Adaptive runtime-assisted block prefetching on chip-multiprocessors

Memory stalls are a significant source of performance degradation in modern processors. Data prefetching is a widely adopted and well studied technique used to alleviate this problem. Prefetching can be performed by the hardware, or be initiated and controlled by software. Among software controlled prefetching we find a wide variety of schemes, including runtime-directed prefetching and more specifically runtime-directed block prefetching. This paper proposes a hybrid prefetching mechanism that integrates a software driven block prefetcher with existing hardware prefetching techniques. Our runtime-assisted software prefetcher brings large blocks of data on-chip with the support of a low cost hardware engine, and synergizes with existing hardware prefetchers that manage locality at a finer granularity. The runtime system that drives the prefetch engine dynamically selects which cache to prefetch to. Our evaluation on a set of scientific benchmarks obtains a maximum speed up of 32 and 10 % on average compared to a baseline with hardware prefetching only. As a result, we also achieve a reduction of up to 18 and 3 % on average in energy-to-solution.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Adaptive Prefetching and Cache Partitioning for Multicore Processors

El acceso a la memoria principal en los procesadores actuales supone un importante cuello de botella para las prestaciones, dado que los diferentes núcleos compiten por el limitado ancho de banda de memoria, agravando la brecha entre las prestaciones del procesador y las de la memoria principal. Distintas técnicas atacan este problema, siendo las más relevantes el uso de jerarquías de caché multinivel y la prebúsqueda. Las cachés jerárquicas aprovechan la localidad temporal y espacial que en general presentan los programas en el acceso a los datos, para mitigar las enormes latencias de acceso a memoria principal. Para limitar el número de accesos a la memoria DRAM, fuera del chip, los procesadores actuales cuentan con grandes cachés de último nivel (LLC). Para mejorar su utilización y reducir costes, estas cachés suelen compartirse entre todos los núcleos del procesador. Este enfoque mejora significativamente el rendimiento de la mayoría de las aplicaciones en comparación con el uso de cachés privados más pequeños. Compartir la caché, sin embargo, presenta una problema importante: la interferencia entre aplicaciones. La prebúsqueda, por otro lado, trae bloques de datos a las cachés antes de que el procesador los solicite, ocultando la latencia de memoria principal. Desafortunadamente, dado que la prebúsqueda es una técnica especulativa, si no tiene éxito puede contaminar la caché con bloques que no se usarán. Además, las prebúsquedas interfieren con los accesos a memoria normales, tanto los del núcleo que emite las prebúsquedas como los de los demás. Esta tesis se centra en reducir la interferencia entre aplicaciones, tanto en las caché compartidas como en el acceso a la memoria principal. Para reducir la interferencia entre aplicaciones en el acceso a la memoria principal, el mecanismo propuesto en esta disertación regula la agresividad de cada prebuscador, activando o desactivando selectivamente algunos de ellos, dependiendo de su rendimiento individual y de los requisitos de ancho de banda de memoria principal de los otros núcleos. Con respecto a la interferencia en cachés compartidos, esta tesis propone dos técnicas de particionado para la LLC, las cuales otorgan más espacio de caché a las aplicaciones que progresan más lentamente debido a la interferencia entre aplicaciones. La primera propuesta de particionado de caché requiere hardware específico no disponible en procesadores comerciales, por lo que se ha evaluado utilizando un entorno de simulación. La segunda propuesta de particionado de caché presenta una familia de políticas que superan las limitaciones en el número de particiones y en el número de vías de caché disponibles mediante la agrupación de aplicaciones en clústeres y la superposición de particiones de caché, por lo que varias aplicaciones comparten las mismas vías. Dado que se ha implementado utilizando los mecanismos para el particionado de la LLC que presentan algunos procesadores Intel modernos, esta propuesta ha sido evaluada en una máquina real. Los resultados experimentales muestran que el mecanismo de prebúsqueda selectiva propuesto en esta tesis reduce el número de solicitudes de memoria principal en un 20%, cosa que se traduce en mejoras en la equidad del sistema, el rendimiento y el consumo de energía. Por otro lado, con respecto a los esquemas de partición propuestos, en comparación con un sistema sin particiones, ambas propuestas reducen la iniquidad del sistema en un promedio de más del 25%, independientemente de la cantidad de aplicaciones en ejecución, y esta reducción en la injusticia no afecta negativamente al rendimiento.Accessing main memory represents a major performance bottleneck in current processors, since the different cores compete among them for the limited offchip bandwidth, aggravating even more the so called memory wall. Several techniques have been applied to deal with the core-memory performance gap, with the most preeminent ones being prefetching and hierarchical caching. Hierarchical caches leverage the temporal and spacial locality of the accessed data, mitigating the huge main memory access latencies. To limit the number of accesses to the off-chip DRAM memory, current processors feature large Last Level Caches. These caches are shared between all the cores to improve the utilization of the cache space and reduce cost. This approach significantly improves the performance of most applications compared to using smaller private caches. Cache sharing, however, presents an important shortcoming: the interference between applications. Prefetching, on