Improving Performance and Energy Efficiency of Heterogeneous Systems with rCUDA

Tesis por compendio[ES] En la última década la utilización de la GPGPU (General Purpose computing in Graphics Processing Units; Computación de Propósito General en Unidades de Procesamiento Gráfico) se ha vuelto tremendamente popular en los centros de datos de todo el mundo. Las GPUs (Graphics Processing Units; Unidades de Procesamiento Gráfico) se han establecido como elementos aceleradores de cómputo que son usados junto a las CPUs formando sistemas heterogéneos. La naturaleza masivamente paralela de las GPUs, destinadas tradicionalmente al cómputo de gráficos, permite realizar operaciones numéricas con matrices de datos a gran velocidad debido al gran número de núcleos que integran y al gran ancho de banda de acceso a memoria que poseen. En consecuencia, aplicaciones de todo tipo de campos, tales como química, física, ingeniería, inteligencia artificial, ciencia de materiales, etc. que presentan este tipo de patrones de cómputo se ven beneficiadas, reduciendo drásticamente su tiempo de ejecución. En general, el uso de la aceleración del cómputo en GPUs ha significado un paso adelante y una revolución. Sin embargo, no está exento de problemas, tales como problemas de eficiencia energética, baja utilización de las GPUs, altos costes de adquisición y mantenimiento, etc. En esta tesis pretendemos analizar las principales carencias que presentan estos sistemas heterogéneos y proponer soluciones basadas en el uso de la virtualización remota de GPUs. Para ello hemos utilizado la herramienta rCUDA, desarrollada en la Universitat Politècnica de València, ya que multitud de publicaciones la avalan como el framework de virtualización remota de GPUs más avanzado de la actualidad. Los resutados obtenidos en esta tesis muestran que el uso de rCUDA en entornos de Cloud Computing incrementa el grado de libertad del sistema, ya que permite crear instancias virtuales de las GPUs físicas totalmente a medida de las necesidades de cada una de las máquinas virtuales. En entornos HPC (High Performance Computing; Computación de Altas Prestaciones), rCUDA también proporciona un mayor grado de flexibilidad de uso de las GPUs de todo el clúster de cómputo, ya que permite desacoplar totalmente la parte CPU de la parte GPU de las aplicaciones. Además, las GPUs pueden estar en cualquier nodo del clúster, independientemente del nodo en el que se está ejecutando la parte CPU de la aplicación. En general, tanto para Cloud Computing como en el caso de HPC, este mayor grado de flexibilidad se traduce en un aumento hasta 2x de la productividad de todo el sistema al mismo tiempo que se reduce el consumo energético en un 15%. Finalmente, también hemos desarrollado un mecanismo de migración de trabajos de la parte GPU de las aplicaciones que ha sido integrado dentro del framework rCUDA. Este mecanismo de migración ha sido evaluado y los resultados muestran claramente que, a cambio de una pequeña sobrecarga, alrededor de 400 milisegundos, en el tiempo de ejecución de las aplicaciones, es una potente herramienta con la que, de nuevo, aumentar la productividad y reducir el gasto energético del sistema. En resumen, en esta tesis se analizan los principales problemas derivados del uso de las GPUs como aceleradores de cómputo, tanto en entornos HPC como de Cloud Computing, y se demuestra cómo a través del uso del framework rCUDA, estos problemas pueden solucionarse. Además se desarrolla un potente mecanismo de migración de trabajos GPU, que integrado dentro del framework rCUDA, se convierte en una herramienta clave para los futuros planificadores de trabajos en clusters heterogéneos.[CA] En l'última dècada la utilització de la GPGPU(General Purpose computing in Graphics Processing Units; Computació de Propòsit General en Unitats de Processament Gràfic) s'ha tornat extremadament popular en els centres de dades de tot el món. Les GPUs (Graphics Processing Units; Unitats de Processament Gràfic) s'han establert com a elements acceleradors de còmput que s'utilitzen al costat de les CPUs formant sistemes heterogenis. La naturalesa massivament paral·lela de les GPUs, destinades tradicionalment al còmput de gràfics, permet realitzar operacions numèriques amb matrius de dades a gran velocitat degut al gran nombre de nuclis que integren i al gran ample de banda d'accés a memòria que posseeixen. En conseqüència, les aplicacions de tot tipus de camps, com ara química, física, enginyeria, intel·ligència artificial, ciència de materials, etc. que presenten aquest tipus de patrons de còmput es veuen beneficiades reduint dràsticament el seu temps d'execució. En general, l'ús de l'acceleració del còmput en GPUs ha significat un pas endavant i una revolució, però no està exempt de problemes, com ara poden ser problemes d'eficiència energètica, baixa utilització de les GPUs, alts costos d'adquisició i manteniment, etc. En aquesta tesi pretenem analitzar les principals mancances que presenten aquests sistemes heterogenis i proposar solucions basades en l'ús de la virtualització remota de GPUs. Per a això hem utilitzat l'eina rCUDA, desenvolupada a la Universitat Politècnica de València, ja que multitud de publicacions l'avalen com el framework de virtualització remota de GPUs més avançat de l'actualitat. Els resultats obtinguts en aquesta tesi mostren que l'ús de rCUDA en entorns de Cloud Computing incrementa el grau de llibertat del sistema, ja que permet crear instàncies virtuals de les GPUs físiques totalment a mida de les necessitats de cadascuna de les màquines virtuals. En entorns HPC (High Performance Computing; Computació d'Altes Prestacions), rCUDA també proporciona un major grau de flexibilitat en l'ús de les GPUs de tot el clúster de còmput, ja que permet