Network-Oblivious Algorithms

A framework is proposed for the design and analysis of network-oblivious algorithms, namely algorithms that can run unchanged, yet efficiently, on a variety of machines characterized by different degrees of parallelism and communication capabilities. The framework prescribes that a network-oblivious algorithm be specified on a parallel model of computation where the only parameter is the problem\u2019s input size, and then evaluated on a model with two parameters, capturing parallelism granularity and communication latency. It is shown that for a wide class of network-oblivious algorithms, optimality in the latter model implies optimality in the decomposable bulk synchronous parallel model, which is known to effectively describe a wide and significant class of parallel platforms. The proposed framework can be regarded as an attempt to port the notion of obliviousness, well established in the context of cache hierarchies, to the realm of parallel computation. Its effectiveness is illustrated by providing optimal network-oblivious algorithms for a number of key problems. Some limitations of the oblivious approach are also discussed

Adaptive sampling-based profiling techniques for optimizing the distributed JVM runtime

Extending the standard Java virtual machine (JVM) for cluster-awareness is a transparent approach to scaling out multithreaded Java applications. While this clustering solution is gaining momentum in recent years, efficient runtime support for fine-grained object sharing over the distributed JVM remains a challenge. The system efficiency is strongly connected to the global object sharing profile that determines the overall communication cost. Once the sharing or correlation between threads is known, access locality can be optimized by collocating highly correlated threads via dynamic thread migrations. Although correlation tracking techniques have been studied in some page-based sof Tware DSM systems, they would entail prohibitively high overheads and low accuracy when ported to fine-grained object-based systems. In this paper, we propose a lightweight sampling-based profiling technique for tracking inter-thread sharing. To preserve locality across migrations, we also propose a stack sampling mechanism for profiling the set of objects which are tightly coupled with a migrant thread. Sampling rates in both techniques can vary adaptively to strike a balance between preciseness and overhead. Such adaptive techniques are particularly useful for applications whose sharing patterns could change dynamically. The profiling results can be exploited for effective thread-to-core placement and dynamic load balancing in a distributed object sharing environment. We present the design and preliminary performance result of our distributed JVM with the profiling implemented. Experimental results show that the profiling is able to obtain over 95% accurate global sharing profiles at a cost of only a few percents of execution time increase for fine- to medium- grained applications. © 2010 IEEE.published_or_final_versionThe 24th IEEE International Symposium on Parallel & Distributed Processing (IPDPS 2010), Atlanta, GA., 19-23 April 2010. In Proceedings of the 24th IPDPS, 2010, p. 1-1

Design and evaluation of a Thread-Level Speculation runtime library

En los próximos años es más que probable que máquinas con cientos o incluso miles de procesadores sean algo habitual. Para aprovechar estas máquinas, y debido a la dificultad de programar de forma paralela, sería deseable disponer de sistemas de compilación o ejecución que extraigan todo el paralelismo posible de las aplicaciones existentes. Así en los últimos tiempos se han propuesto multitud de técnicas paralelas. Sin embargo, la mayoría de ellas se centran en códigos simples, es decir, sin dependencias entre sus instrucciones. La paralelización especulativa surge como una solución para estos códigos complejos, posibilitando la ejecución de cualquier tipo de códigos, con o sin dependencias. Esta técnica asume de forma optimista que la ejecución paralela de cualquier tipo de código no de lugar a errores y, por lo tanto, necesitan de un mecanismo que detecte cualquier tipo de colisión. Para ello, constan de un monitor responsable que comprueba constantemente que la ejecución no sea errónea, asegurando que los resultados obtenidos de forma paralela sean similares a los de cualquier ejecución secuencial. En caso de que la ejecución fuese errónea los threads se detendrían y reiniciarían su ejecución para asegurar que la ejecución sigue la semántica secuencial. Nuestra contribución en este campo incluye (1) una nueva librería de ejecución especulativa fácil de utilizar; (2) nuevas propuestas que permiten reducir de forma significativa el número de accesos requeridos en las peraciones especulativas, así como consejos para reducir la memoria a utilizar; (3) propuestas para mejorar los métodos de scheduling centradas en la gestión dinámica de los bloques de iteraciones utilizados en las ejecuciones especulativas; (4) una solución híbrida que utiliza memoria transaccional para implementar las secciones críticas de una librería de paralelización especulativa; y (5) un análisis de las técnicas especulativas en uno de los dispositivos más vanguardistas del momento, los coprocesadores Intel Xeon Phi. Como hemos podido comprobar, la paralelización especulativa es un campo de investigación activo. Nuestros resultados demuestran que esta técnica permite obtener mejoras de rendimiento en un gran número de aplicaciones. Así, esperamos que este trabajo contribuya a facilitar el uso de soluciones especulativas en compiladores comerciales y/o modelos de programación paralela de memoria compartida.Departamento de Informática (Arquitectura y Tecnología de Computadores, Ciencias de la Computación e Inteligencia Artificial, Lenguajes y Sistemas Informáticos

