Evaluating techniques for parallelization tuning in MPI, OmpSs and MPI/OmpSs

Parallel programming is used to partition a computational problem among multiple processing units and to define how they interact (communicate and synchronize) in order to guarantee the correct result. The performance that is achieved when executing the parallel program on a parallel architecture is usually far from the optimal: computation unbalance and excessive interaction among processing units often cause lost cycles, reducing the efficiency of parallel computation. In this thesis we propose techniques oriented to better exploit parallelism in parallel applications, with emphasis in techniques that increase asynchronism. Theoretically, this type of parallelization tuning promises multiple benefits. First, it should mitigate communication and synchronization delays, thus increasing the overall performance. Furthermore, parallelization tuning should expose additional parallelism and therefore increase the scalability of execution. Finally, increased asynchronism would provide higher tolerance to slower networks and external noise. In the first part of this thesis, we study the potential for tuning MPI parallelism. More specifically, we explore automatic techniques to overlap communication and computation. We propose a speculative messaging technique that increases the overlap and requires no changes of the original MPI application. Our technique automatically identifies the application’s MPI activity and reinterprets that activity using optimally placed non-blocking MPI requests. We demonstrate that this overlapping technique increases the asynchronism of MPI messages, maximizing the overlap, and consequently leading to execution speedup and higher tolerance to bandwidth reduction. However, in the case of realistic scientific workloads, we show that the overlapping potential is significantly limited by the pattern by which each MPI process locally operates on MPI messages. In the second part of this thesis, we study the potential for tuning hybrid MPI/OmpSs parallelism. We try to gain a better understanding of the parallelism of hybrid MPI/OmpSs applications in order to evaluate how these applications would execute on future machines and to predict the execution bottlenecks that are likely to emerge. We explore how MPI/OmpSs applications could scale on the parallel machine with hundreds of cores per node. Furthermore, we investigate how this high parallelism within each node would reflect on the network constraints. We especially focus on identifying critical code sections in MPI/OmpSs. We devised a technique that quickly evaluates, for a given MPI/OmpSs application and the selected target machine, which code section should be optimized in order to gain the highest performance benefits. Also, this thesis studies techniques to quickly explore the potential OmpSs parallelism inherent in applications. We provide mechanisms to easily evaluate potential parallelism of any task decomposition. Furthermore, we describe an iterative trialand-error approach to search for a task decomposition that will expose sufficient parallelism for a given target machine. Finally, we explore potential of automating the iterative approach by capturing the programmers’ experience into an expert system that can autonomously lead the search process. Also, throughout the work on this thesis, we designed development tools that can be useful to other researchers in the field. The most advanced of these tools is Tareador – a tool to help porting MPI applications to MPI/OmpSs programming model. Tareador provides a simple interface to propose some decomposition of a code into OmpSs tasks. Tareador dynamically calculates data dependencies among the annotated tasks, and automatically estimates the potential OmpSs parallelization. Furthermore, Tareador gives additional hints on how to complete the process of porting the application to OmpSs. Tareador already proved itself useful, by being included in the academic classes on parallel programming at UPC.La programación paralela consiste en dividir un problema de computación entre múltiples unidades de procesamiento y definir como interactúan (comunicación y sincronización) para garantizar un resultado correcto. El rendimiento de un programa paralelo normalmente está muy lejos de ser óptimo: el desequilibrio de la carga computacional y la excesiva interacción entre las unidades de procesamiento a menudo causa ciclos perdidos, reduciendo la eficiencia de la computación paralela. En esta tesis proponemos técnicas orientadas a explotar mejor el paralelismo en aplicaciones paralelas, poniendo énfasis en técnicas que