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An OpenMP Extension that Supports Thread-Level Speculation
Producción CientíficaOpenMP directives are the de-facto standard for shared-memory parallel programming. However, OpenMP does not guarantee the correctness of the parallel execution of a given loop if runtime data dependences arise. Consequently, many highly-parallel regions cannot be safely parallelized with OpenMP due to the possibility of a dependence violation. In this paper, we propose to augment OpenMP capabilities, by adding thread-level speculation (TLS) support. Our contribution is threefold. First, we have defined a new speculative clause for variables inside parallel loops. This clause ensures that all accesses to these variables will be carried out according to sequential semantics. Second, we have created a new, software-based TLS runtime library to ensure correctness in the parallel execution of OpenMP loops that include speculative variables. Third, we have developed a new GCC plugin, which seamlessly translates our OpenMP speculative clause into calls to our TLS runtime engine. The result is the ATLaS C Compiler framework, which takes advantage of TLS techniques to expand OpenMP functionalities, and guarantees the sequential semantics of any parallelized loop.Castilla-Leon Regional Government (VA172A12-2, PIRTU); Ministerio de Industria, Spain (CENIT OCEANLIDER); MICINN (Spain) and the European Union FEDER (MOGECOPP project TIN2011- 25639, CAPAP-H3 network TIN2010-12011-E, CAPAPH4 network TIN2011-15734-E)
Performance Characterization of Multi-threaded Graph Processing Applications on Intel Many-Integrated-Core Architecture
Intel Xeon Phi many-integrated-core (MIC) architectures usher in a new era of
terascale integration. Among emerging killer applications, parallel graph
processing has been a critical technique to analyze connected data. In this
paper, we empirically evaluate various computing platforms including an Intel
Xeon E5 CPU, a Nvidia Geforce GTX1070 GPU and an Xeon Phi 7210 processor
codenamed Knights Landing (KNL) in the domain of parallel graph processing. We
show that the KNL gains encouraging performance when processing graphs, so that
it can become a promising solution to accelerating multi-threaded graph
applications. We further characterize the impact of KNL architectural
enhancements on the performance of a state-of-the art graph framework.We have
four key observations: 1 Different graph applications require distinctive
numbers of threads to reach the peak performance. For the same application,
various datasets need even different numbers of threads to achieve the best
performance. 2 Only a few graph applications benefit from the high bandwidth
MCDRAM, while others favor the low latency DDR4 DRAM. 3 Vector processing units
executing AVX512 SIMD instructions on KNLs are underutilized when running the
state-of-the-art graph framework. 4 The sub-NUMA cache clustering mode offering
the lowest local memory access latency hurts the performance of graph
benchmarks that are lack of NUMA awareness. At last, We suggest future works
including system auto-tuning tools and graph framework optimizations to fully
exploit the potential of KNL for parallel graph processing.Comment: published as L. Jiang, L. Chen and J. Qiu, "Performance
Characterization of Multi-threaded Graph Processing Applications on
Many-Integrated-Core Architecture," 2018 IEEE International Symposium on
Performance Analysis of Systems and Software (ISPASS), Belfast, United
Kingdom, 2018, pp. 199-20
16th International Conference on Computational and Mathematical Methods in Science and Engineering, CMMSE 2016
Producción CientíficaTransactional Memory (TM) is a technique that aims to mitigate the performance losses that are inherent to the serialization of accesses in critical sections. Some studies have shown that the use of TM may lead to performance improvements, despite the existence of management overheads. However, the relative performance of TM, with respect to classical critical sections management depends greatly on the actual percentage of times that the same data is handled simultaneously by two transactions. In this paper, we compare the relative performance of the critical sections provided by OpenMP with respect to two Software Transactional Memory (STM) implementations. These three methods are used to manage concurrent data accesses in ATLaS, a software-based, Thread-Level Speculation (TLS) system. The complexity of this application makes it extremely di cult to predict whether two transactions may conflict or not, and how many times the transactions will be executed. Our experimental results show that the STM solutions only deliver a performance comparable to OpenMP when there are almost no conflicts. In any other case, their performance losses make OpenMP the best alternative to manage critical sections.MICINN (Spain) and ERDF program of the European Union: HomProg-HetSys project (TIN2014-58876-P), CAPAP-H5 network (TIN2014-53522-REDT), and COST Program Action IC1305: Network for Sustainable Ultrascale Computing (NESUS)
BFCA+: Automatic Synthesis of Parallel Code with TLS Capabilities