desacoblar totalment la part CPU de la part GPU de les aplicacions. A més, les GPUs poden estar en qualsevol node del clúster, sense importar el node en el qual s'està executant la part CPU de l'aplicació. En general, tant per a Cloud Computing com en el cas del HPC, aquest major grau de flexibilitat es tradueix en un augment fins 2x de la productivitat de tot el sistema al mateix temps que es redueix el consum energètic en aproximadament un 15%. Finalment, també hem desenvolupat un mecanisme de migració de treballs de la part GPU de les aplicacions que ha estat integrat dins del framework rCUDA. Aquest mecanisme de migració ha estat avaluat i els resultats mostren clarament que, a canvi d'una petita sobrecàrrega, al voltant de 400 mil·lisegons, en el temps d'execució de les aplicacions, és una potent eina amb la qual, de nou, augmentar la productivitat i reduir la despesa energètica de sistema. En resum, en aquesta tesi s'analitzen els principals problemes derivats de l'ús de les GPUs com acceleradors de còmput, tant en entorns HPC com de Cloud Computing, i es demostra com a través de l'ús del framework rCUDA, aquests problemes poden solucionar-se. A més es desenvolupa un potent mecanisme de migració de treballs GPU, que integrat dins del framework rCUDA, esdevé una eina clau per als futurs planificadors de treballs en clústers heterogenis.[EN] In the last decade the use of GPGPU (General Purpose computing in Graphics Processing Units) has become extremely popular in data centers around the world. GPUs (Graphics Processing Units) have been established as computational accelerators that are used alongside CPUs to form heterogeneous systems. The massively parallel nature of GPUs, traditionally intended for graphics computing, allows to perform numerical operations with data arrays at high speed. This is achieved thanks to the large number of cores GPUs integrate and the large bandwidth of memory access. Consequently, applications of all kinds of fields, such as chemistry, physics, engineering, artificial intelligence, materials science, and so on, presenting this type of computational patterns are benefited by drastically reducing their execution time. In general, the use of computing acceleration provided by GPUs has meant a step forward and a revolution, but it is not without problems, such as energy efficiency problems, low utilization of GPUs, high acquisition and maintenance costs, etc. In this PhD thesis we aim to analyze the main shortcomings of these heterogeneous systems and propose solutions based on the use of remote GPU virtualization. To that end, we have used the rCUDA middleware, developed at Universitat Politècnica de València. Many publications support rCUDA as the most advanced remote GPU virtualization framework nowadays. The results obtained in this PhD thesis show that the use of rCUDA in Cloud Computing environments increases the degree of freedom of the system, as it allows to create virtual instances of the physical GPUs fully tailored to the needs of each of the virtual machines. In HPC (High Performance Computing) environments, rCUDA also provides a greater degree of flexibility in the use of GPUs throughout the computing cluster, as it allows the CPU part to be completely decoupled from the GPU part of the applications. In addition, GPUs can be on any node in the cluster, regardless of the node on which the CPU part of the application is running. In general, both for Cloud Computing and in the case of HPC, this greater degree of flexibility translates into an up to 2x increase in system-wide throughput while reducing energy consumption by approximately 15%. Finally, we have also developed a job migration mechanism for the GPU part of applications that has been integrated within the rCUDA middleware. This migration mechanism has been evaluated and the results clearly show that, in exchange for a small overhead of about 400 milliseconds in the execution time of the applications, it is a powerful tool with which, again, we can increase productivity and reduce energy foot print of the computing system. In summary, this PhD thesis analyzes the main problems arising from the use of GPUs as computing accelerators, both in HPC and Cloud Computing environments, and demonstrates how thanks to the use of the rCUDA middleware these problems can be addressed. In addition, a powerful GPU job migration mechanism is being developed, which, integrated within the rCUDA framework, becomes a key tool for future job schedulers in heterogeneous clusters.This work jointly supported by the Fundación Séneca (Agencia Regional de Ciencia y Tecnología, Región de Murcia) under grants (20524/PDC/18, 20813/PI/18 and 20988/PI/18) and by the Spanish MEC and European Commission FEDER under grants TIN2015-66972-C5-3-R, TIN2016-78799-P and CTQ2017-87974-R (AEI/FEDER, UE). We also thank NVIDIA for hardware donation under GPU Educational Center 2014-2016 and Research Center 2015-2016. The authors thankfully acknowledge the computer resources at CTE-POWER and the technical support provided by Barcelona Supercomputing Center - Centro Nacional de Supercomputación (RES-BCV-2018-3-0008). Furthermore, researchers from Universitat Politècnica de València are supported by the Generalitat Valenciana under Grant PROMETEO/2017/077. Authors are also grateful for the generous support provided by Mellanox Technologies Inc. Prof. Pradipta Purkayastha, from Department of Chemical Sciences, Indian Institute of Science Education and Research (IISER) Kolkata, is acknowledged for kindly providing the initial ligand and DNA structures.Prades Gasulla, J. (2021). Improving Performance and Energy Efficiency of Heterogeneous Systems with rCUDA [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/168081TESISCompendi