the other hand, brings data blocks to the caches before they are requested, hiding the main memory latency. Unfortunately, since prefetching is a speculative technique, inaccurate prefetches may pollute the cache with blocks that will not be used. In addition, the prefetches interfere with the regular memory requests, both the ones from the application running on the core that issued the prefetches and the others. This thesis focuses on reducing the inter-application interference, both in the shared cache and in the access to the main memory. To reduce the interapplication interference in the access to main memory, the proposed approach regulates the aggressiveness of each core prefetcher, and selectively activates or deactivates some of them, depending on their individual performance and the main memory bandwidth requirements of the other cores. With respect to interference in shared caches, this thesis proposes two LLC partitioning techniques that give more cache space to the applications that have their progress diminished due inter-application interferences. The first cache partitioning proposal requires dedicated hardware not available in commercial processors, so it has been evaluated using a simulation framework. The second proposal dealing with cache partitioning presents a family of partitioning policies that overcome the limitations in the number of partitions and the number of available ways by grouping applications and overlapping cache partitions, so multiple applications share the same ways. Since it has been implemented using the cache partitioning features of modern Intel processors it has been evaluated in a real machine. Experimental results show that the proposed selective prefetching mechanism reduces the number of main memory requests by 20%, which translates to improvements in unfairness, performance, and energy consumption. On the other hand, regarding the proposed partitioning schemes, compared to a system with no partitioning, both reduce unfairness more than 25% on average, regardless of the number of applications running in the multicore, and this reduction in unfairness does not negatively affect the performance.L'accés a la memòria principal en els processadors actuals suposa un important coll d'ampolla per a les prestacions, ja que els diferents nuclis competeixen pel limitat ample de banda de memòria, agreujant la bretxa entre les prestacions del processador i les de la memòria principal. Diferents tècniques ataquen aquest problema, sent les més rellevants l'ús de jerarquies de memòria cau multinivell i la prebusca. Les memòries cau jeràrquiques aprofiten la localitat temporal i espacial que en general presenten els programes en l'accés a les dades per mitigar les enormes latències d'accés a memòria principal. Per limitar el nombre d'accessos a la memòria DRAM, fora del xip, els processadors actuals compten amb grans caus d'últim nivell (LLC). Per millorar la seva utilització i reduir costos, aquestes memòries cau solen compartir-se entre tots els nuclis del processador. Aquest enfocament millora significativament el rendiment de la majoria de les aplicacions en comparació amb l'ús de caus privades més menudes. Compartir la memòria cau, no obstant, presenta una problema important: la interferencia entre aplicacions. La prebusca, per altra banda, porta blocs de dades a les memòries cau abans que el processador els sol·licite, ocultant la latència de memòria principal. Desafortunadament, donat que la prebusca és una técnica especulativa, si no té èxit pot contaminar la memòria cau amb blocs que no fan falta. A més, les prebusques interfereixen amb els accessos normals a memòria, tant els del nucli que emet les prebusques com els dels altres. Aquesta tesi es centra en reduir la interferència entre aplicacions, tant en les cau compartides com en l'accés a la memòria principal. Per reduir la interferència entre aplicacions en l'accés a la memòria principal, el mecanismo proposat en aquesta dissertació regula l'agressivitat de cada prebuscador, activant o desactivant selectivament alguns d'ells, en funció del seu rendiment individual i dels requisits d'ample de banda de memòria principal dels altres nuclis. Pel que fa a la interferència en caus compartides, aquesta tesi proposa dues tècniques de particionat per a la LLC, les quals atorguen més espai de memòria cau a les aplicacions que progressen més lentament a causa de la interferència entre aplicacions. La primera proposta per al particionat de memòria cau requereix hardware específic no disponible en processadors comercials, per la qual cosa s'ha avaluat utilitzant un entorn de simulació. La segona proposta de particionat per a memòries cau presenta una família de polítiques que superen les limitacions en el nombre de particions i en el nombre de vies de memòria cau disponibles mitjan¿ cant l'agrupació d'aplicacions en clústers i la superposició de particions de memòria cau, de manera que diverses aplicacions comparteixen les mateixes vies. Atès que s'ha implementat utilitzant els mecanismes per al particionat de la LLC que ofereixen alguns processadors Intel moderns, aquesta proposta s'ha avaluat en una màquina real. Els resultats experimentals mostren que el mecanisme de prebusca selectiva proposat en aquesta tesi redueix el nombre de sol·licituds a la memòria principal en un 20%, cosa que es tradueix en millores en l'equitat del sistema, el rendiment i el consum d'energia. Per altra banda, pel que fa als esquemes de particiónat proposats, en comparació amb un sistema sense particions, ambdues propostes redueixen la iniquitat del sistema en més d'un 25% de mitjana, independentment de la quantitat d'aplicacions en execució, i aquesta reducció en la iniquitat no afecta negativament el rendiment.Selfa Oliver, V. (2018). Adaptive Prefetching and Cache Partitioning for Multicore Processors [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/112423TESI

