Data broadcasting and reduction, prefix computation, and sorting on reduced hypercube (RH) parallel computers

The binary hypercube parallel computer has been very popular due to its rich interconnection structure and small average internode distance which allow the efficient embedding of frequently used topologies. Communication patterns of many parallel algorithms also match the hypercube topology. The hypercube has high VLSI complexity. however. due to the logarithmic increase in the number of connections to each node with the increase in the number of dimensions of the hypercube. The reduced hypercube (RH) interconnection network. which is obtained by a uniform reduction in the number of links for each hypercube node. yields lower-complexity interconnection networks when compared to hypercubes with the same number of nodes. It has been shown elsewhere that the RH interconnection network achieves performance comparable to that of the hypercube. at lower hardware cost. The reduced VLSI complexity of the RH also permits the construction of larger systems. thus. making the RH suitable for massively parallel processing. This thesis proposes algorithms for data broadcasting and reduction. prefix computation, and sorting on the RH parallel computer. All these operations are fundamental to many parallel algorithms. A worst case analysis of each algorithm is given and compared with equivalent- algorithms for the regular hypercube. It is shown that the proposed algorithms for the RH yield performance comparable to that for the regular hypercube

Reliability Analysis of the Hypercube Architecture.

This dissertation presents improved techniques for analyzing network-connected (NCF), 2-connected (2CF), task-based (TBF), and subcube (SF) functionality measures in a hypercube multiprocessor with faulty processing elements (PE) and/or communication elements (CE). These measures help study system-level fault tolerance issues and relate to various application modes in the hypercube. Solutions discussed in the text fall into probabilistic and deterministic models. The probabilistic measure assumes a stochastic graph of the hypercube where PE\u27s and/or CE\u27s may fail with certain probabilities, while the deterministic model considers that some system components are already failed and aims to determine the system functionality. For probabilistic model, MIL-HDBK-217F is used to predict PE and CE failure rates for an Intel iPSC system. First, a technique called CAREL is presented. A proof of its correctness is included in an appendix. Using the shelling ordering concept, CAREL is shown to solve the exact probabilistic NCF measure for a hypercube in time polynomial in the number of spanning trees. However, this number increases exponentially in the hypercube dimension. This dissertation, then, aims to more efficiently obtain lower and upper bounds on the measures. Algorithms, presented in the text, generate tighter bounds than had been obtained previously and run in time polynomial in the cube dimension. The proposed algorithms for probabilistic 2CF measure consider PE and/or CE failures. In attempting to evaluate deterministic measures, a hybrid method for fault tolerant broadcasting in the hypercube is proposed. This method combines the favorable features of redundant and non-redundant techniques. A generalized result on the deterministic TBF measure for the hypercube is then described. Two distributed algorithms are proposed to identify the largest operational subcubes in a hypercube C\sb{n} with faulty PE\u27s. Method 1, called LOS1, requires a list of faulty components and utilizes the CMB operator of CAREL to solve the problem. In case the number of unavailable nodes (faulty or busy) increases, an alternative distributed approach, called LOS2, processes m available nodes in O(mn) time. The proposed techniques are simple and efficient

Communication-Efficient Probabilistic Algorithms: Selection, Sampling, and Checking

