Autonomic behavioural framework for structural parallelism over heterogeneous multi-core systems.

With the continuous advancement in hardware technologies, significant research has been devoted to design and develop high-level parallel programming models that allow programmers to exploit the latest developments in heterogeneous multi-core/many-core architectures. Structural programming paradigms propose a viable solution for e ciently programming modern heterogeneous multi-core architectures equipped with one or more programmable Graphics Processing Units (GPUs). Applying structured programming paradigms, it is possible to subdivide a system into building blocks (modules, skids or components) that can be independently created and then used in di erent systems to derive multiple functionalities. Exploiting such systematic divisions, it is possible to address extra-functional features such as application performance, portability and resource utilisations from the component level in heterogeneous multi-core architecture. While the computing function of a building block can vary for di erent applications, the behaviour (semantic) of the block remains intact. Therefore, by understanding the behaviour of building blocks and their structural compositions in parallel patterns, the process of constructing and coordinating a structured application can be automated. In this thesis we have proposed Structural Composition and Interaction Protocol (SKIP) as a systematic methodology to exploit the structural programming paradigm (Building block approach in this case) for constructing a structured application and extracting/injecting information from/to the structured application. Using SKIP methodology, we have designed and developed Performance Enhancement Infrastructure (PEI) as a SKIP compliant autonomic behavioural framework to automatically coordinate structured parallel applications based on the extracted extra-functional properties related to the parallel computation patterns. We have used 15 di erent PEI-based applications (from large scale applications with heavy input workload that take hours to execute to small-scale applications which take seconds to execute) to evaluate PEI in terms of overhead and performance improvements. The experiments have been carried out on 3 di erent Heterogeneous (CPU/GPU) multi-core architectures (including one cluster machine with 4 symmetric nodes with one GPU per node and 2 single machines with one GPU per machine). Our results demonstrate that with less than 3% overhead, we can achieve up to one order of magnitude speed-up when using PEI for enhancing application performance

Automatic Performance Optimization on Heterogeneous Computer Systems using Manycore Coprocessors

Emerging computer architectures and advanced computing technologies, such as Intel’s Many Integrated Core (MIC) Architecture and graphics processing units (GPU), provide a promising solution to employ parallelism for achieving high performance, scalability and low power consumption. As a result, accelerators have become a crucial part in developing supercomputers. Accelerators usually equip with different types of cores and memory. It will compel application developers to reach challenging performance goals. The added complexity has led to the development of task-based runtime systems, which allow complex computations to be expressed as task graphs, and rely on scheduling algorithms to perform load balancing between all resources of the platforms. Developing good scheduling algorithms, even on a single node, and analyzing them can thus have a very high impact on the performance of current HPC systems. Load balancing strategies, at different levels, will be critical to obtain an effective usage of the heterogeneous hardware and to reduce the impact of communication on energy and performance. Implementing efficient load balancing algorithms, able to manage heterogeneous hardware, can be a challenging task, especially when a parallel programming model for distributed memory architecture. In this paper, we presents several novel runtime approaches to determine the optimal data and task partition on heterogeneous platforms, targeting the Intel Xeon Phi accelerated heterogeneous systems

Proceedings of the First PhD Symposium on Sustainable Ultrascale Computing Systems (NESUS PhD 2016)

Proceedings of the First PhD Symposium on Sustainable Ultrascale Computing Systems (NESUS PhD 2016) Timisoara, Romania. February 8-11, 2016.The PhD Symposium was a very good opportunity for the young researchers to share information and knowledge, to present their current research, and to discuss topics with other students in order to look for synergies and common research topics. The idea was very successful and the assessment made by the PhD Student was very good. It also helped to achieve one of the major goals of the NESUS Action: to establish an open European research network targeting sustainable solutions for ultrascale computing aiming at cross fertilization among HPC, large scale distributed systems, and big data management, training, contributing to glue disparate researchers working across different areas and provide a meeting ground for researchers in these separate areas to exchange ideas, to identify synergies, and to pursue common activities in research topics such as sustainable software solutions (applications and system software stack), data management, energy efficiency, and resilience.European Cooperation in Science and Technology. COS