QPACE 2 and Domain Decomposition on the Intel Xeon Phi

We give an overview of QPACE 2, which is a custom-designed supercomputer based on Intel Xeon Phi processors, developed in a collaboration of Regensburg University and Eurotech. We give some general recommendations for how to write high-performance code for the Xeon Phi and then discuss our implementation of a domain-decomposition-based solver and present a number of benchmarks.Comment: plenary talk at Lattice 2014, to appear in the conference proceedings PoS(LATTICE2014), 15 pages, 9 figure

Data prefetching on in-order processors

Low-power processors have attracted attention due to their energy-efficiency. A large market, such as the mobile one, relies on these processors for this very reason. Even High Performance Computing (HPC) systems are starting to consider low-power processors as a way to achieve exascale performance within 20MW, however, they must meet the right performance/Watt balance. Current low-power processors contain in-order cores, which cannot re-order instructions to avoid data dependency-induced stalls. Whilst this is useful to reduce the chip's total power consumption, it brings several challenges. Due to the evolving performance gap between memory and processor, memory is a significant bottleneck. In-order cores cannot re-order instructions and are memory latency bound, something data prefetching can help alleviate by ensuring data is readily available. In this work, we do an exhaustive analysis of available data prefetching techniques in state-of-The-Art in-order cores. We analyze 5 static prefetchers and 2 dynamic aggressiveness and destination mechanisms applied to 3 data prefetchers on a set of HPC mini-and proxy-Applications, whilst running on in-order processors. We show that next-line prefetching can achieve nearly top performance with a reasonable bandwidth consumption when throttled, whilst neighbor prefetchers have been found to be best, overall.This work has been supported by the RoMoL ERC Advanced Grant (GA 321253), by the European HiPEAC Network of Excellence, by the Spanish Ministry of Science and Innovation (contracts TIN2015-65316-P), by Generalitat de Catalunya (contracts 2014-SGR-1051 and 2014-SGR-1272), by the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme (grant agreements No 671697 and No 779877). M. Moreto has been partially supported by the Spanish Ministry of Economy, Industry and Competitiveness under Ramon y Cajal fellowship number RYC-2016-21104.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

PRISM: an intelligent adaptation of prefetch and SMT levels

Current microprocessors include hardware to optimize some specifics workloads. In general, these hardware knobs are set on a default configuration on the booting process of the machine. This default behavior cannot be beneficial for all types of workloads and they are not controlled by anyone but the end user, who needs to know what configuration is the best one for the workload running. Some of these knobs are: (1) the Simultaneous MultiThreading level, which specifies the number of threads that can run simultaneously on a physical CPU, and (2) the data prefetch engine, that manages the prefetches on memory. Parallel programming models are here to stay, and one programming model that succeed in allowing programmers to easily parallelize applications is Open Multi Processing (OMP). Also, the architecture of microprocessors is getting more complex that end users cannot afford to optimize their workloads for all the architectural details. These architectural knobs can help to increase performance but it is needed an automatic and adaptive system managing them. In this work we propose an independent library for OpenMP runtimes to increase performance up to 220% (14.7% on average) while reducing dynamic power consumption up to 13% (2% on average) on a real POWER8 processor