Emulating and evaluating hybrid memory for managed languages on NUMA hardware

Non-volatile memory (NVM) has the potential to become a mainstream memory technology and challenge DRAM. Researchers evaluating the speed, endurance, and abstractions of hybrid memories with DRAM and NVM typically use simulation, making it easy to evaluate the impact of different hardware technologies and parameters. Simulation is, however, extremely slow, limiting the applications and datasets in the evaluation. Simulation also precludes critical workloads, especially those written in managed languages such as Java and C#. Good methodology embraces a variety of techniques for evaluating new ideas, expanding the experimental scope, and uncovering new insights. This paper introduces a platform to emulate hybrid memory for managed languages using commodity NUMA servers. Emulation complements simulation but offers richer software experimentation. We use a thread-local socket to emulate DRAM and a remote socket to emulate NVM. We use standard C library routines to allocate heap memory on the DRAM and NVM sockets for use with explicit memory management or garbage collection. We evaluate the emulator using various configurations of write-rationing garbage collectors that improve NVM lifetimes by limiting writes to NVM, using 15 applications and various datasets and workload configurations. We show emulation and simulation confirm each other's trends in terms of writes to NVM for different software configurations, increasing our confidence in predicting future system effects. Emulation brings novel insights, such as the non-linear effects of multi-programmed workloads on NVM writes, and that Java applications write significantly more than their C++ equivalents. We make our software infrastructure publicly available to advance the evaluation of novel memory management schemes on hybrid memories

A fault-tolerant last level cache for CMPs operating at ultra-low voltage

Voltage scaling to values near the threshold voltage is a promising technique to hold off the many-core power wall. However, as voltage decreases, some SRAM cells are unable to operate reliably and show a behavior consistent with a hard fault. Block disabling is a micro-architectural technique that allows low-voltage operation by deactivating faulty cache entries, at the expense of reducing the effective cache capacity. In the case of the last-level cache, this capacity reduction leads to an increase in off-chip memory accesses, diminishing the overall energy benefit of reducing the voltage supply. In this work, we exploit the reuse locality and the intrinsic redundancy of multi-level inclusive hierarchies to enhance the performance of block disabling with negligible cost. The proposed fault-aware last-level cache management policy maps critical blocks, those not present in private caches and with a higher probability of being reused, to active cache entries. Our evaluation shows that this fault-aware management results in up to 37.3% and 54.2% fewer misses per kilo instruction (MPKI) than block disabling for multiprogrammed and parallel workloads, respectively. This translates to performance enhancements of up to 13% and 34.6% for multiprogrammed and parallel workloads, respectively.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Enabling preemptive multiprogramming on GPUs

GPUs are being increasingly adopted as compute accelerators in many domains, spanning environments from mobile systems to cloud computing. These systems are usually running multiple applications, from one or several users. However GPUs do not provide the support for resource sharing traditionally expected in these scenarios. Thus, such systems are unable to provide key multiprogrammed workload requirements, such as responsiveness, fairness or quality of service. In this paper, we propose a set of hardware extensions that allow GPUs to efficiently support multiprogrammed GPU workloads. We argue for preemptive multitasking and design two preemption mechanisms that can be used to implement GPU scheduling policies. We extend the architecture to allow concurrent execution of GPU kernels from different user processes and implement a scheduling policy that dynamically distributes the GPU cores among concurrently running kernels, according to their priorities. We extend the NVIDIA GK110 (Kepler) like GPU architecture with our proposals and evaluate them on a set of multiprogrammed workloads with up to eight concurrent processes. Our proposals improve execution time of high-priority processes by 15.6x, the average application turnaround time between 1.5x to 2x, and system fairness up to 3.4x.We would like to thank the anonymous reviewers, Alexan- der Veidenbaum, Carlos Villavieja, Lluis Vilanova, Lluc Al- varez, and Marc Jorda on their comments and help improving our work and this paper. This work is supported by Euro- pean Commission through TERAFLUX (FP7-249013), Mont- Blanc (FP7-288777), and RoMoL (GA-321253) projects, NVIDIA through the CUDA Center of Excellence program, Spanish Government through Programa Severo Ochoa (SEV-2011-0067) and Spanish Ministry of Science and Technology through TIN2007-60625 and TIN2012-34557 projects.Peer ReviewedPostprint (author’s final draft

Parallel I/O scheduling in the presence of data duplication on multiprogrammed cluster computing systems