A Model-based Design Framework for Application-specific Heterogeneous Systems

The increasing heterogeneity of computing systems enables higher performance and power efficiency. However, these improvements come at the cost of increasing the overall complexity of designing such systems. These complexities include constructing implementations for various types of processors, setting up and configuring communication protocols, and efficiently scheduling the computational work. The process for developing such systems is iterative and time consuming, with no well-defined performance goal. Current performance estimation approaches use source code implementations that require experienced developers and time to produce. We present a framework to aid in the design of heterogeneous systems and the performance tuning of applications. Our framework supports system construction: integrating custom hardware accelerators with existing cores into processors, integrating processors into cohesive systems, and mapping computations to processors to achieve overall application performance and efficient hardware usage. It also facilitates effective design space exploration using processor models (for both existing and future processors) that do not require source code implementations to estimate performance. We evaluate our framework using a variety of applications and implement them in systems ranging from low power embedded systems-on-chip (SoC) to high performance systems consisting of commercial-off-the-shelf (COTS) components. We show how the design process is improved, reducing the number of design iterations and unnecessary source code development ultimately leading to higher performing efficient systems

Parallel programming systems for scalable scientific computing

High-performance computing (HPC) systems are more powerful than ever before. However, this rise in performance brings with it greater complexity, presenting significant challenges for researchers who wish to use these systems for their scientific work. This dissertation explores the development of scalable programming solutions for scientific computing. These solutions aim to be effective across a diverse range of computing platforms, from personal desktops to advanced supercomputers.To better understand HPC systems, this dissertation begins with a literature review on exascale supercomputers, massive systems capable of performing 10¹⁸ floating-point operations per second. This review combines both manual and data-driven analyses, revealing that while traditional challenges of exascale computing have largely been addressed, issues like software complexity and data volume remain. Additionally, the dissertation introduces the open-source software tool (called LitStudy) developed for this research.Next, this dissertation introduces two novel programming systems. The first system (called Rocket) is designed to scale all-versus-all algorithms to massive datasets. It features a multi-level software-based cache, a divide-and-conquer approach, hierarchical work-stealing, and asynchronous processing to maximize data reuse, exploit data locality, dynamically balance workloads, and optimize resource utilization. The second system (called Lightning) aims to scale existing single-GPU kernel functions across multiple GPUs, even on different nodes, with minimal code adjustments. Results across eight benchmarks on up to 32 GPUs show excellent scalability.The dissertation concludes by proposing a set of design principles for developing parallel programming systems for scalable scientific computing. These principles, based on lessons from this PhD research, represent significant steps forward in enabling researchers to efficiently utilize HPC systems

Dynamic task scheduling and binding for many-core systems through stream rewriting

This thesis proposes a novel model of computation, called stream rewriting, for the specification and implementation of highly concurrent applications. Basically, the active tasks of an application and their dependencies are encoded as a token stream, which is iteratively modified by a set of rewriting rules at runtime. In order to estimate the performance and scalability of stream rewriting, a large number of experiments have been evaluated on many-core systems and the task management has been implemented in software and hardware.In dieser Dissertation wurde Stream Rewriting als eine neue Methode entwickelt, um Anwendungen mit einer großen Anzahl von dynamischen Tasks zu beschreiben und effizient zur Laufzeit verwalten zu können. Dabei werden die aktiven Tasks in einem Datenstrom verpackt, der zur Laufzeit durch wiederholtes Suchen und Ersetzen umgeschrieben wird. Um die Performance und Skalierbarkeit zu bestimmen, wurde eine Vielzahl von Experimenten mit Many-Core-Systemen durchgeführt und die Verwaltung von Tasks über Stream Rewriting in Software und Hardware implementiert

Unraveling Attacks in Machine Learning-based IoT Ecosystems: A Survey and the Open Libraries Behind Them

