστήματα (π.χ. κινητά τηλέφωνα) και σε συστήματα υψηλής τεχνολογίας (π.χ. συστήματα HPC / Cloud) ενεργοποιεί μια επείγουσα ζήτηση εργαλείων προσομοίωσης που μπορούν να προσομοιώσουν με ολοκληρωμένο τρόπο όλα τα τμήματα (δηλαδή επεξεργαστές, μνήμες, δίκτυα, επιταχυντές υλικού) ενός συστήματος υπο-σχεδιασμό (SuD).Στην παρούσα διατριβή παρουσιάζουμε το περιβάλλον (framework) προσομοίωσης COSSIM που είναι ο πρώτος γνωστός προσομοιωτής ανοικτού κώδικα υψηλής απόδοσης που μπορεί να χειριστεί ολιστικά ένα σύστημα-συστημάτων συμπεριλαμβανομένων των επεξεργαστών, περιφερειακών και δικτύων. Μια τέτοια προσέγγιση είναι πολύ ελκυστική τόσο για τους σχεδιαστές HPC όσο και για CPS και τους προγραμματιστές εφαρμογών. Στο πλαίσιο του COSSIM, αναπτύσσεται ένα νέο σύστημα αλληλοεπικοινωνίας και συγχρονισμού το οποίο είναι πλήρως συμβατό με το πρότυπο IEEE HLA. Επιπλέον, παρουσιάζουμε το ACSIM framework που είναι ο πρώτος γνωστός προσομοιωτής ανοικτού κώδικα και υψηλής απόδοσης που μπορεί να χειριστεί ολιστικά ένα σύστημα συστημάτων, συμπεριλαμβανομένων των επεξεργαστών, των περιφερειακών, των δικτύων και των επιταχυντών.Το COSSIM και το ACSIM έχουν αξιολογηθεί εκτελώντας ένα μεγάλο αριθμό πραγματικών εφαρμογών. Τα τελικά αποτελέσματα επιβεβαιώνουν ότι η πρωτεινόμενη προσέγγιση έχει ακρίβεια μέχρι 99% (σε σύγκριση με τα πραγματικά συστήματα που μετρήθηκαν), ενώ ο συνολικός χρόνος προσομοίωσης μπορεί να επιταχυνθεί σχεδόν γραμμικά με τον αριθμό επεξεργαστών που χρησιμοποιούνται από τον προσομοιωτή.