Pipelining the Fast Multipole Method over a Runtime System

Fast Multipole Methods (FMM) are a fundamental operation for the simulation of many physical problems. The high performance design of such methods usually requires to carefully tune the algorithm for both the targeted physics and the hardware. In this paper, we propose a new approach that achieves high performance across architectures. Our method consists of expressing the FMM algorithm as a task flow and employing a state-of-the-art runtime system, StarPU, in order to process the tasks on the different processing units. We carefully design the task flow, the mathematical operators, their Central Processing Unit (CPU) and Graphics Processing Unit (GPU) implementations, as well as scheduling schemes. We compute potentials and forces of 200 million particles in 48.7 seconds on a homogeneous 160 cores SGI Altix UV 100 and of 38 million particles in 13.34 seconds on a heterogeneous 12 cores Intel Nehalem processor enhanced with 3 Nvidia M2090 Fermi GPUs.Comment: No. RR-7981 (2012

Task-based Conjugate-Gradient for multi-GPUs platforms

Whereas most today parallel High Performance Computing (HPC) software is written as highly tuned code taking care of low-level details, the advent of the manycore area forces the community to consider modular programming paradigms and delegate part of the work to a third party software. That latter approach has been shown to be very productive and efficient with regular algorithms, such as dense linear algebra solvers. In this paper we show that such a model can be efficiently applied to a much more irregular and less compute intensive algorithm. We illustrate our discussion with the standard unpreconditioned Conjugate Gradient (CG) that we carefully express as a task-based algorithm. We use the StarPU runtime system to assess the efficiency of the approach on a computational platform consisting of three NVIDIA Fermi GPUs. We show that almost optimum speed up (up to 2.89) may be reached (relatively to a mono-GPU execution) when processing large matrices and that the performance is portable when changing the low-level memory transfer mechanism.andis que la plupart des logiciels de calcul haute performance (HPC) actuels sont des codes extrêmement optimisés en prenant en compte les détails de bas-niveau, l'avènement de l'ère manycore incite la communauté à considèrer des paradigmes de programmation mod- ulaires et ainsi déléguer une partie du travail à des librairies tierces. Cette dernière approche s'est avérée très productive et efficace dans le cas d'algorithmes réguliers, tels que ceux issus de l'algèbre linéaire dense. Dans ce papier, nous démontrons qu'un tel modèle peut être effi- cacement appliqué à un problème beaucoup plus irrégulier et moins intensif en calcul. Nous illustrons notre discussion avec l'algorithme standard du Gradient Conjugué (CG) non précon- ditionné que nous exprimons sous la forme d'un algorithme en graphe de tâches. Nous utilisons le moteur d'exécution StarPU pour évaluer l'efficacité de notre approche sur une plate-forme de calcul composée de trois accélérateurs graphiques (GPU) NVIDIA Fermi. Nous démontrons qu'une accroissement de performance (jusqu'à un facteur 2, 89) quasi optimal (relativement au cas mono-GPU) peut être atteinte lorsque sont traitées des matrices creuses de grande taille. Nous montrons de surcroît que la performance est portable quand les mécanismes de transfert mémoire bas-niveau sont changés

Task-based FMM for heterogeneous architectures

High performance \FMM is crucial for the numerical simulation of many physical problems. In a previous study~\cite{Agullo2013}, we have shown that task-based \FMM provides the flexibility required to process a wide spectrum of particle distributions efficiently on multicore architectures. In this paper, we now show how such an approach can be extended to fully exploit heterogeneous platforms. For that, we design highly tuned GPU versions of the two dominant operators (P2P and M2L) as well as a scheduling strategy that dynamically decides which proportion of subsequent tasks are processed on regular CPU cores and on GPU accelerators. We assess our method with the StarPU runtime system for executing the resulting task flow on an Intel X5650 Nehalem multicore processor possibly enhanced with one, two or three Nvidia Fermi M2070 or M2090 GPUs. A detailed experimental study on two 30 million particle distributions (a cube and an ellipsoid) shows that the resulting software consistently achieves high performance across architectures.Développer une méthode des Multipôles Rapide (FMM) à haute performance est cruciale pour des simulations numériques dans beaucoup de problèmes physiques. Dans une étude précédente~\cite{Agullo2013}, nous avons montré que l'utilisation d'un paradigme à base de tâches fournit la flexibilité nécessaire pour traiter efficacement un large spectre de distributions de particules sur des architectures homogènes. Dans ce document, nous montrons maintenant comment une telle approche peut être étendue pour exploiter toutes les unités de calculs (CPU et GPU) des machines hétérogènes. Pour cela, nous présentons une version optimisée pour GPU des deux opérateurs dominants (P2P et M2L) de la FMM ainsi qu'une stratégie d'ordonnancement qui décide dynamiquement quelle proportion de tâches est traitée par les cœurs CPU et par des accélérateurs GPU. Nous évaluons notre méthode avec le moteur d'exécution StarPU pour exécuter le flot de tâches résultant sur un processeur Intel X5650 Nehalem augmenté avec un, deux ou trois Nvidia Fermi M2070 ou M2090. Une étude expérimentale détaillée sur deux distributions de 30 millions de particules (un cube et un ellipsoïde) montre que nous obtenons des résultats performants sur cette architecture