The advent of the Internet of Things (IoT) has brought forth an era of unprecedented connectivity, with an estimated 80 billion smart devices expected to be in operation by the end of 2025. These devices facilitate a multitude of smart applications, enhancing the quality of life and efficiency across various domains. Machine Learning (ML) serves as a crucial technology, not only for analyzing IoT-generated data but also for diverse applications within the IoT ecosystem. For instance, ML finds utility in IoT device recognition, anomaly detection, and even in uncovering malicious activities. This paper embarks on a comprehensive exploration of the security threats arising from ML's integration into various facets of IoT, spanning various attack types including membership inference, adversarial evasion, reconstruction, property inference, model extraction, and poisoning attacks. Unlike previous studies, our work offers a holistic perspective, categorizing threats based on criteria such as adversary models, attack targets, and key security attributes (confidentiality, availability, and integrity). We delve into the underlying techniques of ML attacks in IoT environment, providing a critical evaluation of their mechanisms and impacts. Furthermore, our research thoroughly assesses 65 libraries, both author-contributed and third-party, evaluating their role in safeguarding model and data privacy. We emphasize the availability and usability of these libraries, aiming to arm the community with the necessary tools to bolster their defenses against the evolving threat landscape. Through our comprehensive review and analysis, this paper seeks to contribute to the ongoing discourse on ML-based IoT security, offering valuable insights and practical solutions to secure ML models and data in the rapidly expanding field of artificial intelligence in IoT

Proactive Adaptation in Self-Organizing Task-based Runtime Systems for Different Computing Classes

