Exploiting data locality in cache-coherent NUMA systems

The end of Dennard scaling has caused a stagnation of the clock frequency in computers.To overcome this issue, in the last two decades vendors have been integrating larger numbers of processing elements in the systems, interconnecting many nodes, including multiple chips in the nodes and increasing the number of cores in each chip. The speed of main memory has not evolved at the same rate as processors, it is much slower and there is a need to provide more total bandwidth to the processors, especially with the increase in the number of cores and chips. Still keeping a shared address space, where all processors can access the whole memory, solutions have come by integrating more memories: by using newer technologies like high-bandwidth memories (HBM) and non-volatile memories (NVM), by giving groups cores (like sockets, for example) faster access to some subset of the DRAM, or by combining many of these solutions. This has caused some heterogeneity in the access speed to main memory, depending on the CPU requesting access to a memory address and the actual physical location of that address, causing non-uniform memory access (NUMA) behaviours. Moreover, many of these systems are cache-coherent (ccNUMA), meaning that changes in the memory done from one CPU must be visible by the other CPUs and transparent for the programmer. These NUMA behaviours reduce the performance of applications and can pose a challenge to the programmers. To tackle this issue, this thesis proposes solutions, at the software and hardware levels, to improve the data locality in NUMA systems and, therefore, the performance of applications in these computer systems. The first contribution shows how considering hardware prefetching simultaneously with thread and data placement in NUMA systems can find configurations with better performance than considering these aspects separately. The performance results combined with performance counters are then used to build a performance model to predict, both offline and online, the best configuration for new applications not in the model. The evaluation is done using two different high performance NUMA systems, and the performance counters collected in one machine are used to predict the best configurations in the other machine. The second contribution builds on the idea that prefetching can have a strong effect in NUMA systems and proposes a NUMA-aware hardware prefetching scheme. This scheme is generic and can be applied to multiple hardware prefetchers with a low hardware cost but giving very good results. The evaluation is done using a cycle-accurate architectural simulator and provides detailed results of the performance, the data transfer reduction and the energy costs. Finally, the third and last contribution consists in scheduling algorithms for task-based programming models. These programming models help improve the programmability of applications in parallel systems and also provide useful information to the underlying runtime system. This information is used to build a task dependency graph (TDG), a directed acyclic graph that models the application where the nodes are sequential pieces of code known as tasks and the edges are the data dependencies between the different tasks. The proposed scheduling algorithms use graph partitioning techniques and provide a scheduling for the tasks in the TDG that minimises the data transfers between the different NUMA regions of the system. The results have been evaluated in real ccNUMA systems with multiple NUMA regions.La fi de la llei de Dennard ha provocat un estancament de la freqüència de rellotge dels computadors. Amb l'objectiu de superar aquest fet, durant les darreres dues dècades els fabricants han integrat més quantitat d'unitats de còmput als sistemes mitjançant la interconnexió de nodes diferents, la inclusió de múltiples xips als nodes i l'increment de nuclis de processador a cada xip. La rapidesa de la memòria principal no ha evolucionat amb el mateix factor que els processadors; és molt més lenta i hi ha la necessitat de proporcionar més ample de banda als processadors, especialment amb l'increment del nombre de nuclis i xips. Tot mantenint un adreçament compartit en el qual tots els processadors poden accedir a la memòria sencera, les solucions han estat al voltant de la integració de més memòries: amb tecnologies modernes com HBM (high-bandwidth memories) i NVM (non-volatile memories), fent que grups de nuclis (com sòcols sencers) tinguin accés més ràpid a una part de la DRAM o amb la combinació de solucions. Això ha provocat una heterogeneïtat en la velocitat d'accés a la memòria principal, en funció del nucli que sol·licita l'accés a una adreça en particular i la seva localització física, fet que provoca uns comportaments no uniformes en l'accés a la memòria (non-uniform memory access, NUMA). A més, sovint tenen memòries cau coherents (cache-coherent NUMA, ccNUMA), que implica que qualsevol canvi fet a la memòria des d'un nucli d'un processador ha de ser visible la resta de manera transparent. Aquests comportaments redueixen el rendiment de les aplicacions i suposen un repte. Per abordar el problema, a la tesi s'hi proposen solucions, a nivell de programari i maquinari, que milloren la localitat de dades als sistemes NUMA i, en conseqüència, el rendiment de les aplicacions en aquests sistemes. La primera contribució mostra que, quan es tenen en compte alhora la precàrrega d'adreces de memòria amb maquinari (hardware prefetching) i les decisions d'ubicació dels fils d'execució i les dades als sistemes NUMA, es poden trobar millors configuracions que quan es condieren per separat. Una combinació dels resultats de rendiment i dels comptadors disponibles al sistema s'utilitza per construir un model de rendiment per fer la predicció, tant per avançat com també en temps d'execució, de la millor configuració per aplicacions que no es troben al model. L'avaluació es du a terme a dos sistemes NUMA d'alt