Silkroad : A system supporting DSM and multiple paradigms in cluster computing

Ph.DDOCTOR OF PHILOSOPH

Improving the Perfomance of a Pointer-Based, Speculative Parallelization Scheme

La paralelización especulativa es una técnica que intenta extraer paralelismo de los bucles no paralelizables en tiempo de compilación. La idea subyacente es ejecutar el código de forma optimista mientras un subsistema comprueba que no se viole la semántica secuencial. Han sido muchos los trabajos realizados en este campo, sin embargo, no conocemos ninguno que fuese capaz de paralelizar aplicaciones que utilizasen aritmética de punteros. En un trabajo previo del autor de esta memoria, se desarrolló una librería software capaz de soportar este tipo de aplicaciones. No obstante, el software desarrollado sufría de una limitación muy importante: el tiempo de ejecución de las versiones paralelas era mayor que el de las versiones secuenciales. A lo largo de este Trabajo de Fin de Máster, se aborda esta limitación, encontrando y corrigiendo las razones de esta falta de eficiencia, y situando el trabajo realizado en perspectiva, dentro de las contribuciones mundiales en este ámbito. Los resultados experimentales obtenidos con aplicaciones reales nos permiten afirmar que estas limitaciones han sido solventadas, ya que obtenemos speedups de hasta de un 1.61 . Así, con la nueva versión de la librería se han llegado a obtener mejoras de hasta el 421.4% respecto al tiempo de ejecución generado por la versión original de la librería especulativa.InformáticaMáster en Investigación en Tecnologías de la Información y las Comunicacione