Diese Dissertation behandelt drei grundlegende Klassen von Problemen in Big-Data-Systemen, für die wir kommunikationseffiziente probabilistische Algorithmen entwickeln. Im ersten Teil betrachten wir verschiedene Selektionsprobleme, im zweiten Teil das Ziehen gewichteter Stichproben (Weighted Sampling) und im dritten Teil die probabilistische Korrektheitsprüfung von Basisoperationen in Big-Data-Frameworks (Checking). Diese Arbeit ist durch einen wachsenden Bedarf an Kommunikationseffizienz motiviert, der daher rührt, dass der auf das Netzwerk und seine Nutzung zurückzuführende Anteil sowohl der Anschaffungskosten als auch des Energieverbrauchs von Supercomputern und der Laufzeit verteilter Anwendungen immer weiter wächst. Überraschend wenige kommunikationseffiziente Algorithmen sind für grundlegende Big-Data-Probleme bekannt. In dieser Arbeit schließen wir einige dieser Lücken. Zunächst betrachten wir verschiedene Selektionsprobleme, beginnend mit der verteilten Version des klassischen Selektionsproblems, d. h. dem Auffinden des Elements von Rang $k$ in einer großen verteilten Eingabe. Wir zeigen, wie dieses Problem kommunikationseffizient gelöst werden kann, ohne anzunehmen, dass die Elemente der Eingabe zufällig verteilt seien. Hierzu ersetzen wir die Methode zur Pivotwahl in einem schon lange bekannten Algorithmus und zeigen, dass dies hinreichend ist. Anschließend zeigen wir, dass die Selektion aus lokal sortierten Folgen – multisequence selection – wesentlich schneller lösbar ist, wenn der genaue Rang des Ausgabeelements in einem gewissen Bereich variieren darf. Dies benutzen wir anschließend, um eine verteilte Prioritätswarteschlange mit Bulk-Operationen zu konstruieren. Später werden wir diese verwenden, um gewichtete Stichproben aus Datenströmen zu ziehen (Reservoir Sampling). Schließlich betrachten wir das Problem, die global häufigsten Objekte sowie die, deren zugehörige Werte die größten Summen ergeben, mit einem stichprobenbasierten Ansatz zu identifizieren. Im Kapitel über gewichtete Stichproben werden zunächst neue Konstruktionsalgorithmen für eine klassische Datenstruktur für dieses Problem, sogenannte Alias-Tabellen, vorgestellt. Zu Beginn stellen wir den ersten Linearzeit-Konstruktionsalgorithmus für diese Datenstruktur vor, der mit konstant viel Zusatzspeicher auskommt. Anschließend parallelisieren wir diesen Algorithmus für Shared Memory und erhalten so den ersten parallelen Konstruktionsalgorithmus für Aliastabellen. Hiernach zeigen wir, wie das Problem für verteilte Systeme mit einem zweistufigen Algorithmus angegangen werden kann. Anschließend stellen wir einen ausgabesensitiven Algorithmus für gewichtete Stichproben mit Zurücklegen vor. Ausgabesensitiv bedeutet, dass die Laufzeit des Algorithmus sich auf die Anzahl der eindeutigen Elemente in der Ausgabe bezieht und nicht auf die Größe der Stichprobe. Dieser Algorithmus kann sowohl sequentiell als auch auf Shared-Memory-Maschinen und verteilten Systemen eingesetzt werden und ist der erste derartige Algorithmus in allen drei Kategorien. Wir passen ihn anschließend an das Ziehen gewichteter Stichproben ohne Zurücklegen an, indem wir ihn mit einem Schätzer für die Anzahl der eindeutigen Elemente in einer Stichprobe mit Zurücklegen kombinieren. Poisson-Sampling, eine Verallgemeinerung des Bernoulli-Sampling auf gewichtete Elemente, kann auf ganzzahlige Sortierung zurückgeführt werden, und wir zeigen, wie ein bestehender Ansatz parallelisiert werden kann. Für das Sampling aus Datenströmen passen wir einen sequentiellen Algorithmus an und zeigen, wie er in einem Mini-Batch-Modell unter Verwendung unserer im Selektionskapitel eingeführten Bulk-Prioritätswarteschlange parallelisiert werden kann. Das Kapitel endet mit einer ausführlichen Evaluierung unserer Aliastabellen-Konstruktionsalgorithmen, unseres ausgabesensitiven Algorithmus für gewichtete Stichproben mit Zurücklegen und unseres Algorithmus für gewichtetes Reservoir-Sampling. Um die Korrektheit verteilter Algorithmen probabilistisch zu verifizieren, schlagen wir Checker für grundlegende Operationen von Big-Data-Frameworks vor. Wir zeigen, dass die Überprüfung zahlreicher Operationen auf zwei „Kern“-Checker reduziert werden kann, nämlich die Prüfung von Aggregationen und ob eine Folge eine Permutation einer anderen Folge ist. Während mehrere Ansätze für letzteres Problem seit geraumer Zeit bekannt sind und sich auch einfach parallelisieren lassen, ist unser Summenaggregations-Checker eine neuartige Anwendung der gleichen Datenstruktur, die auch zählenden Bloom-Filtern und dem Count-Min-Sketch zugrunde liegt. Wir haben beide Checker in Thrill, einem Big-Data-Framework, implementiert. Experimente mit absichtlich herbeigeführten Fehlern bestätigen die von unserer theoretischen Analyse vorhergesagte Erkennungsgenauigkeit. Dies gilt selbst dann, wenn wir häufig verwendete schnelle Hash-Funktionen mit in der Theorie suboptimalen Eigenschaften verwenden. Skalierungsexperimente auf einem Supercomputer zeigen, dass unsere Checker nur sehr geringen Laufzeit-Overhead haben, welcher im Bereich von $2\,\%$ liegt und dabei die Korrektheit des Ergebnisses nahezu garantiert wird

Automating Topology Aware Mapping for Supercomputers

Petascale machines with hundreds of thousands of cores are being built. These machines have varying interconnect topologies and large network diameters. Computation is cheap and communication on the network is becoming the bottleneck for scaling of parallel applications. Network contention, specifically, is becoming an increasingly important factor affecting overall performance. The broad goal of this dissertation is performance optimization of parallel applications through reduction of network contention. Most parallel applications have a certain communication topology. Mapping of tasks in a parallel application based on their communication graph, to the physical processors on a machine can potentially lead to performance improvements. Mapping of the communication graph for an application on to the interconnect topology of a machine while trying to localize communication is the research problem under consideration. The farther different messages travel on the network, greater is the chance of resource sharing between messages. This can create contention on the network for networks commonly used today. Evaluative studies in this dissertation show that on IBM Blue Gene and Cray XT machines, message latencies can be severely affected under contention. Realizing this fact, application developers have started paying attention to the mapping of tasks to physical processors to minimize contention. Placement of communicating tasks on nearby physical processors can minimize the distance traveled by messages and reduce the chances of contention. Performance improvements through topology aware placement for applications such as NAMD and OpenAtom are used to motivate this work. Building on these ideas, the dissertation proposes algorithms and techniques for automatic mapping of parallel applications to relieve the application developers of this burden. The effect of contention on message latencies is studied in depth to guide the design of mapping algorithms. The hop-bytes metric is proposed for the evaluation of mapping algorithms as a better metric than the previously used maximum dilation metric. The main focus of this dissertation is on developing topology aware mapping algorithms for parallel applications with regular and irregular communication patterns. The automatic mapping framework is a suite of such algorithms with capabilities to choose the best mapping for a problem with a given communication graph. The dissertation also briefly discusses completely distributed mapping techniques which will be imperative for machines of the future.published or submitted for publicationnot peer reviewe