Moderne Computersysteme bieten Anwendern und Anwendungsentwicklern ein hohes Maß an Parallelität und Heterogenität. Die effiziente Nutzung dieser Systeme erfordert jedoch tiefgreifende Kenntnisse, z.B. der darunterliegenden Hardware-Plattform und den notwendigen Programmiermodellen, und umfangreiche Arbeit des Entwicklers. In dieser Thesis bezieht sich die effiziente Nutzung auf die Gesamtausführungszeit der Anwendungen, den Energieverbrauch des Systems, die maximale Temperatur der Verarbeitungseinheiten und die Zuverlässigkeit des Systems. Neben den verschiedenen Optimierungszielen muss ein Anwendungsentwickler auch die spezifischen Einschränkungen und Randbedingungen des Systems berücksichtigen, wie z. B. Deadlines oder Sicherheitsgarantien, die mit bestimmten Anwendungsbereichen einhergehen. Diese Komplexität heterogener Systeme macht es unmöglich, alle potenziellen Systemzustände und Umwelteinflüsse, die zur Laufzeit auftreten können, vorherzusagen. Die System- und Anwendungsentwickler sind somit nicht in der Lage, zur Entwurfszeit festzulegen, wie das System und die Anwendungen in allen möglichen Situationen reagieren sollen. Daher ist es notwendig, die Systeme zur Laufzeit der aktuellen Situation anzupassen, um ihr Verhalten entsprechend zu optimieren. In eingebetteten Systemen mit begrenzten Kühlkapazitäten muss z.B. bei Erreichen einer bestimmten Temperaturschwelle eine Lastverteilung vorgenommen, die Frequenz verringert oder Verarbeitungseinheiten abgeschaltet werden, um die Wärmeentwicklung zu reduzieren. Normalerweise reicht es aber nicht aus, einfach nur auf einen ungünstigen Systemzustand zu reagieren. Das Ziel sollte darin bestehen, ungünstige oder fehlerhafte Systemzustände vor dem Auftreten zu vermeiden, um die Notwendigkeit des Aufrufs von Notfallfunktionen zu verringern und die Benutzerfreundlichkeit zu verbessern. Anstatt beispielsweise die Wärmeentwicklung durch eine Neuverteilung der Anwendungen zu reduzieren, könnten proaktive Mechanismen kritische Temperaturen bereits im Vorfeld vermeiden, indem sie bestimmte unkritische Aufgaben verzögern oder deren Genauigkeit oder QoS verringern. Auf diese Weise wird die Systemlast reduziert, bevor ein kritischer Punkt erreicht wird. Lösungen des aktuellen Stands der Technik wie einheitliche Programmiersprachen oder Laufzeitsysteme adressieren einige der oben genannten Herausforderungen, jedoch existiert kein Ansatz, der in der Lage ist, eine Optimierung mehrerer sich widersprechender Zielfunktionen dynamisch und vor allem proaktiv durchzuführen. Ein Konzept, das diese komplexe Aufgabe für den Entwickler übernimmt und eine Möglichkeit zur dynamischen und proaktiven Anpassung an Veränderungen bietet, ist die Selbstorganisation. Selbstorganisation ist jedoch definiert als ein Prozess ohne externe Kontrolle oder Steuerung. Im Kontext der Systemoptimierung kann dies leicht zu unerwünschten Ergebnissen führen. Ein Ansatz, der Selbstorganisation mit einem Kontrollmechanismus kombiniert, welcher auf Robustheit und Widerstandsfähigkeit gegenüber äußeren Störungen abzielt, ist Organic Computing. Das bestimmende Merkmal von Organic Computing ist eine Observer/Controller-Architektur. Das Konzept dieser Architektur besteht darin, den aktuellen Zustand des Systems und der Umgebung zu überwachen, diese Daten zu analysieren und auf der Grundlage dieser Analyse Entscheidungen über das zukünftige Systemverhalten zu treffen. Organic Computing ermöglicht es also auf der Grundlage der vergangenen und des aktuellen Zustands proaktiv Mechanismen auszuwählen und auszulösen, die das System optimieren und unerwünschte Zustände vermeiden. Um die Vorteile des Organic Computings auf moderne heterogene Systeme zu übertragen, kombiniere ich den Organic Computing-Ansatz mit einem Laufzeitsystem. Laufzeitsysteme sind ein vielversprechender Kandidat für die Umsetzung des Organic Computing-Ansatzes, da sie bereits die Ausführung von Anwendungen überwachen und steuern. Insbesondere betrachte und bearbeite ich in dieser Dissertation die folgenden Forschungsthemen, indem ich die Konzepte des Organic Computings und der Laufzeitsysteme kombiniere: • Erfassen des aktuellen Systemzustands durch Überwachung von Sensoren und Performance Countern • Vorhersage zukünftiger Systemzustände durch Analyse des vergangenen Verhaltens • Nutzung von Zustandsinformationen zur proaktiven Anpassung des Systems Ich erweitere das Thema der Erfassung von Systemzuständen auf zwei Arten. Zunächst führe ich eine neuartige heuristische Metrik zur Berechnung der Zuverlässigkeit einer Verarbeitungseinheit ein, die auf symptombasierter Fehlererkennung basiert. Symptombasierte