The widespread adoption of cluster computing as a high performance computing platform has seen the growth of data intensive scientific, engineering and commercial applications such as digital libraries, climate modeling, computational chemistry, computational fluid dynamics and image repositories. However, I/O subsystem performance has not been keeping pace with processor and memory performance, and is fast becoming the dominant factor in overall system performance.&nbsp; Thus, parallel I/O has become a necessity in the face of performance improvements in other areas of computing systems. This paper addresses the problem of parallel I/O scheduling on cluster computing systems in the presence of data replication.&nbsp; We propose two new I/O scheduling algorithms and evaluate the relative performance of the proposed policies against two existing approaches.&nbsp; Simulation results show that the proposed policies perform substantially better than the baseline policies.<br /

Adaptive memory hierarchies for next generation tiled microarchitectures

Les últimes dècades el rendiment dels processadors i de les memòries ha millorat a diferent ritme, limitant el rendiment dels processadors i creant el conegut memory gap. Sol·lucionar aquesta diferència de rendiment és un camp d'investigació d'actualitat i que requereix de noves sol·lucions. Una sol·lució a aquest problema són les memòries “cache”, que permeten reduïr l'impacte d'unes latències de memòria creixents i que conformen la jerarquia de memòria. La majoria de d'organitzacions de les “caches” estan dissenyades per a uniprocessadors o multiprcessadors tradicionals. Avui en dia, però, el creixent nombre de transistors disponible per xip ha permès l'aparició de xips multiprocessador (CMPs). Aquests xips tenen diferents propietats i limitacions i per tant requereixen de jerarquies de memòria específiques per tal de gestionar eficientment els recursos disponibles. En aquesta tesi ens hem centrat en millorar el rendiment i la eficiència energètica de la jerarquia de memòria per CMPs, des de les “caches” fins als controladors de memòria. A la primera part d'aquesta tesi, s'han estudiat organitzacions tradicionals per les “caches” com les privades o compartides i s'ha pogut constatar que, tot i que funcionen bé per a algunes aplicacions, un sistema que s'ajustés dinàmicament seria més eficient. Tècniques com el Cooperative Caching (CC) combinen els avantatges de les dues tècniques però requereixen un mecanisme centralitzat de coherència que té un consum energètic molt elevat. És per això que en aquesta tesi es proposa el Distributed Cooperative Caching (DCC), un mecanisme que proporciona coherència en CMPs i aplica el concepte del cooperative caching de forma distribuïda. Mitjançant l'ús de directoris distribuïts s'obté una sol·lució més escalable i que, a més, disposa d'un mecanisme de marcatge més flexible i eficient energèticament. A la segona part, es demostra que les aplicacions fan diferents usos de la “cache” i que si es realitza una distribució de recursos eficient es poden aprofitar els que estan infrautilitzats. Es proposa l'Elastic Cooperative Caching (ElasticCC), una organització capaç de redistribuïr la memòria “cache” dinàmicament segons els requeriments de cada aplicació. Una de les contribucions més importants d'aquesta tècnica és que la reconfiguració es decideix completament a través del maquinari i que tots els mecanismes utilitzats es basen en estructures distribuïdes, permetent una millor escalabilitat. ElasticCC no només és capaç de reparticionar les “caches” segons els requeriments de cada aplicació, sinó que, a més a més, és capaç d'adaptar-se a les diferents fases d'execució de cada una d'elles. La nostra avaluació també demostra que la reconfiguració dinàmica de l'ElasticCC és tant eficient que gairebé proporciona la mateixa taxa de fallades que una configuració amb el doble de memòria.Finalment, la tesi es centra en l'estudi del comportament de les memòries DRAM i els seus controladors en els CMPs. Es demostra que, tot i que els controladors tradicionals funcionen eficientment per uniprocessadors, en CMPs els diferents patrons d'accés obliguen a repensar com estan dissenyats aquests sistemes. S'han presentat múltiples sol·lucions per CMPs però totes elles es veuen limitades per un compromís entre el rendiment global i l'equitat en l'assignació de recursos. En aquesta tesi es proposen els Thread Row Buffers (TRBs), una zona d'emmagatenament extra a les memòries DRAM que permetria guardar files de dades específiques per a cada aplicació. Aquest mecanisme permet proporcionar un accés equitatiu a la memòria sense perjudicar el seu rendiment global. En resum, en aquesta tesi es presenten noves organitzacions per la jerarquia de memòria dels CMPs centrades en la escalabilitat i adaptativitat als requeriments de les aplicacions. Els resultats presentats demostren que les tècniques proposades proporcionen un millor rendiment i eficiència energètica que les millors tècniques existents fins a l'actualitat.Processor performance and memory performance have improved at different rates during the last decades, limiting processor performance and creating the well known "memory gap". Solving this performance difference is an important research field and new solutions must be proposed in order to have better processors in the future. Several solutions exist, such as caches, that reduce the impact of longer memory accesses and conform the system memory hierarchy. However, most of the existing memory hierarchy organizations were designed for single processors or traditional multiprocessors. Nowadays, the increasing number of available transistors has allowed the apparition of chip multiprocessors, which have different constraints and require new ad-hoc memory systems able to efficiently manage memory resources. Therefore, in this thesis we have focused on improving the performance and energy efficiency of the memory hierarchy of chip multiprocessors, ranging from caches to DRAM memories. In the first part of this thesis we have studied traditional cache organizations such as shared or private caches and we have seen that they behave well only for some applications and that an adaptive system would be desirable. State-of-the-art techniques such as Cooperative Caching (CC) take advantage of the benefits of both worlds. This technique, however, requires the usage of a centralized coherence structure and has a high energy consumption. Therefore we propose the Distributed Cooperative Caching (DCC), a mechanism to provide coherence to chip multiprocessors and apply the concept of cooperative caching in a distributed way. Through the usage of distributed directories we obtain a more scalable solution and, in addition, has a more flexible and energy-efficient tag allocation method. We also show that applications make different uses of cache and that an efficient allocation can take advantage of unused resources. We propose Elastic Cooperative Caching (ElasticCC), an adaptive cache organization able to redistribute cache resources dynamically depending on application requirements. One of the most important contributions of this technique is that adaptivity is fully managed by hardware and that all repartitioning mechanisms are based on distributed structures, allowing a better scalability. ElasticCC not only is able to repartition cache sizes to application requirements, but also is able to dynamically adapt to the different execution phases of each thread. Our experimental evaluation also has shown that the cache partitioning provided by ElasticCC is efficient and is almost able to match the off-chip miss rate of a configuration that doubles the cache space. Finally, we focus in the behavior of DRAM memories and memory controllers in chip multiprocessors. Although traditional memory schedulers work well for uniprocessors, we show that new access patterns advocate for a redesign of some parts of DRAM memories. Several organizations exist for multiprocessor DRAM schedulers, however, all of them must trade-off between memory throughput and fairness. We propose Thread Row Buffers, an extended storage area in DRAM memories able to store a data row for each thread. This mechanism enables a fair memory access scheduling without hurting memory throughput. Overall, in this thesis we present new organizations for the memory hierarchy of chip multiprocessors which focus on the scalability and of the proposed structures and adaptivity to application behavior. Results show that the presented techniques provide a better performance and energy-efficiency than existing state-of-the-art solutions

