Actors: The Ideal Abstraction for Programming Kernel-Based Concurrency

GPU and multicore hardware architectures are commonly used in many different application areas to accelerate problem solutions relative to single CPU architectures. The typical approach to accessing these hardware architectures requires embedding logic into the programming language used to construct the application; the two primary forms of embedding are: calls to API routines to access the concurrent functionality, or pragmas providing concurrency hints to a language compiler such that particular blocks of code are targeted to the concurrent functionality. The former approach is verbose and semantically bankrupt, while the success of the latter approach is restricted to simple, static uses of the functionality. Actor-based applications are constructed from independent, encapsulated actors that interact through strongly-typed channels. This paper presents a first attempt at using actors to program kernels targeted at such concurrent hardware. Besides the glove-like fit of a kernel to the actor abstraction, quantitative code analysis shows that actor-based kernels are always significantly simpler than API-based coding, and generally simpler than pragma-based coding. Additionally, performance measurements show that the overheads of actor-based kernels are commensurate to API-based kernels, and range from equivalent to vastly improved for pragma-based annotations, both for sample and real-world applications

Evaluating Cache Coherent Shared Virtual Memory for Heterogeneous Multicore Chips

The trend in industry is towards heterogeneous multicore processors (HMCs), including chips with CPUs and massively-threaded throughput-oriented processors (MTTOPs) such as GPUs. Although current homogeneous chips tightly couple the cores with cache-coherent shared virtual memory (CCSVM), this is not the communication paradigm used by any current HMC. In this paper, we present a CCSVM design for a CPU/MTTOP chip, as well as an extension of the pthreads programming model, called xthreads, for programming this HMC. Our goal is to evaluate the potential performance benefits of tightly coupling heterogeneous cores with CCSVM

FPGA Accelerators on Heterogeneous Systems: An Approach Using High Level Synthesis

La evolución de las FPGAs como dispositivos para el procesamiento con alta eficiencia energética y baja latencia de control, comparada con dispositivos como las CPUs y las GPUs, las han hecho atractivas en el ámbito de la computación de alto rendimiento (HPC).A pesar de las inumerables ventajas de las FPGAs, su inclusión en HPC presenta varios retos. El primero, la complejidad que supone la programación de las FPGAs comparada con dispositivos como las CPUs y las GPUs. Segundo, el tiempo de desarrollo es alto debido al proceso de síntesis del hardware. Y tercero, trabajar con más arquitecturas en HPC requiere el manejo y la sintonización de los detalles de cada dispositivo, lo que añade complejidad.Esta tesis aborda estos 3 problemas en diferentes niveles con el objetivo de mejorar y facilitar la adopción de las FPGAs usando la síntesis de alto nivel(HLS) en sistemas HPC.En un nivel próximo al hardware, en esta tesis se desarrolla un modelo analítico para las aplicaciones limitadas en memoria, que es una situación común en aplicaciones de HPC. El modelo, desarrollado para kernels programados usando HLS, puede predecir el tiempo de ejecución con alta precisión y buena adaptabilidad ante cambios en la tecnología de la memoria, como las DDR4 y HBM2, y en las variaciones en la frecuencia del kernel. Esta solución puede aumentar potencialmente la productividad de las personas que programan, reduciendo el tiempo de desarrollo y optimización de las aplicaciones.Entender los detalles de bajo nivel puede ser complejo para las programadoras promedio, y el desempeño de las aplicaciones para FPGA aún requiere un alto nivel en las habilidades de programación. Por ello, nuestra segunda propuesta está enfocada en la extensión de las bibliotecas con una propuesta para cómputo en visión artificial que sea portable entre diferentes fabricantes de FPGAs. La biblioteca se ha diseñado basada en templates, lo que permite una biblioteca que da flexibilidad a la generación del hardware y oculta decisiones de diseño críticas como la comunicación entre nodos, el modelo de concurrencia, y la integración de las aplicaciones en el sistema heterogéneo para facilitar el desarrollo de grafos de visión artificial que pueden ser complejos.Finalmente, en el runtime del host del sistema heterogéneo, hemos integrado la FPGA para usarla de forma trasparente como un dispositivo acelerador para la co-ejecución en sistemas heterogéneos. Hemos hecho una serie propuestas de altonivel de abstracción que abarca los mecanismos de sincronización y políticas de balanceo en un sistema altamente heterogéneo compuesto por una CPU, una GPU y una FPGA. Se presentan los principales retos que han inspirado esta investigación y los beneficios de la inclusión de una FPGA en rendimiento y energía.En conclusión, esta tesis contribuye a la adopción de las FPGAs para entornos HPC, aportando soluciones que ayudan a reducir el tiempo de desarrollo y mejoran el desempeño y la eficiencia energética del sistema.---------------------------------------------The emergence of FPGAs in the High-Performance Computing domain is arising thanks to their promise of better energy efficiency and low control latency, compared with other devices such as CPUs or GPUs.Albeit these benefits, their complete inclusion into HPC systems still faces several challenges. First, FPGA complexity means its programming more difficult compared to devices such as CPU and GPU. Second, the development time is longer due to the required synthesis effort. And third, working with multiple devices increments the details that should be managed and increase hardware complexity.This thesis tackles these 3 problems at different stack levels to improve and to make easier the adoption of FPGAs using High-Level Synthesis on HPC systems. At a close to the hardware level, this thesis contributes with a new analytical model for memory-bound applications, an usual situation for HPC applications. The model for HLS kernels can anticipate application performance before place and route, reducing the design development time. Our results show a high precision and adaptable model for external memory technologies such as DDR4 and HBM2, and kernel frequency changes. This solution potentially increases productivity, reducing application development time.Understanding low-level implementation details is difficult for average programmers, and the development of FPGA applications still requires high proficiency program- ming skills. For this reason, the second proposal is focused on the extension of a computer vision library to be portable among two of the main FPGA vendors. The template-based library allows hardware flexibility and hides design decisions such as the communication among nodes, the concurrency programming model, and the application’s integration in the heterogeneous system, to develop complex vision graphs easily.Finally, we have transparently integrated the FPGA in a high level framework for co-execution with other devices. We propose a set of high level abstractions covering synchronization mechanism and load balancing policies in a highly heterogeneous system with CPU, GPU, and FPGA devices. We present the main challenges that inspired this research and the benefits of the FPGA use demonstrating performance and energy improvements.<br /