rendiment, i els comptadors mesurats en un sistema s'usen per predir les millors configuracions a l'altre sistema. La segona contribució es basa en la idea que el prefetching pot tenir un efecte considerable als sistemes NUMA i proposa un esquema de precàrrega a nivell de maquinari que té en compte els efectes NUMA. L'esquema és genèric i es pot aplicar als algorismes de precàrrega existents amb un cost de maquinari molt baix però amb molt bons resultats. S'avalua amb un simulador arquitectural acurat a nivell de cicle i proporciona resultats detallats del rendiment, la reducció de les comunicacions de dades i els costos energètics. La tercera i darrera contribució consisteix en algorismes de planificació per models de programació basats en tasques. Aquests simplifiquen la programabilitat de les aplicacions paral·leles i proveeixen informació molt útil al sistema en temps d'execució (runtime system) que en controla el funcionament. Amb aquesta informació es construeix un graf de dependències entre tasques (task dependency graph, TDG), un graf dirigit i acíclic que modela l'aplicació i en el qual els nodes són fragments de codi seqüencial (o tasques) i els arcs són les dependències de dades entre les tasques. Els algorismes de planificació proposats fan servir tècniques de particionat de grafs i proporcionen una planificació de les tasques del TDG que minimitza la comunicació de dades entre les diferents regions NUMA del sistema. Els resultats han estat avaluats en sistemes ccNUMA reals amb múltiples regions NUMA.El final de la ley de Dennard ha provocado un estancamiento de la frecuencia de reloj de los computadores. Con el objetivo de superar este problema, durante las últimas dos décadas los fabricantes han integrado más unidades de cómputo en los sistemas mediante la interconexión de nodos diferentes, la inclusión de múltiples chips en los nodos y el incremento de núcleos de procesador en cada chip. La rapidez de la memoria principal no ha evolucionado con el mismo factor que los procesadores; es mucho más lenta y hay la necesidad de proporcionar más ancho de banda a los procesadores, especialmente con el incremento del número de núcleos y chips. Aun manteniendo un sistema de direccionamiento compartido en el que todos los procesadores pueden acceder al conjunto de la memoria, las soluciones han oscilado alrededor de la integración de más memorias: usando tecnologías modernas como las memorias de alto ancho de banda (highbandwidth memories, HBM) y memorias no volátiles (non-volatile memories, NVM), haciendo que grupos de núcleos (como zócalos completos) tengan acceso más veloz a un subconjunto de la DRAM, o con la combinación de soluciones. Esto ha provocado una heterogeneidad en la velocidad de acceso a la memoria principal, en función del núcleo que solicita el acceso a una dirección de memoria en particular y la ubicación física de esta dirección, lo que provoca unos comportamientos no uniformes en el acceso a la memoria (non-uniform memory access, NUMA). Además, muchos de estos sistemas tienen memorias caché coherentes (cache-coherent NUMA, ccNUMA), lo que implica que cualquier cambio hecho en la memoria desde un núcleo de un procesador debe ser visible por el resto de procesadores de forma transparente para los programadores. Estos comportamientos NUMA reducen el rendimiento de las aplicaciones y pueden suponer un reto para los programadores. Para abordar dicho problema, en esta tesis se proponen soluciones, a nivel de software y hardware, que mejoran la localidad de datos en los sistemas NUMA y, en consecuencia, el rendimiento de las aplicaciones en estos sistemas informáticos. La primera contribución muestra que, cuando se tienen en cuenta a la vez la precarga de direcciones de memoria mediante hardware (o hardware prefetching ) y las decisiones de la ubicación de los hilos de ejecución y los datos en los sistemas NUMA, se pueden hallar mejores configuraciones que cuando se consideran ambos aspectos por separado. Con una combinación de los resultados de rendimiento y de los contadores disponibles en el sistema se construye un modelo de rendimiento, tanto por avanzado como en en tiempo de ejecución, de la mejor configuración para aplicaciones que no están incluidas en el modelo. La evaluación se realiza en dos sistemas NUMA de alto rendimiento, y los contadores medidos en uno de los sistemas se usan para predecir las mejores configuraciones en el otro sistema. La segunda contribución se basa en la idea de que el prefetching puede tener un efecto considerable en los sistemas NUMA y propone un esquema de precarga a nivel hardware que tiene en cuenta los efectos NUMA. Este esquema es genérico y se puede aplicar a diferentes algoritmos de precarga existentes con un coste de hardware muy bajo pero que proporciona muy buenos resultados. Dichos resultados se obtienen y evalúan mediante un simulador arquitectural preciso a nivel de ciclo y proporciona resultados detallados del rendimiento, la reducción de las comunicaciones de datos y los costes energéticos. Finalmente, la tercera y última contribución consiste en algoritmos de planificación para modelos de programación basados en tareas. Estos modelos simplifican la programabilidad de las aplicaciones paralelas y proveen información muy útil al sistema en tiempo de ejecución (runtime system) que controla su funcionamiento. Esta información se utiliza para construir un grafo de dependencias entre tareas (task dependency graph, TDG), un grafo dirigido y acíclico que modela la aplicación y en el ue los nodos son fragmentos de código secuencial, conocidos como tareas, y los arcos son las dependencias de datos entre las distintas tareas. Los algoritmos de planificación que se proponen usan técnicas e particionado de grafos y proporcionan una planificación de las tareas del TDG que minimiza la comunicación de datos entre las distintas regiones NUMA del sistema. Los resultados se han evaluado en sistemas ccNUMA reales con múltiples regiones NUMA.Postprint (published version

