An Efficient Multiway Mergesort for GPU Architectures

Sorting is a primitive operation that is a building block for countless algorithms. As such, it is important to design sorting algorithms that approach peak performance on a range of hardware architectures. Graphics Processing Units (GPUs) are particularly attractive architectures as they provides massive parallelism and computing power. However, the intricacies of their compute and memory hierarchies make designing GPU-efficient algorithms challenging. In this work we present GPU Multiway Mergesort (MMS), a new GPU-efficient multiway mergesort algorithm. MMS employs a new partitioning technique that exposes the parallelism needed by modern GPU architectures. To the best of our knowledge, MMS is the first sorting algorithm for the GPU that is asymptotically optimal in terms of global memory accesses and that is completely free of shared memory bank conflicts. We realize an initial implementation of MMS, evaluate its performance on three modern GPU architectures, and compare it to competitive implementations available in state-of-the-art GPU libraries. Despite these implementations being highly optimized, MMS compares favorably, achieving performance improvements for most random inputs. Furthermore, unlike MMS, state-of-the-art algorithms are susceptible to bank conflicts. We find that for certain inputs that cause these algorithms to incur large numbers of bank conflicts, MMS can achieve up to a 37.6% speedup over its fastest competitor. Overall, even though its current implementation is not fully optimized, due to its efficient use of the memory hierarchy, MMS outperforms the fastest comparison-based sorting implementations available to date

A Performance Model For Gpu Architectures: Analysis And Design Of Fundamental Algorithms

Ph.D. Thesis. University of Hawaiʻi at Mānoa 2018

Scalable String and Suffix Sorting: Algorithms, Techniques, and Tools

This dissertation focuses on two fundamental sorting problems: string sorting and suffix sorting. The first part considers parallel string sorting on shared-memory multi-core machines, the second part external memory suffix sorting using the induced sorting principle, and the third part distributed external memory suffix sorting with a new distributed algorithmic big data framework named Thrill.Comment: 396 pages, dissertation, Karlsruher Instituts f\"ur Technologie (2018). arXiv admin note: text overlap with arXiv:1101.3448 by other author

Algorithm Libraries for Multi-Core Processors

By providing parallelized versions of established algorithm libraries, we ease the exploitation of the multiple cores on modern processors for the programmer. The Multi-Core STL provides basic algorithms for internal memory, while the parallelized STXXL enables multi-core acceleration for algorithms on large data sets stored on disk. Some parallelized geometric algorithms are introduced into CGAL. Further, we design and implement sorting algorithms for huge data in distributed external memory

