Compiler techniques for scalable performance of stream programs on multicore architectures

Thesis (Ph. D.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Electrical Engineering and Computer Science, 2010.Cataloged from PDF version of thesis.Includes bibliographical references (p. 211-222).Given the ubiquity of multicore processors, there is an acute need to enable the development of scalable parallel applications without unduly burdening programmers. Currently, programmers are asked not only to explicitly expose parallelism but also concern themselves with issues of granularity, load-balancing, synchronization, and communication. This thesis demonstrates that when algorithmic parallelism is expressed in the form of a stream program, a compiler can effectively and automatically manage the parallelism. Our compiler assumes responsibility for low-level architectural details, transforming implicit algorithmic parallelism into a mapping that achieves scalable parallel performance for a given multicore target. Stream programming is characterized by regular processing of sequences of data, and it is a natural expression of algorithms in the areas of audio, video, digital signal processing, networking, and encryption. Streaming computation is represented as a graph of independent computation nodes that communicate explicitly over data channels. Our techniques operate on contiguous regions of the stream graph where the input and output rates of the nodes are statically determinable. Within a static region, the compiler first automatically adjusts the granularity and then exploits data, task, and pipeline parallelism in a holistic fashion. We introduce techniques that data-parallelize nodes that operate on overlapping sliding windows of their input, translating serializing state into minimal and parametrized inter-core communication. Finally, for nodes that cannot be data-parallelized due to state, we are the first to automatically apply software-pipelining techniques at a coarse granularity to exploit pipeline parallelism between stateful nodes. Our framework is evaluated in the context of the StreamIt programming language. StreamIt is a high-level stream programming language that has been shown to improve programmer productivity in implementing streaming algorithms. We employ the StreamIt Core benchmark suite of 12 real-world applications to demonstrate the effectiveness of our techniques for varying multicore architectures. For a 16-core distributed memory multicore, we achieve a 14.9x mean speedup. For benchmarks that include sliding-window computation, our sliding-window data-parallelization techniques are required to enable scalable performance for a 16-core SMP multicore (14x mean speedup) and a 64-core distributed shared memory multicore (52x mean speedup).by Michael I. Gordon.Ph.D