Cost-Based Optimization of Integration Flows

Integration flows are increasingly used to specify and execute data-intensive integration tasks between heterogeneous systems and applications. There are many different application areas such as real-time ETL and data synchronization between operational systems. For the reasons of an increasing amount of data, highly distributed IT infrastructures, and high requirements for data consistency and up-to-dateness of query results, many instances of integration flows are executed over time. Due to this high load and blocking synchronous source systems, the performance of the central integration platform is crucial for an IT infrastructure. To tackle these high performance requirements, we introduce the concept of cost-based optimization of imperative integration flows that relies on incremental statistics maintenance and inter-instance plan re-optimization. As a foundation, we introduce the concept of periodical re-optimization including novel cost-based optimization techniques that are tailor-made for integration flows. Furthermore, we refine the periodical re-optimization to on-demand re-optimization in order to overcome the problems of many unnecessary re-optimization steps and adaptation delays, where we miss optimization opportunities. This approach ensures low optimization overhead and fast workload adaptation

Dependable Embedded Systems

This Open Access book introduces readers to many new techniques for enhancing and optimizing reliability in embedded systems, which have emerged particularly within the last five years. This book introduces the most prominent reliability concerns from today’s points of view and roughly recapitulates the progress in the community so far. Unlike other books that focus on a single abstraction level such circuit level or system level alone, the focus of this book is to deal with the different reliability challenges across different levels starting from the physical level all the way to the system level (cross-layer approaches). The book aims at demonstrating how new hardware/software co-design solution can be proposed to ef-fectively mitigate reliability degradation such as transistor aging, processor variation, temperature effects, soft errors, etc. Provides readers with latest insights into novel, cross-layer methods and models with respect to dependability of embedded systems; Describes cross-layer approaches that can leverage reliability through techniques that are pro-actively designed with respect to techniques at other layers; Explains run-time adaptation and concepts/means of self-organization, in order to achieve error resiliency in complex, future many core systems

The hArtes Tool Chain

This chapter describes the different design steps needed to go from legacy code to a transformed application that can be efficiently mapped on the hArtes platform

Dynamical Modeling of Cloud Applications for Runtime Performance Management

Cloud computing has quickly grown to become an essential component in many modern-day software applications. It allows consumers, such as a provider of some web service, to quickly and on demand obtain the necessary computational resources to run their applications. It is desirable for these service providers to keep the running cost of their cloud application low while adhering to various performance constraints. This is made difficult due to the dynamics imposed by, e.g., resource contentions or changing arrival rate of users, and the fact that there exist multiple ways of influencing the performance of a running cloud application. To facilitate decision making in this environment, performance models can be introduced that relate the workload and different actions to important performance metrics.In this thesis, such performance models of cloud applications are studied. In particular, we focus on modeling using queueing theory and on the fluid model for approximating the often intractable dynamics of the queue lengths. First, existing results on how the fluid model can be obtained from the mean-field approximation of a closed queueing network are simplified and extended to allow for mixed networks. The queues are allowed to follow the processor sharing or delay disciplines, and can have multiple classes with phase-type service times. An improvement to this fluid model is then presented to increase accuracy when the \emph{system size}, i.e., number of servers, initial population, and arrival rate, is small. Furthermore, a closed-form approximation of the response time CDF is presented. The methods are tested in a series of simulation experiments and shown to be accurate. This mean-field fluid model is then used to derive a general fluid model for microservices with interservice delays. The model is shown to be completely extractable at runtime in a distributed fashion. It is further evaluated on a simple microservice application and found to accurately predict important performance metrics in most cases. Furthermore, a method is devised to reduce the cost of a running application by tuning load balancing parameters between replicas. The method is built on gradient stepping by applying automatic differentiation to the fluid model. This allows for arbitrarily defined cost functions and constraints, most notably including different response time percentiles. The method is tested on a simple application distributed over multiple computing clusters and is shown to reduce costs while adhering to percentile constraints. Finally, modeling of request cloning is studied using the novel concept of synchronized service. This allows certain forms of cloning over servers, each modeled with a single queue, to be equivalently expressed as one single queue. The concept is very general regarding the involved queueing discipline and distributions, but instead introduces new, less realistic assumptions. How the equivalent queue model is affected by relaxing these assumptions is studied considering the processor sharing discipline, and an extension to enable modeling of speculative execution is made. In a simulation campaign, it is shown that these relaxations only has a minor effect in certain cases