Robust Scalable Sorting

Sortieren ist eines der wichtigsten algorithmischen Grundlagenprobleme. Es ist daher nicht verwunderlich, dass Sortieralgorithmen in einer Vielzahl von Anwendungen benötigt werden. Diese Anwendungen werden auf den unterschiedlichsten Geräten ausgeführt -- angefangen bei Smartphones mit leistungseffizienten Multi-Core-Prozessoren bis hin zu Supercomputern mit Tausenden von Maschinen, die über ein Hochleistungsnetzwerk miteinander verbunden sind. Spätestens seitdem die Single-Core-Leistung nicht mehr signifikant steigt, sind parallele Anwendungen in unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Daher sind effiziente und skalierbare Algorithmen essentiell, um diese immense Verfügbarkeit von (paralleler) Rechenleistung auszunutzen. Diese Arbeit befasst sich damit, wie sequentielle und parallele Sortieralgorithmen auf möglichst robuste Art maximale Leistung erzielen können. Dabei betrachten wir einen großen Parameterbereich von Eingabegrößen, Eingabeverteilungen, Maschinen sowie Datentypen. Im ersten Teil dieser Arbeit untersuchen wir sowohl sequentielles Sortieren als auch paralleles Sortieren auf Shared-Memory-Maschinen. Wir präsentieren In-place Parallel Super Scalar Samplesort (IPS⁴o), einen neuen vergleichsbasierten Algorithmus, der mit beschränkt viel Zusatzspeicher auskommt (die sogenannte „in-place” Eigenschaft). Eine wesentliche Erkenntnis ist, dass unsere in-place-Technik die Sortiergeschwindigkeit von IPS⁴o im Vergleich zu ähnlichen Algorithmen ohne in-place-Eigenschaft verbessert. Bisher wurde die Eigenschaft, mit beschränkt viel Zusatzspeicher auszukommen, eher mit Leistungseinbußen verbunden. IPS⁴o ist außerdem cache-effizient und führt $O(n/t\log n)$ Arbeitsschritte pro Thread aus, um ein Array der Größe $n$ mit $t$ Threads zu sortieren. Zusätzlich berücksichtigt IPS⁴o Speicherlokalität, nutzt einen Entscheidungsbaum ohne Sprungvorhersagen und verwendet spezielle Partitionen für Elemente mit gleichem Schlüssel. Für den Spezialfall, dass ausschließlich ganzzahlige Schlüssel sortiert werden sollen, haben wir das algorithmische Konzept von IPS⁴o wiederverwendet, um In-place Parallel Super Scalar Radix Sort (IPS²Ra) zu implementieren. Wir bestätigen die Performance unserer Algorithmen in einer umfangreichen experimentellen Studie mit 21 State-of-the-Art-Sortieralgorithmen, sechs Datentypen, zehn Eingabeverteilungen, vier Maschinen, vier Speicherzuordnungsstrategien und Eingabegrößen, die über sieben Größenordnungen variieren. Einerseits zeigt die Studie die robuste Leistungsfähigkeit unserer Algorithmen. Andererseits deckt sie auf, dass viele konkurrierende Algorithmen Performance-Probleme haben: Mit IPS⁴o erhalten wir einen robusten vergleichsbasierten Sortieralgorithmus, der andere parallele in-place vergleichsbasierte Sortieralgorithmen fast um den Faktor drei übertrifft. In der überwiegenden Mehrheit der Fälle ist IPS⁴o der schnellste vergleichsbasierte Algorithmus. Dabei ist es nicht von Bedeutung, ob wir IPS⁴o mit Algorithmen vergleichen, die mit beschränkt viel Zusatzspeicher auskommen, Zusatzspeicher in der Größenordnung der Eingabe benötigen, und parallel oder sequentiell ausgeführt werden. IPS⁴o übertrifft in vielen Fällen sogar konkurrierende Implementierungen von Integer-Sortieralgorithmen. Die verbleibenden Fälle umfassen hauptsächlich gleichmäßig verteilte Eingaben und Eingaben mit Schlüsseln, die nur wenige Bits enthalten. Diese Eingaben sind in der Regel „einfach” für Integer-Sortieralgorithmen. Unser Integer-Sorter IPS²Ra übertrifft andere Integer-Sortieralgorithmen für diese Eingaben in der überwiegenden Mehrheit der Fälle. Ausnahmen sind einige sehr kleine Eingaben, für die die meisten Algorithmen sehr ineffizient sind. Allerdings sind Algorithmen, die auf diese Eingabegrößen abzielen, in der Regel für alle anderen Eingaben deutlich langsamer. Im zweiten Teil dieser Arbeit untersuchen wir skalierbare Sortieralgorithmen für verteilte Systeme, welche robust in Hinblick auf die Eingabegröße, häufig vorkommende Sortierschlüssel, die Verteilung der Sortierschlüssel auf die Prozessoren und die Anzahl an Prozessoren sind. Das Resultat unserer Arbeit sind im Wesentlichen vier robuste skalierbare Sortieralgorithmen, mit denen wir den gesamten Bereich an Eingabegrößen abdecken können. Drei dieser vier Algorithmen sind neue, schnelle Algorithmen, welche so implementiert sind, dass sie nur einen geringen Zusatzaufwand benötigen und gleichzeitig unabhängig von „schwierigen” Eingaben robust skalieren. Es handelt sich z.B. um „schwierige” Eingaben, wenn viele gleiche Elemente vorkommen oder die Eingabeelemente in Hinblick auf ihre Sortierschlüssel ungünstig auf die Prozessoren verteilt sind. Bisherige Algorithmen für mittlere und größere Eingabegrößen weisen ein unzumutbar großes Kommunikationsvolumen auf oder tauschen unverhältnismäßig oft Nachrichten aus. Für diese Eingabegrößen beschreiben wir eine robuste, mehrstufige Verallgemeinerung von Samplesort, die einen brauchbaren Kompromiss zwischen dem Kommunikationsvolumen und der Anzahl ausgetauschter Nachrichten darstellt. Wir überwinden diese bisher unvereinbaren Ziele mittels einer skalierbaren approximativen Splitterauswahl sowie eines neuen Datenumverteilungsalgorithmus. Als eine Alternative stellen wir eine Verallgemeinerung von Mergesort vor, welche den Vorteil von perfekt ausbalancierter Ausgabe hat. Für kleine Eingaben entwerfen wir eine Variante von Quicksort. Mit wenig Zusatzaufwand vermeidet sie das Problem ungünstiger Elementverteilungen und häufig vorkommender Sortierschlüssel, indem sie schnell qualitativ hochwertige Splitter auswählt, die Elemente zufällig den Prozessoren zuweist und einer Duplikat-Behandlung unterzieht. Bisherige praktische Ansätze mit polylogarithmischer Latenz haben entweder einen logarithmischen Faktor mehr Kommunikationsvolumen oder berücksichtigen nur gleichverteilte Eingaben ohne mehrfach vorkommende Sortierschlüssel. Für sehr kleine Eingaben schlagen wir einen einfachen sowie schnellen, jedoch arbeitsineffizienten Algorithmus mit logarithmischer Latenzzeit vor. Für diese Eingaben sind bisherige effiziente Ansätze nur theoretische Algorithmen, die meist unverhältnismäßig große konstante Faktoren haben. Für die kleinsten Eingaben empfehlen wir die Daten zu sortieren, während sie an einen einzelnen Prozessor geschickt werden. Ein wichtiger Beitrag dieser Arbeit zu der praktischen Seite von Algorithm Engineering ist die Kommunikationsbibliothek RangeBasedComm (RBC). Mit RBC ermöglichen wir eine effiziente Umsetzung von rekursiven Algorithmen mit sublinearer Laufzeit, indem sie skalierbare und effiziente Kommunikationsfunktionen für Teilmengen von Prozessoren bereitstellt. Zuletzt präsentieren wir eine umfangreiche experimentelle Studie auf zwei Supercomputern mit bis zu 262144 Prozessorkernen, elf Algorithmen, zehn Eingabeverteilungen und Eingabegrößen variierend über neun Größenordnungen. Mit Ausnahme von den größten Eingabegrößen ist diese Arbeit die einzige, die überhaupt Sortierexperimente auf Maschinen dieser Größe durchführt. Die RBC-Bibliothek beschleunigt die Algorithmen teilweise drastisch – einen konkurrierenden Algorithmus sogar um mehr als zwei Größenordnungen. Die Studie legt dar, dass unsere Algorithmen robust sind und gleichzeitig konkurrierende Implementierungen leistungsmäßig deutlich übertreffen. Die Konkurrenten, die man normalerweise betrachtet hätte, stürzen bei „schwierigen” Eingaben sogar ab