incrementan el asincronismo. En teoría, estas técnicas prometen múltiples beneficios. Primero, tendrían que mitigar el retraso de la comunicación y la sincronización, y por lo tanto incrementar el rendimiento global. Además, la calibración de la paralelización tendría que exponer un paralelismo adicional, incrementando la escalabilidad de la ejecución. Finalmente, un incremente en el asincronismo proveería una tolerancia mayor a redes de comunicación lentas y ruido externo. En la primera parte de la tesis, estudiamos el potencial para la calibración del paralelismo a través de MPI. En concreto, exploramos técnicas automáticas para solapar la comunicación con la computación. Proponemos una técnica de mensajería especulativa que incrementa el solapamiento y no requiere cambios en la aplicación MPI original. Nuestra técnica identifica automáticamente la actividad MPI de la aplicación y la reinterpreta usando solicitudes MPI no bloqueantes situadas óptimamente. Demostramos que esta técnica maximiza el solapamiento y, en consecuencia, acelera la ejecución y permite una mayor tolerancia a las reducciones de ancho de banda. Aún así, en el caso de cargas de trabajo científico realistas, mostramos que el potencial de solapamiento está significativamente limitado por el patrón según el cual cada proceso MPI opera localmente en el paso de mensajes. En la segunda parte de esta tesis, exploramos el potencial para calibrar el paralelismo híbrido MPI/OmpSs. Intentamos obtener una comprensión mejor del paralelismo de aplicaciones híbridas MPI/OmpSs para evaluar de qué manera se ejecutarían en futuras máquinas. Exploramos como las aplicaciones MPI/OmpSs pueden escalar en una máquina paralela con centenares de núcleos por nodo. Además, investigamos cómo este paralelismo de cada nodo se reflejaría en las restricciones de la red de comunicación. En especia, nos concentramos en identificar secciones críticas de código en MPI/OmpSs. Hemos concebido una técnica que rápidamente evalúa, para una aplicación MPI/OmpSs dada y la máquina objetivo seleccionada, qué sección de código tendría que ser optimizada para obtener la mayor ganancia de rendimiento. También estudiamos técnicas para explorar rápidamente el paralelismo potencial de OmpSs inherente en las aplicaciones. Proporcionamos mecanismos para evaluar fácilmente el paralelismo potencial de cualquier descomposición en tareas. Además, describimos una aproximación iterativa para buscar una descomposición en tareas que mostrará el suficiente paralelismo en la máquina objetivo dada. Para finalizar, exploramos el potencial para automatizar la aproximación iterativa. En el trabajo expuesto en esta tesis hemos diseñado herramientas que pueden ser útiles para otros investigadores de este campo. La más avanzada es Tareador, una herramienta para ayudar a migrar aplicaciones al modelo de programación MPI/OmpSs. Tareador proporciona una interfaz simple para proponer una descomposición del código en tareas OmpSs. Tareador también calcula dinámicamente las dependencias de datos entre las tareas anotadas, y automáticamente estima el potencial de paralelización OmpSs. Por último, Tareador da indicaciones adicionales sobre como completar el proceso de migración a OmpSs. Tareador ya se ha mostrado útil al ser incluido en las clases de programación de la UPC

DeSyRe: on-Demand System Reliability

The DeSyRe project builds on-demand adaptive and reliable Systems-on-Chips (SoCs). As fabrication technology scales down, chips are becoming less reliable, thereby incurring increased power and performance costs for fault tolerance. To make matters worse, power density is becoming a significant limiting factor in SoC design, in general. In the face of such changes in the technological landscape, current solutions for fault tolerance are expected to introduce excessive overheads in future systems. Moreover, attempting to design and manufacture a totally defect and fault-free system, would impact heavily, even prohibitively, the design, manufacturing, and testing costs, as well as the system performance and power consumption. In this context, DeSyRe delivers a new generation of systems that are reliable by design at well-balanced power, performance, and design costs. In our attempt to reduce the overheads of fault-tolerance, only a small fraction of the chip is built to be fault-free. This fault-free part is then employed to manage the remaining fault-prone resources of the SoC. The DeSyRe framework is applied to two medical systems with high safety requirements (measured using the IEC 61508 functional safety standard) and tight power and performance constraints