Learning from Noisy Data in Statistical Machine Translation

In dieser Arbeit wurden Methoden entwickelt, die in der Lage sind die negativen Effekte von verrauschten Daten in SMT Systemen zu senken und dadurch die Leistung des Systems zu steigern. Hierbei wird das Problem in zwei verschiedenen Schritten des Lernprozesses behandelt: Bei der Vorverarbeitung und während der Modellierung. Bei der Vorverarbeitung werden zwei Methoden zur Verbesserung der statistischen Modelle durch die Erhöhung der Qualität von Trainingsdaten entwickelt. Bei der Modellierung werden verschiedene Möglichkeiten vorgestellt, um Daten nach ihrer Nützlichkeit zu gewichten. Zunächst wird der Effekt des Entfernens von False-Positives vom Parallel Corpus gezeigt. Ein Parallel Corpus besteht aus einem Text in zwei Sprachen, wobei jeder Satz einer Sprache mit dem entsprechenden Satz der anderen Sprache gepaart ist. Hierbei wird vorausgesetzt, dass die Anzahl der Sätzen in beiden Sprachversionen gleich ist. False-Positives in diesem Sinne sind Satzpaare, die im Parallel Corpus gepaart sind aber keine Übersetzung voneinander sind. Um diese zu erkennen wird ein kleiner und fehlerfreier paralleler Corpus (Clean Corpus) vorausgesetzt. Mit Hilfe verschiedenen lexikalischen Eigenschaften werden zuverlässig False-Positives vor der Modellierungsphase gefiltert. Eine wichtige lexikalische Eigenschaft hierbei ist das vom Clean Corpus erzeugte bilinguale Lexikon. In der Extraktion dieses bilingualen Lexikons werden verschiedene Heuristiken implementiert, die zu einer verbesserten Leistung führen. Danach betrachten wir das Problem vom Extrahieren der nützlichsten Teile der Trainingsdaten. Dabei ordnen wir die Daten basierend auf ihren Bezug zur Zieldomaine. Dies geschieht unter der Annahme der Existenz eines guten repräsentativen Tuning Datensatzes. Da solche Tuning Daten typischerweise beschränkte Größe haben, werden Wortähnlichkeiten benutzt um die Abdeckung der Tuning Daten zu erweitern. Die im vorherigen Schritt verwendeten Wortähnlichkeiten sind entscheidend für die Qualität des Verfahrens. Aus diesem Grund werden in der Arbeit verschiedene automatische Methoden zur Ermittlung von solche Wortähnlichkeiten ausgehend von monoligual und biligual Corpora vorgestellt. Interessanterweise ist dies auch bei beschränkten Daten möglich, indem auch monolinguale Daten, die in großen Mengen zur Verfügung stehen, zur Ermittlung der Wortähnlichkeit herangezogen werden. Bei bilingualen Daten, die häufig nur in beschränkter Größe zur Verfügung stehen, können auch weitere Sprachpaare herangezogen werden, die mindestens eine Sprache mit dem vorgegebenen Sprachpaar teilen. Im Modellierungsschritt behandeln wir das Problem mit verrauschten Daten, indem die Trainingsdaten anhand der Güte des Corpus gewichtet werden. Wir benutzen Statistik signifikante Messgrößen, um die weniger verlässlichen Sequenzen zu finden und ihre Gewichtung zu reduzieren. Ähnlich zu den vorherigen Ansätzen, werden Wortähnlichkeiten benutzt um das Problem bei begrenzten Daten zu behandeln. Ein weiteres Problem tritt allerdings auf sobald die absolute Häufigkeiten mit den gewichteten Häufigkeiten ersetzt werden. In dieser Arbeit werden hierfür Techniken zur Glättung der Wahrscheinlichkeiten in dieser Situation entwickelt. Die Größe der Trainingsdaten werden problematisch sobald man mit Corpora von erheblichem Volumen arbeitet. Hierbei treten zwei Hauptschwierigkeiten auf: Die Länge der Trainingszeit und der begrenzte Arbeitsspeicher. Für das Problem der Trainingszeit wird ein Algorithmus entwickelt, der die rechenaufwendigen Berechnungen auf mehrere Prozessoren mit gemeinsamem Speicher ausführt. Für das Speicherproblem werden speziale Datenstrukturen und Algorithmen für externe Speicher benutzt. Dies erlaubt ein effizientes Training von extrem großen Modellne in Hardware mit begrenztem Speicher

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

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

Proceedings of the First International Workshop on Sustainable Ultrascale Computing Systems (NESUS 2014): Porto, Portugal

Proceedings of: First International Workshop on Sustainable Ultrascale Computing Systems (NESUS 2014). Porto (Portugal), August 27-28, 2014

Investigating the behavior of deep convolution networks in image recognition

This research project investigates the role of key factors that led to the resurgence of deep CNNs and their success in classifying large datasets of natural images. Our investigation included the role of new network components, the role of the training data, and the role of data augmentation. Investigating the role of data augmentation led to the successful implementation of a deep CNN that can be trained using a variable input size, which increased the amount of allowable scale augmentation and led to much better single-view performance. Our analysis of the role of the training data shows the capabilities of deep CNNs to break down a large hierarchical dataset along the hierarchical lines into smaller components and learn all of them with great efficiency. This might help explain why deep CNN are very effective in classifying large and dense datasets of natural images which tend to have a hierarchical structure. Our investigation of core network components shows that the shared normalisation statistics of BN allowed us to alter the behaviour of the network by controlling the structure of the training batches. We used this observation to obtain large conditional gain by training and testing the network using balanced batches. Finally, we were able to implement a successful multitasking network that were able to outperform the corresponding single task networks. Our model used the normalisation statistics of BN to separate between the tasks, and our analysis shows that using a whole dataset per task increases the gains of the multitasking network by increasing the transfer of knowledge between the tasks.Open Acces