Producción CientíficaParallelization of sequential applications requires extracting information about the loops and how their variables are accessed, and afterwards, augmenting the source code with extra code depending on such information. In this paper we propose a framework that avoids such an error-prone, time-consuming task. Our solution leverages the compile-time information extracted from the source code to classify all variables used inside each loop according to their accesses. Then, our system, called BFCA+, automatically instruments the source code with the necessary OpenMP directives and clauses to allow its parallel execution, using the standard shared and private clauses for variable classification. The framework is also capable of instrumenting loops for speculative parallelization, with the help of the ATLaS runtime system, that defines a new speculative clause to point out those variables that may lead to a dependency violation. As a result, the target loop is guaranteed to correctly run in parallel, ensuring that its execution follows sequential semantics even in the presence of dependency violations. Our experimental evaluation shows that the framework not only saves development time, but also leads to a faster code than the one manually parallelized.MICINN (Spain) and ERDF program of the European Union: HomProg-HetSys project (TIN2014-58876-P), CAPAPH5 network (TIN2014-53522-REDT), and COST Program Action IC1305: Network for Sustainable Ultrascale Computing (NESUS)
Compile-time support for thread-level speculation
Una de las principales preocupaciones de las ciencias de la computación es el estudio de las capacidades paralelas tanto de programas como de los procesadores que los ejecutan. Existen varias razones que hacen muy deseable el desarrollo de técnicas que paralelicen automáticamente el código. Entre ellas se encuentran el inmenso número de programas secuenciales existentes ya escritos, la complejidad de los lenguajes de programación paralelos, y los conocimientos que se requieren para paralelizar un código. Sin embargo, los actuales mecanismos de paralelización automática implementados en los compiladores comerciales no son capaces de paralelizar la mayoría de los bucles en un código [1], debido a la dependencias de datos que existen entre ellos [2]. Por lo tanto, se hace necesaria la búsqueda de nuevas técnicas, como la paralelización especulativa [3-5], que saquen beneficio de las potenciales capacidades paralelas del hardware y arquitecturas multiprocesador actuales. Sin embargo, ésta y otras técnicas requieren la intervención manual de programadores experimentados.
Antes de ofrecer soluciones alternativas, se han evaluado las capacidades de paralelización de los compiladores comerciales, exponiendo las limitaciones de los mecanismos de paralelización automática que implementan. El estudio revela que estos mecanismos de paralelización automática sólo alcanzan un 19% de speedup en promedio para los benchmarks del SPEC CPU2006 [6], siendo este un resultado significativamente inferior al obtenido por técnicas de paralelización especulativa [7]. Sin embargo, la paralelización especulativa requiere una extensa modificación manual del código por parte de programadores.
Esta Tesis aborda este problema definiendo una nueva cláusula OpenMP [8], llamada ¿speculative¿, que permite señalar qué variables pueden llevar a una violación de dependencia. Además, esta Tesis también propone un sistema en tiempo de compilación que, usando la información sobre los accesos a las variables que proporcionan las cláusulas OpenMP, añade automáticamente todo el código necesario para gestionar la ejecución especulativa de un programa. Esto libera al programador de modificar el código manualmente, evitando posibles errores y una tediosa tarea. El código generado por nuestro sistema enlaza con la librería de ejecución especulativamente paralela desarrollada por Estebanez, García-Yagüez, Llanos y Gonzalez-Escribano [9,10].Departamento de Informática (Arquitectura y Tecnología de Computadores, Ciencias de la Computación e Inteligencia Artificial, Lenguajes y Sistemas Informáticos
Improving the Perfomance of a Pointer-Based, Speculative Parallelization Scheme
La paralelización especulativa es una técnica que intenta extraer paralelismo de los
bucles no paralelizables en tiempo de compilación. La idea subyacente es ejecutar el
código de forma optimista mientras un subsistema comprueba que no se viole la semántica
secuencial. Han sido muchos los trabajos realizados en este campo, sin embargo, no
conocemos ninguno que fuese capaz de paralelizar aplicaciones que utilizasen aritmética
de punteros. En un trabajo previo del autor de esta memoria, se desarrolló una librería
software capaz de soportar este tipo de aplicaciones. No obstante, el software desarrollado
sufría de una limitación muy importante: el tiempo de ejecución de las versiones paralelas
era mayor que el de las versiones secuenciales. A lo largo de este Trabajo de Fin de
Máster, se aborda esta limitación, encontrando y corrigiendo las razones de esta falta de
eficiencia, y situando el trabajo realizado en perspectiva, dentro de las contribuciones mundiales en este ámbito. Los resultados experimentales obtenidos con aplicaciones reales nos permiten afirmar
que estas limitaciones han sido solventadas, ya que obtenemos speedups de hasta de un
1.61 . Así, con la nueva versión de la librería se han llegado a obtener mejoras de hasta
el 421.4% respecto al tiempo de ejecución generado por la versión original de la librería
especulativa.InformáticaMáster en Investigación en Tecnologías de la Información y las Comunicacione
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