Exploiting Natural On-chip Redundancy for Energy Efficient Memory and Computing

Power density is currently the primary design constraint across most computing segments and the main performance limiting factor. For years, industry has kept power density constant, while increasing frequency, lowering transistors supply (Vdd) and threshold (Vth) voltages. However, Vth scaling has stopped because leakage current is exponentially related to it. Transistor count and integration density keep doubling every process generation (Moore’s Law), but the power budget caps the amount of hardware that can be active at the same time, leading to dark silicon. With each new generation, there are more resources available, but we cannot fully exploit their performance potential. In the last years, different research trends have explored how to cope with dark silicon and unlock the energy efficiency of the chips, including Near-Threshold voltage Computing (NTC) and approximate computing. NTC aggressively lowers Vdd to values near Vth. This allows a substantial reduction in power, as dynamic power scales quadratically with supply voltage. The resultant power reduction could be used to activate more chip resources and potentially achieve performance improvements. Unfortunately, Vdd scaling is limited by the tight functionality margins of on-chip SRAM transistors. When scaling Vdd down to values near-threshold, manufacture-induced parameter variations affect the functionality of SRAM cells, which eventually become not reliable. A large amount of emerging applications, on the other hand, features an intrinsic error-resilience property, tolerating a certain amount of noise. In this context, approximate computing takes advantage of this observation and exploits the gap between the level of accuracy required by the application and the level of accuracy given by the computation, providing that reducing the accuracy translates into an energy gain. However, deciding which instructions and data and which techniques are best suited for approximation still poses a major challenge. This dissertation contributes in these two directions. First, it proposes a new approach to mitigate the impact of SRAM failures due to parameter variation for effective operation at ultra-low voltages. We identify two levels of natural on-chip redundancy: cache level and content level. The first arises because of the replication of blocks in multi-level cache hierarchies. We exploit this redundancy with a cache management policy that allocates blocks to entries taking into account the nature of the cache entry and the use pattern of the block. This policy obtains performance improvements between 2% and 34%, with respect to block disabling, a technique with similar complexity, incurring no additional storage overhead. The latter (content level redundancy) arises because of the redundancy of data in real world applications. We exploit this redundancy compressing cache blocks to fit them in partially functional cache entries. At the cost of a slight overhead increase, we can obtain performance within 2% of that obtained when the cache is built with fault-free cells, even if more than 90% of the cache entries have at least a faulty cell. Then, we analyze how the intrinsic noise tolerance of emerging applications can be exploited to design an approximate Instruction Set Architecture (ISA). Exploiting the ISA redundancy, we explore a set of techniques to approximate the execution of instructions across a set of emerging applications, pointing out the potential of reducing the complexity of the ISA, and the trade-offs of the approach. In a proof-of-concept implementation, the ISA is shrunk in two dimensions: Breadth (i.e., simplifying instructions) and Depth (i.e., dropping instructions). This proof-of-concept shows that energy can be reduced on average 20.6% at around 14.9% accuracy loss