Programming tools for intelligent systems

Les outils de programmation sont des programmes informatiques qui aident les humains à programmer des ordinateurs. Les outils sont de toutes formes et tailles, par exemple les éditeurs, les compilateurs, les débogueurs et les profileurs. Chacun de ces outils facilite une tâche principale dans le flux de travail de programmation qui consomme des ressources cognitives lorsqu’il est effectué manuellement. Dans cette thèse, nous explorons plusieurs outils qui facilitent le processus de construction de systèmes intelligents et qui réduisent l’effort cognitif requis pour concevoir, développer, tester et déployer des systèmes logiciels intelligents. Tout d’abord, nous introduisons un environnement de développement intégré (EDI) pour la programmation d’applications Robot Operating System (ROS), appelé Hatchery (Chapter 2). Deuxièmement, nous décrivons Kotlin∇, un système de langage et de type pour la programmation différenciable, un paradigme émergent dans l’apprentissage automatique (Chapter 3). Troisièmement, nous proposons un nouvel algorithme pour tester automatiquement les programmes différenciables, en nous inspirant des techniques de tests contradictoires et métamorphiques (Chapter 4), et démontrons son efficacité empirique dans le cadre de la régression. Quatrièmement, nous explorons une infrastructure de conteneurs basée sur Docker, qui permet un déploiement reproductible des applications ROS sur la plateforme Duckietown (Chapter 5). Enfin, nous réfléchissons à l’état actuel des outils de programmation pour ces applications et spéculons à quoi pourrait ressembler la programmation de systèmes intelligents à l’avenir (Chapter 6).Programming tools are computer programs which help humans program computers. Tools come in all shapes and forms, from editors and compilers to debuggers and profilers. Each of these tools facilitates a core task in the programming workflow which consumes cognitive resources when performed manually. In this thesis, we explore several tools that facilitate the process of building intelligent systems, and which reduce the cognitive effort required to design, develop, test and deploy intelligent software systems. First, we introduce an integrated development environment (IDE) for programming Robot Operating System (ROS) applications, called Hatchery (Chapter 2). Second, we describe Kotlin∇, a language and type system for differentiable programming, an emerging paradigm in machine learning (Chapter 3). Third, we propose a new algorithm for automatically testing differentiable programs, drawing inspiration from techniques in adversarial and metamorphic testing (Chapter 4), and demonstrate its empirical efficiency in the regression setting. Fourth, we explore a container infrastructure based on Docker, which enables reproducible deployment of ROS applications on the Duckietown platform (Chapter 5). Finally, we reflect on the current state of programming tools for these applications and speculate what intelligent systems programming might look like in the future (Chapter 6)

Towards Zero Touch Next Generation Network Management

The current trend in user services places an ever-growing demand for higher data rates, near-real-time latencies, and near-perfect quality of service. To meet such demands, fundamental changes were made to the front and mid-haul and backbone networking segments servicing them. One of the main changes made was virtualizing the networking components to allow for faster deployment and reconfiguration when needed. However, adopting such technologies poses several challenges, such as improving the performance and efficiency of these systems by properly orchestrating the services to the ideal edge device. A second challenge is ensuring the backbone optical networking maximizes and maintains the throughput levels under more dynamically variant conditions. A third challenge is addressing the limitation of placement techniques in O-RAN. In this thesis, we propose using various optimization modeling and machine learning techniques in three segments of network systems towards lowering the need for human intervention targeting zero-touch networking. In particular, the first part of the thesis applies optimization modeling, heuristics, and segmentation to improve the locally driven orchestration techniques, which are used to place demands on edge devices throughput to ensure efficient and resilient placement decisions. The second part of the thesis proposes using reinforcement learning (RL) techniques on a nodal base to address the dynamic nature of demands within an optical networking paradigm. The RL techniques ensure blocking rates are kept to a minimum by tailoring the agents’ behavior based on each node\u27s demand intake throughout the day. The third part of the thesis proposes using transfer learning augmented reinforcement learning to drive a network slicing-based solution in O-RAN to address the stringent and divergent demands of 5G applications. The main contributions of the thesis consist of three broad parts. The first is developing optimal and heuristic orchestration algorithms that improve demands’ performance and reliability in an edge computing environment. The second is using reinforcement learning to determine the appropriate spectral placement for demands within isolated optical paths, ensuring lower fragmentation and better throughput utilization. The third is developing a heuristic controlled transfer learning augmented reinforcement learning network slicing in an O-RAN environment. Hence, ensuring improved reliability while maintaining lower complexity than traditional placement techniques