Fehlererkennung ist eine leichtgewichtige Methode zur dynamischen Erkennung von soften Hardware-Fehlern durch Überwachung des Ausführungsverhaltens mit Performance Countern. Die dynamische Erkennung von Fehlern ermöglicht dann die Berechnung einer heuristischen Fehlerrate einer Verarbeitungseinheit in einem bestimmten Zeitfenster. Die Fehlerrate wird verwendet, um die Anzahl der erforderlichen Ausführungen einer Anwendung zu berechnen, um eine bestimmte Ergebniszuverlässigkeit, also eine Mindestwahrscheinlichkeit für ein korrektes Ergebnis, zu gewährleisten. Ein wichtiger Aspekt der Zustandserfassung ist die Minimierung des entstehenden Overheads. Ich verringere die Anzahl der für OpenMP-Tasks notwendigen Profiling-Durchläufe durch Thread-Interpolation und Überprüfungen des Skalierungsverhaltens. Zusätzlich untersuche ich die Vorhersage von OpenCL Task-Ausführungszeiten. Die Prädiktoren der Ausführungszeiten werden mit verschiedenen maschinellen Lernalgorithmen trainiert. Als Input werden Profile der Kernel verwendet, die durch statische Codeanalyse erstellt wurden. Um in dieser Dissertation zukünftige Systemzustände vorherzusagen, sollen Anwendungen vorausgesagt werden, die in naher Zukunft im System vorkommen werden. In Kombination mit der Ausführungsdatenbank ermöglicht dies die Schätzung der anstehenden Kosten, die das System zu bewältigen hat. In dieser Arbeit werden zwei Mechanismen zur Vorhersage von Anwendungen/Tasks entwickelt. Der erste Prädiktor zielt darauf ab, neue Instanzen unabhängiger Tasks vorherzusagen. Der zweite Mechanismus betrachtet Ausführungsmuster abhängiger Anwendungen und sagt auf dieser Grundlage zukünftig auftretende Anwendungen vorher. Beide Mechanismen verwenden eine Vorhersagetabelle, die auf Markov-Prädiktoren und dem Abgleich von Mustern basiert. In dieser Arbeit wird das Wissen, das durch die Systemüberwachung und die Vorhersage zukünftiger Anwendungen gewonnen wird, verwendet, um die Optimierungsziele des Systems proaktiv in Einklang zu bringen und zu gewichten. Dies geschieht durch eine Reihe von Regeln, die eine Systemzustandsbeschreibung, bestehend aus dem aktuellen Zustand, Vorhersagen und Randbedingungen bzw. Beschränkungen, auf einen Vektor aus Gewichten abbilden. Zum Erlernen der Regelmenge wird ein Extended Classifer System (XCS) eingesetzt. Das XCS ist in eine hierarchische Architektur eingebettet, die nach den Prinzipien des Organic Computing entworfen wurde. Eine wichtige Designentscheidung ist dabei die Auslagerung der Erstellung neuer Regeln an einen Offline-Algorithmus, der einen Simulator nutzt und parallel zum normalen Systemablauf ausgeführt wird. Dadurch wird sichergestellt, dass keine ungetesteten Regeln, deren Auswirkungen noch nicht bekannt sind, dem laufenden System hinzugefügt werden. Die sich daraus ergebenden Gewichte werden schließlich verwendet, um eine Bewertungsfunktion für List Scheduling-Algorithmen zu erstellen. Diese Dissertation erweitert das Forschungsgebiet der Scheduling-Algorithmen durch zwei Mechanismen für dynamisches Scheduling. Die erste Erweiterung konzentriert sich auf nicht sicherheitskritische Systeme, die Prioritäten verwenden, um die unterschiedliche Wichtigkeit von Tasks auszudrücken. Da statische Prioritäten in stark ausgelasteten Systemen zu Starvation führen können, habe ich einen dynamischen Ageing-Mechanismus entwickelt, der dazu in der Lage ist, die Prioritäten der Tasks entsprechend der aktuellen Auslastung und ihrer Wartezeiten anzupassen. Dadurch reduziert der Mechanismus die Gesamtlaufzeit über alle Tasks und die Wartezeit für Tasks mit niedrigerer Priorität. Noch ist eine große Anzahl von Anwendungen nicht dazu bereit, den hohen Grad an Parallelität zu nutzen, den moderne Computersysteme bieten. Ein Konzept, das versucht dieses Problem zu lösen, indem es mehrere verschiedene Prozesse auf demselben Rechenknoten zur Ausführung bringt, ist das Co-Scheduling. In dieser Dissertation stelle ich einen neuartigen Co-Scheduling-Mechanismus vor, welcher die Task-Schedules mehrerer Laufzeitsysteminstanzen optimiert, die auf demselben Rechenknoten ausgeführt werden. Um die notwendigen Informationen zwischen den Laufzeitsysteminstanzen zu teilen, speichert der Mechanismus die Daten in Shared Memory. Sobald ein Laufzeitsystem neue Tasks in das System einfügt, prüft der Mechanismus, ob die Berechnung eines neuen Schedules sinnvoll ist. Wird die Entscheidung getroffen, einen neuen Schedule zu berechnen, setzt der Mechanismus Simulated Annealing ein, um alle Tasks, die bisher noch nicht mit ihrer Ausführung begonnen haben, neu auf Ausführungseinheiten