Cross-Layer Rapid Prototyping and Synthesis of Application-Specific and Reconfigurable Many-accelerator Platforms

Technological advances of recent years laid the foundation consolidation of informatisationof society, impacting on economic, political, cultural and socialdimensions. At the peak of this realization, today, more and more everydaydevices are connected to the web, giving the term ”Internet of Things”. The futureholds the full connection and interaction of IT and communications systemsto the natural world, delimiting the transition to natural cyber systems and offeringmeta-services in the physical world, such as personalized medical care, autonomoustransportation, smart energy cities etc. . Outlining the necessities of this dynamicallyevolving market, computer engineers are required to implement computingplatforms that incorporate both increased systemic complexity and also cover awide range of meta-characteristics, such as the cost and design time, reliabilityand reuse, which are prescribed by a conflicting set of functional, technical andconstruction constraints. This thesis aims to address these design challenges bydeveloping methodologies and hardware/software co-design tools that enable therapid implementation and efficient synthesis of architectural solutions, which specifyoperating meta-features required by the modern market. Specifically, this thesispresents a) methodologies to accelerate the design flow for both reconfigurableand application-specific architectures, b) coarse-grain heterogeneous architecturaltemplates for processing and communication acceleration and c) efficient multiobjectivesynthesis techniques both at high abstraction level of programming andphysical silicon level.Regarding to the acceleration of the design flow, the proposed methodologyemploys virtual platforms in order to hide architectural details and drastically reducesimulation time. An extension of this framework introduces the systemicco-simulation using reconfigurable acceleration platforms as co-emulation intermediateplatforms. Thus, the development cycle of a hardware/software productis accelerated by moving from a vertical serial flow to a circular interactive loop.Moreover the simulation capabilities are enriched with efficient detection and correctiontechniques of design errors, as well as control methods of performancemetrics of the system according to the desired specifications, during all phasesof the system development. In orthogonal correlation with the aforementionedmethodological framework, a new architectural template is proposed, aiming atbridging the gap between design complexity and technological productivity usingspecialized hardware accelerators in heterogeneous systems-on-chip and networkon-chip platforms. It is presented a novel co-design methodology for the hardwareaccelerators and their respective programming software, including the tasks allocationto the available resources of the system/network. The introduced frameworkprovides implementation techniques for the accelerators, using either conventionalprogramming flows with hardware description language or abstract programmingmodel flows, using techniques from high-level synthesis. In any case, it is providedthe option of systemic measures optimization, such as the processing speed,the throughput, the reliability, the power consumption and the design silicon area.Finally, on addressing the increased complexity in design tools of reconfigurablesystems, there are proposed novel multi-objective optimization evolutionary algo-rithms which exploit the modern multicore processors and the coarse-grain natureof multithreaded programming environments (e.g. OpenMP) in order to reduce theplacement time, while by simultaneously grouping the applications based on theirintrinsic characteristics, the effectively explore the design space effectively.The efficiency of the proposed architectural templates, design tools and methodologyflows is evaluated in relation to the existing edge solutions with applicationsfrom typical computing domains, such as digital signal processing, multimedia andarithmetic complexity, as well as from systemic heterogeneous environments, suchas a computer vision system for autonomous robotic space navigation and manyacceleratorsystems for HPC and workstations/datacenters. The results strengthenthe belief of the author, that this thesis provides competitive expertise to addresscomplex modern - and projected future - design challenges.Οι τεχνολογικές εξελίξεις των τελευταίων ετών έθεσαν τα θεμέλια εδραίωσης της πληροφοριοποίησης της κοινωνίας, επιδρώντας σε οικονομικές,πολιτικές, πολιτιστικές και κοινωνικές διαστάσεις. Στο απόγειο αυτής τη ςπραγμάτωσης, σήμερα, ολοένα και περισσότερες καθημερινές συσκευές συνδέονται στο παγκόσμιο ιστό, αποδίδοντας τον όρο «Ίντερνετ των πραγμάτων».