Adapting the Polyhedral Model as a Framework for Efficient Speculative Parallelization

International audienceIn this paper, we present a Thread-Level Speculation (TLS) framework whose main feature is to be able to speculatively parallelize a sequential loop nest in various ways, by re-scheduling its iterations. The transformation to be applied is selected at runtime with the goal of minimizing the number of rollbacks and maximizing performance. We perform code transformations by applying the polyhedral model that we adapted for speculative and runtime code parallelization. For this purpose, we designed a parallel code pattern which is patched by our runtime system according to the profiling information collected on some execution samples. Adaptability is ensured by considering chunks of code of various sizes, that are launched successively, each of which being parallelized in a different manner, or run sequentially, depending on the currently observed behavior for accessing memory

Runtime-adaptive generalized task parallelism

Multi core systems are ubiquitous nowadays and their number is ever increasing. And while, limited by physical constraints, the computational power of the individual cores has been stagnating or even declining for years, a solution to effectively utilize the computational power that comes with the additional cores is yet to be found. Existing approaches to automatic parallelization are often highly specialized to exploit the parallelism of specific program patterns, and thus to parallelize a small subset of programs only. In addition, frequently used invasive runtime systems prohibit the combination of different approaches, which impedes the practicality of automatic parallelization. In the following thesis, we show that specializing to narrowly defined program patterns is not necessary to efficiently parallelize applications coming from different domains. We develop a generalizing approach to parallelization, which, driven by an underlying mathematical optimization problem, is able to make qualified parallelization decisions taking into account the involved runtime overhead. In combination with a specializing, adaptive runtime system the approach is able to match and even exceed the performance results achieved by specialized approaches.Mehrkernsysteme sind heutzutage allgegenwärtig und finden täglich weitere Verbreitung. Und während, limitiert durch die Grenzen des physikalisch Machbaren, die Rechenkraft der einzelnen Kerne bereits seit Jahren stagniert oder gar sinkt, existiert bis heute keine zufriedenstellende Lösung zur effektiven Ausnutzung der gebotenen Rechenkraft, die mit der steigenden Anzahl an Kernen einhergeht. Existierende Ansätze der automatischen Parallelisierung sind häufig hoch spezialisiert auf die Ausnutzung bestimmter Programm-Muster, und somit auf die Parallelisierung weniger Programmteile. Hinzu kommt, dass häufig verwendete invasive Laufzeitsysteme die Kombination mehrerer Parallelisierungs-Ansätze verhindern, was der Praxistauglichkeit und Reichweite automatischer Ansätze im Wege steht. In der Ihnen vorliegenden Arbeit zeigen wir, dass die Spezialisierung auf eng definierte Programmuster nicht notwendig ist, um Parallelität in Programmen verschiedener Domänen effizient auszunutzen. Wir entwickeln einen generalisierenden Ansatz der Parallelisierung, der, getrieben von einem mathematischen Optimierungsproblem, in der Lage ist, fundierte Parallelisierungsentscheidungen unter Berücksichtigung relevanter Kosten zu treffen. In Kombination mit einem spezialisierenden und adaptiven Laufzeitsystem ist der entwickelte Ansatz in der Lage, mit den Ergebnissen spezialisierter Ansätze mitzuhalten, oder diese gar zu übertreffen.Part of the work presented in this thesis was performed in the context of the SoftwareCluster project EMERGENT (http://www.software-cluster.org). It was funded by the German Federal Ministry of Education and Research (BMBF) under grant no. “01IC10S01”. Later work has been supported, also by the German Federal Ministry of Education and Research (BMBF), through funding for the Center for IT-Security, Privacy and Accountability (CISPA) under grant no. “16KIS0344”

Design and evaluation of a Thread-Level Speculation runtime library

En los próximos años es más que probable que máquinas con cientos o incluso miles de procesadores sean algo habitual. Para aprovechar estas máquinas, y debido a la dificultad de programar de forma paralela, sería deseable disponer de sistemas de compilación o ejecución que extraigan todo el paralelismo posible de las aplicaciones existentes. Así en los últimos tiempos se han propuesto multitud de técnicas paralelas. Sin embargo, la mayoría de ellas se centran en códigos simples, es decir, sin dependencias entre sus instrucciones. La paralelización especulativa surge como una solución para estos códigos complejos, posibilitando la ejecución de cualquier tipo de códigos, con o sin dependencias. Esta técnica asume de forma optimista que la ejecución paralela de cualquier tipo de código no de lugar a errores y, por lo tanto, necesitan de un mecanismo que detecte cualquier tipo de colisión. Para ello, constan de un monitor responsable que comprueba constantemente que la ejecución no sea errónea, asegurando que los resultados obtenidos de forma paralela sean similares a los de cualquier ejecución secuencial. En caso de que la ejecución fuese errónea los threads se detendrían y reiniciarían su ejecución para asegurar que la ejecución sigue la semántica secuencial. Nuestra contribución en este campo incluye (1) una nueva librería de ejecución especulativa fácil de utilizar; (2) nuevas propuestas que permiten reducir de forma significativa el número de accesos requeridos en las peraciones especulativas, así como consejos para reducir la memoria a utilizar; (3) propuestas para mejorar los métodos de scheduling centradas en la gestión dinámica de los bloques de iteraciones utilizados en las ejecuciones especulativas; (4) una solución híbrida que utiliza memoria transaccional para implementar las secciones críticas de una librería de paralelización especulativa; y (5) un análisis de las técnicas especulativas en uno de los dispositivos más vanguardistas del momento, los coprocesadores Intel Xeon Phi. Como hemos podido comprobar, la paralelización especulativa es un campo de investigación activo. Nuestros resultados demuestran que esta técnica permite obtener mejoras de rendimiento en un gran número de aplicaciones. Así, esperamos que este trabajo contribuya a facilitar el uso de soluciones especulativas en compiladores comerciales y/o modelos de programación paralela de memoria compartida.Departamento de Informática (Arquitectura y Tecnología de Computadores, Ciencias de la Computación e Inteligencia Artificial, Lenguajes y Sistemas Informáticos