Task-based FMM for heterogeneous architectures

International audienceHigh performance fast multipole method is crucial for the numerical simulation of many physical problems. In a previous study, we have shown that task-based fast multipole method provides the flexibility required to process a wide spectrum of particle distributions efficiently on multicore architectures. In this paper, we now show how such an approach can be extended to fully exploit heterogeneous platforms. For that, we design highly tuned graphics processing unit (GPU) versions of the two dominant operators P2P and M2L) as well as a scheduling strategy that dynamically decides which proportion of subsequent tasks is processed on regular CPU cores and on GPU accelerators. We assess our method with the StarPU runtime system for executing the resulting task flow on an Intel X5650 Nehalem multicore processor possibly enhanced with one, two, or three Nvidia Fermi M2070 or M2090 GPUs (Santa Clara, CA, USA). A detailed experimental study on two 30 million particle distributions (a cube and an ellipsoid) shows that the resulting software consistently achieves high performance across architectures

Sur la conception de solveurs linéaires hybrides pour les architectures parallèles modernes

In the context of this thesis, our focus is on numerical linear algebra, more precisely on solution of large sparse systems of linear equations. We focus on designing efficient parallel implementations of MaPHyS, an hybrid linear solver based on domain decomposition techniques. First we investigate the MPI+threads approach. In MaPHyS, the first level of parallelism arises from the independent treatment of the various subdomains. The second level is exploited thanks to the use of multi-threaded dense and sparse linear algebra kernels involved at the subdomain level. Such an hybrid implementation of an hybrid linear solver suitably matches the hierarchical structure of modern supercomputers and enables a trade-off between the numerical and parallel performances of the solver. We demonstrate the flexibility of our parallel implementation on a set of test examples. Secondly, we follow a more disruptive approach where the algorithms are described as sets of tasks with data inter-dependencies that leads to a directed acyclic graph (DAG) representation. The tasks are handled by a runtime system. We illustrate how a first task-based parallel implementation can be obtained by composing task-based parallel libraries within MPI processes throught a preliminary prototype implementation of our hybrid solver. We then show how a task-based approach fully abstracting the hardware architecture can successfully exploit a wide range of modern hardware architectures. We implemented a full task-based Conjugate Gradient algorithm and showed that the proposed approach leads to very high performance on multi-GPU, multicore and heterogeneous architectures.Dans le contexte de cette thèse, nous nous focalisons sur des algorithmes pour l’algèbre linéaire numérique, plus précisément sur la résolution de grands systèmes linéaires creux. Nous mettons au point des méthodes de parallélisation pour le solveur linéaire hybride MaPHyS. Premièrement nous considerons l'aproche MPI+threads. Dans MaPHyS, le premier niveau de parallélisme consiste au traitement indépendant des sous-domaines. Le second niveau est exploité grâce à l’utilisation de noyaux multithreadés denses et creux au sein des sous-domaines. Une telle implémentation correspond bien à la structure hiérarchique des supercalculateurs modernes et permet un compromis entre les performances numériques et parallèles du solveur. Nous démontrons la flexibilité de notre implémentation parallèle sur un ensemble de cas tests. Deuxièmement nous considérons un approche plus innovante, où les algorithmes sont décrits comme des ensembles de tâches avec des inter-dépendances, i.e., un graphe de tâches orienté sans cycle (DAG). Nous illustrons d’abord comment une première parallélisation à base de tâches peut être obtenue en composant des librairies à base de tâches au sein des processus MPI illustrer par un prototype d’implémentation préliminaire de notre solveur hybride. Nous montrons ensuite comment une approche à base de tâches abstrayant entièrement le matériel peut exploiter avec succès une large gamme d’architectures matérielles. À cet effet, nous avons implanté une version à base de tâches de l’algorithme du Gradient Conjugué et nous montrons que l’approche proposée permet d’atteindre une très haute performance sur des architectures multi-GPU, multicoeur ainsi qu’hétérogène