Improving the SLLC Efficiency by exploiting reuse locality and adjusting prefetch

Desde los teléfonos móviles inteligentes hasta nuestro ordenador portátil los sistemas electrónicos que incluyen chips multiprocesador (CMP) están presentes en nuestra vida cotidiana de una manera abrumadora. Los CMPs contienen varios núcleos o CPUs que tienen que ser alimentados con datos provenientes de la memoria. Pero la velocidad a la que los núcleos que forman el CMP necesitan los datos es mucho mayor que la velocidad a la que la memoria es capaz de proporcionar dichos datos. De hecho, esta diferencia ha ido aumentando desde prácticamente el día en el que ambos dispositivos fueron concebidos. Esta diferencia en el rendimiento de ambos dispositivos se ha venido a llamar "the memory gap". Al mismo tiempo que dicha diferencia aumentaba, los lenguajes de programación proporcionaban a los programadores modelos de memoria que podían acceder a un espacio prácticamente infinito y al que, además, se accedía de manera instantánea. Pero el tamaño de cualquier estructura hardware está íntimamente relacionado con su tiempo de acceso y éste será mayor cuanto mayor sea el tamaño la estructura hardware a acceder. Con el ánimo de deshacer esta aparente contradicción, los arquitectos de computadores incluyeron memorias intermedias entre las CPUs y la grande, aunque al mismo tiempo lenta, memoria principal. Estas memorias intermedias se denominan memorias cache o simplemente caches. Debido a la gran diferencia que existe entre la velocidad del procesador y la de la memoria principal. Los CMPs en la actualidad están provistos de una jerarquía de memorias cache que tiene dos o tres niveles. Las caches que están cerca del procesador sólo contienen unos pocos kilobytes (entre 4 y 64) accesibles en uno o pocos ciclos de reloj, mientras que las que se encuentran más alejadas del procesador pueden llegar a contener varios megabytes y tener un tiempo de acceso de varias decenas de ciclos. Los programas al ser ejecutados muestran una propiedad llamada localidad que se expresa en los ejes espacial y temporal. La localidad temporal es la propiedad que dice que el programa volverá a usar datos que usó recientemente, cuanto más recientemente los usó, más probable es que vuelva a hacerlo. Mientras que la localidad espacial es la propiedad que dice que el programa tenderá a usar datos que están próximos en el espacio de memoria a datos que usó recientemente. Las memorias cache han sido diseñadas tradicionalmente para explotar la localidad. En concreto, la localidad temporal se explotaba mediante una adecuada política de reemplazo, mientras que la localidad espacial se explota al contener cada bloque de cache varios datos o palabras. Un modo adicional de conseguir explotar una mayor cantidad de localidad espacial es mediante el uso de la técnica llamada prebúsqueda. La política de reemplazo influye de manera crítica en la tasa de aciertos de la memoria cache. En un CMP provisto de una jerarquía de memorias cache, la localidad temporal se explota en aquellos niveles más cercanos a los núcleos. Así que muchos de los bloques insertados en la SLLC son de un solo uso, es decir, estos bloques no experimentarán ningún acierto más durante todo el tiempo que permanezcan en la SLLC. Sin embargo, aquellos bloques que lleguen a experimentar un acierto en la SLLC, normalmente experimentarán muchos más aciertos. Por lo tanto, que la política de reemplazo base sus decisiones en la posible explotación de la localidad temporal, es una asunción inválida cuando hablamos de la SLLC. Por el contrario, Este comportamiento indica que dicha política de reemplazo de la SLLC debería estar basada en el reúso1 en lugar de en la localidad temporal. La prebúsqueda hardware tiene por objetivo cargar en la cache datos antes de que sea el procesador quien los pida. La validez de esta técnica a la hora de reducir la latencia media de acceso a memoria ha sido ampliamente demostrada. La prebúsqueda funciona especialmente bien en las jerarquías de memoria de sistemas monoprocesador, donde solamente hay un flujo de datos entre el procesador y la memoria. Sin embargo, cuando la prebúsqueda se usa en un sistema multiprocesador donde diferentes aplicaciones se están ejecutando al mismo tiempo, las prebúsquedas asociadas a un núcleo podrían interferir con los datos cargados en la cache por otro núcleo, provocando la eliminación de los contenidos de otra aplicación y dañando su rendimiento. Es necesario por tanto un mecanismo para regular la prebúsqueda asociada a cada uno de los núcleos. Este mecanismo debería tener por objetivo el mejorar el rendimiento general del sistema. 