Το μέλλον επιφυλάσσει την πλήρη σύνδεση και αλληλεπίδραση των συστημάτων πληροφορικής και επικοινωνιών με τον φυσικό κόσμο, οριοθετώντας τη μετάβαση στα συστήματα φυσικού κυβερνοχώρου και προσφέροντας μεταυπηρεσίες στον φυσικό κόσμο όπως προσωποποιημένη ιατρική περίθαλψη, αυτόνομες μετακινήσεις, έξυπνες ενεργειακά πόλεις κ.α. . Σκιαγραφώντας τις ανάγκες αυτής της δυναμικά εξελισσόμενης αγοράς, οι μηχανικοί υπολογιστών καλούνται να υλοποιήσουν υπολογιστικές πλατφόρμες που αφενός ενσωματώνουν αυξημένη συστημική πολυπλοκότητα και αφετέρου καλύπτουν ένα ευρύ φάσμα μεταχαρακτηριστικών, όπως λ.χ. το κόστος σχεδιασμού, ο χρόνος σχεδιασμού, η αξιοπιστία και η επαναχρησιμοποίηση, τα οποία προδιαγράφονται από ένα αντικρουόμενο σύνολο λειτουργικών, τεχνολογικών και κατασκευαστικών περιορισμών. Η παρούσα διατριβή στοχεύει στην αντιμετώπιση των παραπάνω σχεδιαστικών προκλήσεων, μέσω της ανάπτυξης μεθοδολογιών και εργαλείων συνσχεδίασης υλικού/λογισμικού που επιτρέπουν την ταχεία υλοποίηση καθώς και την αποδοτική σύνθεση αρχιτεκτονικών λύσεων, οι οποίες προδιαγράφουν τα μετα-χαρακτηριστικά λειτουργίας που απαιτεί η σύγχρονη αγορά. Συγκεκριμένα, στα πλαίσια αυτής της διατριβής, παρουσιάζονται α) μεθοδολογίες επιτάχυνσης της ροής σχεδιασμού τόσο για επαναδιαμορφούμενες όσο και για εξειδικευμένες αρχιτεκτονικές, β) ετερογενή αδρομερή αρχιτεκτονικά πρότυπα επιτάχυνσης επεξεργασίας και επικοινωνίας και γ) αποδοτικές τεχνικές πολυκριτηριακής σύνθεσης τόσο σε υψηλό αφαιρετικό επίπεδο προγραμματισμού,όσο και σε φυσικό επίπεδο πυριτίου.Αναφορικά προς την επιτάχυνση της ροής σχεδιασμού, προτείνεται μια μεθοδολογία που χρησιμοποιεί εικονικές πλατφόρμες, οι οποίες αφαιρώντας τις αρχιτεκτονικές λεπτομέρειες καταφέρνουν να μειώσουν σημαντικά το χρόνο εξομοίωσης. Παράλληλα, εισηγείται η συστημική συν-εξομοίωση με τη χρήση επαναδιαμορφούμενων πλατφορμών, ως μέσων επιτάχυνσης. Με αυτόν τον τρόπο, ο κύκλος ανάπτυξης ενός προϊόντος υλικού, μετατεθειμένος από την κάθετη σειριακή ροή σε έναν κυκλικό αλληλεπιδραστικό βρόγχο, καθίσταται ταχύτερος, ενώ οι δυνατότητες προσομοίωσης εμπλουτίζονται με αποδοτικότερες μεθόδους εντοπισμού και διόρθωσης σχεδιαστικών σφαλμάτων, καθώς και μεθόδους ελέγχου των μετρικών απόδοσης του συστήματος σε σχέση με τις επιθυμητές προδιαγραφές, σε όλες τις φάσεις ανάπτυξης του συστήματος. Σε ορθογώνια συνάφεια με το προαναφερθέν μεθοδολογικό πλαίσιο, προτείνονται νέα αρχιτεκτονικά πρότυπα που στοχεύουν στη γεφύρωση του χάσματος μεταξύ της σχεδιαστικής πολυπλοκότητας και της τεχνολογικής παραγωγικότητας, με τη χρήση συστημάτων εξειδικευμένων επιταχυντών υλικού σε ετερογενή συστήματα-σε-ψηφίδα καθώς και δίκτυα-σε-ψηφίδα. Παρουσιάζεται κατάλληλη μεθοδολογία συν-σχεδίασης των επιταχυντών υλικού και του λογισμικού προκειμένου να αποφασισθεί η κατανομή των εργασιών στους διαθέσιμους πόρους του συστήματος/δικτύου. Το μεθοδολογικό πλαίσιο προβλέπει την υλοποίηση των επιταχυντών είτε με συμβατικές μεθόδους προγραμματισμού σε γλώσσα περιγραφής υλικού είτε με αφαιρετικό προγραμματιστικό μοντέλο με τη χρήση τεχνικών υψηλού επιπέδου σύνθεσης. Σε κάθε περίπτωση, δίδεται η δυνατότητα στο σχεδιαστή για βελτιστοποίηση συστημικών μετρικών, όπως η ταχύτητα επεξεργασίας, η ρυθμαπόδοση, η αξιοπιστία, η κατανάλωση ενέργειας και η επιφάνεια πυριτίου του σχεδιασμού. Τέλος, προκειμένου να αντιμετωπισθεί η αυξημένη πολυπλοκότητα στα σχεδιαστικά εργαλεία επαναδιαμορφούμενων συστημάτων, προτείνονται νέοι εξελικτικοί αλγόριθμοι πολυκριτηριακής βελτιστοποίησης, οι οποίοι εκμεταλλευόμενοι τους σύγχρονους πολυπύρηνους επεξεργαστές και την αδρομερή φύση των πολυνηματικών περιβαλλόντων προγραμματισμού (π.χ. OpenMP), μειώνουν το χρόνο επίλυσης του προβλήματος της τοποθέτησης των λογικών πόρων σε φυσικούς,ενώ ταυτόχρονα, ομαδοποιώντας τις εφαρμογές βάση των εγγενών χαρακτηριστικών τους, διερευνούν αποτελεσματικότερα το χώρο σχεδίασης.Η αποδοτικότητά των προτεινόμενων αρχιτεκτονικών προτύπων και μεθοδολογιών επαληθεύτηκε σε σχέση με τις υφιστάμενες λύσεις αιχμής τόσο σε αυτοτελής εφαρμογές, όπως η ψηφιακή επεξεργασία σήματος, τα πολυμέσα και τα προβλήματα αριθμητικής πολυπλοκότητας, καθώς και σε συστημικά ετερογενή περιβάλλοντα, όπως ένα σύστημα όρασης υπολογιστών για αυτόνομα διαστημικά ρομποτικά οχήματα και ένα σύστημα πολλαπλών επιταχυντών υλικού για σταθμούς εργασίας και κέντρα δεδομένων, στοχεύοντας εφαρμογές υψηλής υπολογιστικής απόδοσης (HPC). Τα αποτελέσματα ενισχύουν την πεποίθηση του γράφοντα, ότι η παρούσα διατριβή παρέχει ανταγωνιστική τεχνογνωσία για την αντιμετώπιση των πολύπλοκων σύγχρονων και προβλεπόμενα μελλοντικών σχεδιαστικών προκλήσεων