Exploiting Hardware Abstraction for Parallel Programming Framework: Platform and Multitasking

With the help of the parallelism provided by the fine-grained architecture, hardware accelerators on Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) can significantly improve the performance of many applications. However, designers are required to have excellent hardware programming skills and unique optimization techniques to explore the potential of FPGA resources fully. Intermediate frameworks above hardware circuits are proposed to improve either performance or productivity by leveraging parallel programming models beyond the multi-core era. In this work, we propose the PolyPC (Polymorphic Parallel Computing) framework, which targets enhancing productivity without losing performance. It helps designers develop parallelized applications and implement them on FPGAs. The PolyPC framework implements a custom hardware platform, on which programs written in an OpenCL-like programming model can launch. Additionally, the PolyPC framework extends vendor-provided tools to provide a complete development environment including intermediate software framework, and automatic system builders. Designers\u27 programs can be either synthesized as hardware processing elements (PEs) or compiled to executable files running on software PEs. Benefiting from nontrivial features of re-loadable PEs, and independent group-level schedulers, the multitasking is enabled for both software and hardware PEs to improve the efficiency of utilizing hardware resources. The PolyPC framework is evaluated regarding performance, area efficiency, and multitasking. The results show a maximum 66 times speedup over a dual-core ARM processor and 1043 times speedup over a high-performance MicroBlaze with 125 times of area efficiency. It delivers a significant improvement in response time to high-priority tasks with the priority-aware scheduling. Overheads of multitasking are evaluated to analyze trade-offs. With the help of the design flow, the OpenCL application programs are converted into executables through the front-end source-to-source transformation and back-end synthesis/compilation to run on PEs, and the framework is generated from users\u27 specifications

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 $3\,s$

Supporting efficient overlapping of host-device operations for heterogeneous programming with CtrlEvents

Producción CientíficaHeterogeneous systems with several kinds of devices, such as multi-core CPUs, GPUs, FPGAs, among others, are now commonplace. Exploiting all these devices with device-oriented programming models, such as CUDA or OpenCL, requires expertise and knowledge about the underlying hardware to tailor the application to each specific device, thus degrading performance portability. Higher-level proposals simplify the programming of these devices, but their current implementations do not have an efficient support to solve problems that include frequent bursts of computation and communication, or input/output operations. In this work we present CtrlEvents, a new heterogeneous runtime solution which automatically overlaps computation and communication whenever possible, simplifying and improving the efficiency of data-dependency analysis and the coordination of both device computations and host tasks that include generic I/O operations. Our solution outperforms other state-of-the-art implementations for most situations, presenting a good balance between portability, programmability and efficiency.Ministerio de Ciencia e Innovación - FEDER (TIN2017-88614-R)Junta de Castilla y León (VA226P20)Ministerio de Ciencia e Innovación - AEI and European Union NextGenerationEU/PRTR (TED2021–130367B–I00 and MCIN/AEI/10.13039/501100011033