1 Aunque el DRAE no contenga su definición, usaremos aquí el verbo reusar (así como sus formas derivadas) como sinónimo de volver a utilizar. Cada fallo en la SLLC provoca un acceso a la memoria principal que se encuentra fuera del chip. Además la memoria principal está hecha de chips de DRAM. Ambos factores incrementan su latencia de acceso, latencia que se suma a cada uno de los accesos que falla en la SLLC, penalizando a la vez la latencia media de acceso a memoria. Por lo tanto, la tasa de aciertos de la SLLC es un factor crítico para lograr una latencia media de acceso a memoria óptima. Esta tesis fija su atención en la eficiencia de los dos aspectos comentados con anterioridad: la eficiencia de la prebúsqueda y la eficiencia de la política de reemplazo. Las contribuciones principales de esta tesis son las siguientes: 1) Enunciamos una propiedad llamada localidad de reúso que dice que i) los bloques de cache que hayan sido usados más de una vez tienen una alta probabilidad de ser usados muchas veces en el futuro. ii) Los bloques de cache recientemente reusados son más útiles que otros reúsados previamente. Defendemos en esta tesis que el patrón de acceso a la SLLC muestra localidad de reúso. 2) En esta tesis se proponen dos algoritmos de reemplazo capaces de explotar la localidad de reúso, Least-recently reused (LRR) y Not-recently reused (NRR). Estos dos nuevos algoritmos son modificaciones de otros dos muy bien conocidos: Least-recently used (LRU) y Not-recently used (NRU). Dichos algoritmos fueron diseñados para explotar la localidad temporal, mientras que los nuestros explotan la local- idad de reúso. Las modificaciones propuestas no suponen ninguna sobrecarga hardware respecto a los algoritmos base. Durante esta tesis se muestra que nuestros algoritmos mejoran consistentemente el rendimiento de los originales. 3) Proponemos un novedoso diseño para la SLLC llamado Reuse Cache. En este diseño los arrays de etiquetas y datos de la cache están desacoplados. Solamente se almacenan en el array de datos aquellos bloques que hayan mostrado reúso. El array de etiquetas se usa para detectar reúso y mantener la coherencia. Esta estructura permite reducir el tamaño del array de datos de manera drástica. Como ejemplo, una Reuse Cache con un array de etiquetas equivalente al de una cache convencional de 4MB y un array de datos de 1MB, tiene el mismo rendimiento medio que una cache convencional de 8MB, pero con un ahorro de almacenamiento de en torno al 84%. 4) Un controlador de bajo coste llamado ABS capaz de ajustar la agresividad de la prebúsqueda asociada a cada uno de los núcleos de un CMP pero con el ánimo de mejorar el rendimiento general del sistema. El controlador funciona de manera aislada en cada uno de los bancos de la SLLC y recoge métricas locales. Para optimizar el rendimiento global del sistema busca la combinación óptima de valores de la agresividad de prebúsqueda. Para inferir cuál es esa combinación óptima usa una estrategia de búsqueda hill-climbing

Method for resource control in parallel environments using program organization and run-time support

A system and method for dynamic scheduling and allocation of resources to parallel applications during the course of their execution. By establishing well-defined interactions between an executing job and the parallel system, the system and method support dynamic reconfiguration of processor partitions, dynamic distribution and redistribution of data, communication among cooperating applications, and various other monitoring actions. The interactions occur only at specific points in the execution of the program where the aforementioned operations can be performed efficiently