Vectorization system for unstructured codes with a Data-parallel Compiler IR

With Dennard Scaling coming to an end, Single Instruction Multiple Data (SIMD) offers itself as a way to improve the compute throughput of CPUs. One fundamental technique in SIMD code generators is the vectorization of data-parallel code regions. This has applications in outer-loop vectorization, whole-function vectorization and vectorization of explicitly data-parallel languages. This thesis makes contributions to the reliable vectorization of data-parallel code regions with unstructured, reducible control flow. Reducibility is the case in practice where all control-flow loops have exactly one entry point. We present P-LLVM, a novel, full-featured, intermediate representation for vectorizers that provides a semantics for the code region at every stage of the vectorization pipeline. Partial control-flow linearization is a novel partial if-conversion scheme, an essential technique to vectorize divergent control flow. Different to prior techniques, partial linearization has linear running time, does not insert additional branches or blocks and gives proved guarantees on the control flow retained. Divergence of control induces value divergence at join points in the control-flow graph (CFG). We present a novel control-divergence analysis for directed acyclic graphs with optimal running time and prove that it is correct and precise under common static assumptions. We extend this technique to obtain a quadratic-time, control-divergence analysis for arbitrary reducible CFGs. For this analysis, we show on a range of realistic examples how earlier approaches are either less precise or incorrect. We present a feature-complete divergence analysis for P-LLVM programs. The analysis is the first to analyze stack-allocated objects in an unstructured control setting. Finally, we generalize single-dimensional vectorization of outer loops to multi-dimensional tensorization of loop nests. SIMD targets benefit from tensorization through more opportunities for re-use of loaded values and more efficient memory access behavior. The techniques were implemented in the Region Vectorizer (RV) for vectorization and TensorRV for loop-nest tensorization. Our evaluation validates that the general-purpose RV vectorization system matches the performance of more specialized approaches. RV performs on par with the ISPC compiler, which only supports its structured domain-specific language, on a range of tree traversal codes with complex control flow. RV is able to outperform the loop vectorizers of state-of-the-art compilers, as we show for the SPEC2017 nab_s benchmark and the XSBench proxy application.Mit dem Ausreizen des Dennard Scalings erreichen die gewohnten Zuwächse in der skalaren Rechenleistung zusehends ihr Ende. Moderne Prozessoren setzen verstärkt auf parallele Berechnung, um den Rechendurchsatz zu erhöhen. Hierbei spielen SIMD Instruktionen (Single Instruction Multiple Data), die eine Operation gleichzeitig auf mehrere Eingaben anwenden, eine zentrale Rolle. Eine fundamentale Technik, um SIMD Programmcode zu erzeugen, ist der Einsatz datenparalleler Vektorisierung. Diese unterliegt populären Verfahren, wie der Vektorisierung äußerer Schleifen, der Vektorisierung gesamter Funktionen bis hin zu explizit datenparallelen Programmiersprachen. Der Beitrag der vorliegenden Arbeit besteht darin, ein zuverlässiges Vektorisierungssystem für datenparallelen Code mit reduziblem Steuerfluss zu entwickeln. Diese Anforderung ist für alle Steuerflussgraphen erfüllt, deren Schleifen nur einen Eingang haben, was in der Praxis der Fall ist. Wir präsentieren P-LLVM, eine ausdrucksstarke Zwischendarstellung für Vektorisierer, welche dem Programm in jedem Stadium der Transformation von datenparallelem Code zu SIMD Code eine definierte Semantik verleiht. Partielle Steuerfluss-Linearisierung ist ein neuer Algorithmus zur If-Conversion, welcher Sprünge erhalten kann. Anders als existierende Verfahren hat Partielle Linearisierung eine lineare Laufzeit und fügt keine neuen Sprünge oder Blöcke ein. Wir zeigen Kriterien, unter denen der Algorithmus Steuerfluss erhält, und beweisen diese. Steuerflussdivergenz induziert Divergenz an Punkten zusammenfließenden Steuerflusses. Wir stellen eine neue Steuerflussdivergenzanalyse für azyklische Graphen mit optimaler Laufzeit vor und beweisen deren Korrektheit und Präzision. Wir verallgemeinern die Technik zu einem Algorithmus mit quadratischer Laufzeit für beliebiege, reduzible Steuerflussgraphen. Eine Studie auf realistischen Beispielgraphen zeigt, dass vergleichbare Techniken entweder weniger präsize sind oder falsche Ergebnisse liefern. Ebenfalls präsentieren wir eine Divergenzanalyse für P-LLVM Programme. Diese Analyse ist die erste Divergenzanalyse, welche Divergenz in stapelallokierten Objekten unter unstrukturiertem Steuerfluss analysiert. Schließlich generalisieren wir die eindimensionale Vektorisierung von äußeren Schleifen zur multidimensionalen Tensorisierung von Schleifennestern. Tensorisierung eröffnet für SIMD Prozessoren mehr Möglichkeiten, bereits geladene Werte wiederzuverwenden und das Speicherzugriffsverhalten des Programms zu optimieren, als dies mit Vektorisierung der Fall ist. Die vorgestellten Techniken wurden in den Region Vectorizer (RV) für Vektorisierung und TensorRV für die Tensorisierung von Schleifennestern implementiert. Wir zeigen auf einer Reihe von steuerflusslastigen Programmen für die Traversierung von Baumdatenstrukturen, dass RV das gleiche Niveau erreicht wie der ISPC Compiler, welcher nur seine strukturierte Eingabesprache verarbeiten kann. RV kann schnellere SIMD-Programme erzeugen als die Schleifenvektorisierer in aktuellen Industriecompilern. Dies demonstrieren wir mit dem nab_s benchmark aus der SPEC2017 Benchmarksuite und der XSBench Proxy-Anwendung