abzubilden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass diese Arbeit neuartige Mechanismen und Algorithmen sowie Erweiterungen zu verschiedenen Forschungsgebieten anbietet, um ein proaktives selbst-organisierendes System zu implementieren, das sich an neue und unbekannte Situationen anpassen kann. Dabei wird die Komplexität für Benutzer und Anwendungsentwickler reduziert, indem die Entscheidungsfindung in das System selbst ausgelagert wird. Gleichzeitig sorgt dieser Ansatz für eine effiziente Nutzung der Ressourcen des Systems. Insgesamt leistet diese Arbeit die folgenden Beiträge zur Erweiterung des Stands der Forschung: • Einführung einer neuartigen heuristischen Metrik zur Messung der Zuverlässigkeit von Verarbeitungseinheiten. Die Metrik basiert auf einer leichtgewichtigen Methode zur Fehlererkennung, genannt symptombasierte Fehlererkennung. Mit der symptombasierten Fehlererkennung ist es möglich, mehrere injizierte Fehlerklassen und Interferenzen, die Soft-Hardware-Fehler simulieren, sowohl auf einer CPU als auch auf einer GPU zuverlässig zu erkennen. Darüber hinaus werden diese Ergebnisse durch Welch\u27s t-Test statistisch bestätigt. • Vorschlag eines Vorhersagemodells für die Ausführungszeit von OpenCL Kerneln, das auf statischer Code-Analyse basiert. Das Modell ist in der Lage, die schnellste Verarbeitungseinheit aus einer Menge von Verarbeitungseinheiten mit einer Genauigkeit von im schlechtesten Fall $69\,\%$ auszuwählen. Zum Vergleich: eine Referenzvariante, welche immer den Prozessor vorhersagt, der die meisten Kernel am schnellsten ausführt, erzielt eine Genauigkeit von $25\,\%$. Im besten Fall erreicht das Modell eine Genauigkeit von bis zu $83\,\%$. • Bereitstellung von zwei Prädiktoren für kommende Tasks/Anwendungen. Der erste Mechanismus betrachtet unabhängige Tasks, die ständig neue Task-Instanzen erstellen, der zweite abhängige Anwendungen, die Ausführungsmuster bilden. Dabei erzielt der erste Mechanismus bei der Vorhersage der Zeitspanne zwischen zwei aufeinanderfolgenden Task-Instanzen einen maximalen\\ $sMAPE$-Wert von $4,33\,\%$ für sporadische und $0,002 \,\%$ für periodische Tasks. Darüber hinaus werden Tasks mit einem aperiodischen Ausführungsschema zuverlässig erkannt. Der zweite Mechanismus erreicht eine Genauigkeit von $77,6 \,\%$ für die Vorhersage der nächsten anstehenden Anwendung und deren Startzeit. • Einführung einer Umsetzung eines hierarchischen Organic Computing Frameworks mit dem Anwendungsgebiet Task-Scheduling. Dieses Framework enthält u.a. ein modifiziertes XCS, für dessen Design und Implementierung ein neuartiger Reward-Mechanismus entwickelt wird. Der Mechanismus bedient sich dabei eines speziell für diesen Zweck entwickelten Simulators zur Berechnung von Task-Ausführungskosten. Das XCS bildet Beschreibungen des Systemzustands auf Gewichte zur Balancierung der Optimierungsziele des Systems ab. Diese Gewichte werden in einer Bewertungsfunktion für List Scheduling-Algorithmen verwendet. Damit wird in einem Evaluationsszenario, welches aus einem fünfmal wiederholten Muster aus Anwendungen besteht, eine Reduzierung der Gesamtlaufzeit um $10,4\,\%$ bzw. $26,7\,s$, des Energieverbrauchs um $4,7\,\%$ bzw. $2061,1\,J$ und der maximalen Temperatur der GPU um $3,6\,\%$ bzw. $2,7 K$ erzielt. Lediglich die maximale Temperatur über alle CPU-Kerne erhöht sich um $6\,\%$ bzw. $2,3\,K$. • Entwicklung von zwei Erweiterungen zur Verbesserung des dynamischen Task-Schedulings für einzelne und mehrere Prozesse, z.B. mehrere Laufzeitsysteminstanzen. Der erste Mechanismus, ein Ageing-Algorithmus, betrachtet nicht sicherheitskritische Systeme, welche Task-Prioritäten verwenden, um die unterschiedliche Bedeutung von Anwendungen darzustellen. Da es in solchen Anwendungsszenarien in Kombination mit hoher Systemauslastung zu Starvation kommen kann, passt der Mechanismus die Task-Prioritäten dynamisch an die aktuelle Auslastung und die Task-Wartezeiten an. Insgesamt erreicht dieser Mechanismus in zwei Bewertungsszenarien eine durchschnittliche Laufzeitverbesserung von $3,75\,\%$ und $3,16\,\%$ bei gleichzeitiger Reduzierung der Durchlaufzeit von Tasks mit niedrigerer Priorität um bis zu $25,67\,\%$. Der zweite Mechanismus ermöglicht die Optimierung von Schedules mehrerer Laufzeitsysteminstanzen, die parallel auf demselben Rechenknoten ausgeführt werden. Dieser Co-Scheduling-Ansatz verwendet Shared Memory zum Austausch von Informationen zwischen den Prozessen und Simulated Annealing zur Berechnung neuer Task-Schedules. In zwei Evaluierungsszenarien erzielt der Mechanismus durchschnittliche Laufzeitverbesserungen von $19,74\,\%$ und $20,91\,\%$ bzw. etwa $2,7\,s$ und $3\,s$