Forsøk med parallell sortering på flerkjerne-CPU og GPU

Moderne datamaskiner blir stadig mer parallelle. Det er nå vanlig at prosessorer har alt fra 2 til 8 kjerner. I tillegg blir det også mer vanlig å benytte skjermkort som en medprosessor for enkelte typer beregninger. Dette betyr at det i økende grad blir viktig for oss som utviklere å ta hensyn til parallelle arkitekturer dersom vi ønsker god ytelse i applikasjonene våre. I denne oppgaven vil vi forsøke å parallellisere algoritmer både for flerkjerne-CPU og for GPU. Samtidig ser vi nærmere på ett av informatikkens mest fundamentale problemer, nemlig sortering. Vi ser på flettesortering og venstre-radix-sortering, og undersøker hvordan disse algoritmene kan parallelliseres. Samtidig leter vi etter generelle metoder for å parallellisere algoritmer. Gjennom arbeidet vår ser vi at det på flerkjerne-CPU er lett å oppnå en viss grad av parallellitet. Samtidig ser vi at det er vanskelig å skrive algoritmer som skalerer godt når antall kjerner øker. På skjermkort ser vi at det er svært mye vanskeligere å skrive effektive algoritmer, og at det er færre bruksområder hvor det lønner seg

Parallel Cache-Efficient Algorithms on GPUs

Ph.D

Efficient Parallel and Distributed Algorithms for GIS Polygon Overlay Processing

Polygon clipping is one of the complex operations in computational geometry. It is used in Geographic Information Systems (GIS), Computer Graphics, and VLSI CAD. For two polygons with n and m vertices, the number of intersections can be O(nm). In this dissertation, we present the first output-sensitive CREW PRAM algorithm, which can perform polygon clipping in O(log n) time using O(n + k + k\u27) processors, where n is the number of vertices, k is the number of intersections, and k\u27 is the additional temporary vertices introduced due to the partitioning of polygons. The current best algorithm by Karinthi, Srinivas, and Almasi does not handle self-intersecting polygons, is not output-sensitive and must employ O(n^2) processors to achieve O(log n) time. The second parallel algorithm is an output-sensitive PRAM algorithm based on Greiner-Hormann algorithm with O(log n) time complexity using O(n + k) processors. This is cost-optimal when compared to the time complexity of the best-known sequential plane-sweep based algorithm for polygon clipping. For self-intersecting polygons, the time complexity is O(((n + k) log n log log n)/p) using p In addition to these parallel algorithms, the other main contributions in this dissertation are 1) multi-core and many-core implementation for clipping a pair of polygons and 2) MPI-GIS and Hadoop Topology Suite for distributed polygon overlay using a cluster of nodes. Nvidia GPU and CUDA are used for the many-core implementation. The MPI based system achieves 44X speedup while processing about 600K polygons in two real-world GIS shapefiles 1) USA Detailed Water Bodies and 2) USA Block Group Boundaries) within 20 seconds on a 32-node (8 cores each) IBM iDataPlex cluster interconnected by InfiniBand technology

Massiv-Parallele Algorithmen zum Laden von Daten auf Moderner Hardware

While systems face an ever-growing amount of data that needs to be ingested, queried and analysed, processors are seeing only moderate improvements in sequential processing performance. This thesis addresses the fundamental shift towards increasingly parallel processors and contributes multiple massively parallel algorithms to accelerate different stages of the ingestion pipeline, such as data parsing and sorting.Systeme sehen sich mit einer stetig anwachsenden Menge an Daten konfrontiert, die geladen und analysiert, sowie Anfragen darauf bearbeitet werden müssen. Gleichzeitig nimmt die sequentielle Verarbeitungsgeschwindigkeit von Prozessoren nur noch moderat zu. Diese Arbeit adressiert den Wandel hin zu zunehmend parallelen Prozessoren und leistet mit mehreren massiv-parallelen Algorithmen einen Beitrag um unterschiedliche Phasen der Datenverarbeitung wie zum Beispiel Parsing und Sortierung zu beschleunigen