Executing matrix multiply on a process oriented data flow machine

The Process-Oriented Dataflow System (PODS) is an execution model that combines the von Neumann and dataflow models of computation to gain the benefits of each. Central to PODS is the concept of array distribution and its effects on partitioning and mapping of processes.In PODS arrays are partitioned by simply assigning consecutive elements to each processing element (PE) equally. Since PODS uses single assignment, there will be only one producer of each element. This producing PE owns that element and will perform the necessary computations to assign it. Using this approach the filling loop is distributed across the PEs. This simple partitioning and mapping scheme provides excellent results for executing scientific code on MIMD machines. In this way PODS allows MIMD machines to exploit vector and data parallelism easily while still providing the flexibility of MIMD over SIMD for multi-user systems.In this paper, the classic matrix multiply algorithm, with 1024 data points, is executed on a PODS simulator and the results are presented and discussed. Matrix multiply is a good example because it has several interesting properties: there are multiple code-blocks; a new array must be dynamically allocated and distributed; there is a loop-carried dependency in the innermost loop; the two input arrays have different access patterns; and the sizes of the input arrays are not known at compile time. Matrix multiply also forms the basis for many important scientific algorithms such as: LU decomposition, convolution, and the Fast-Fourier Transform.The results show that PODS is comparable to both Iannucci's Hybrid Architecture and MIT's TTDA in terms of overhead and instruction power. They also show that PODS easily distributes the work load evenly across the PEs. The key result is that PODS can scale matrix multiply in a near linear fashion until there is little or no work to be performed for each PE. Then overhead and message passing become a major component of the execution time. With larger problems (e.g., >/=16k data points) this limit would be reached at around 256 PEs

PAWS: A performance evaluation tool for parallel computing systems

A description is given of PAWS (parallel assessment window system), a set of tools that provides an interactive user-friendly environment for analysis of existing, prototype, and conceptual machine architectures running a common application. PAWS consists of an application tool, an architectural characterization tool, a performance assessment tool, and an interactive graphical display tool. The application characterization tool provides a facility for evaluating the level and degree of an application's parallelism. The architecture characterization tool allows users to create, store, and retrieve descriptions of machines in a database. This approach permits users to evaluate conceptual machines before building any hardware. The performance assessment tool generates profile plots through the interactive graphical display tool. It shows both the ideal parallelism inherent in the machine-independent dataflow graph and

Evaluating techniques for parallelization tuning in MPI, OmpSs and MPI/OmpSs

Parallel programming is used to partition a computational problem among multiple processing units and to define how they interact (communicate and synchronize) in order to guarantee the correct result. The performance that is achieved when executing the parallel program on a parallel architecture is usually far from the optimal: computation unbalance and excessive interaction among processing units often cause lost cycles, reducing the efficiency of parallel computation. In this thesis we propose techniques oriented to better exploit parallelism in parallel applications, with emphasis in techniques that increase asynchronism. Theoretically, this type of parallelization tuning promises multiple benefits. First, it should mitigate communication and synchronization delays, thus increasing the overall performance. Furthermore, parallelization tuning should expose additional parallelism and therefore increase the scalability of execution. Finally, increased asynchronism would provide higher tolerance to slower networks and external noise. In the first part of this thesis, we study the potential for tuning MPI parallelism. More specifically, we explore automatic techniques to overlap communication and computation. We propose a speculative messaging technique that increases the overlap and requires no changes of the original MPI application. Our technique automatically identifies the application’s MPI activity and reinterprets that activity using optimally placed non-blocking MPI requests. We demonstrate that this overlapping technique increases the asynchronism of MPI messages, maximizing the overlap, and consequently leading to execution speedup and higher tolerance to bandwidth reduction. However, in the case of realistic scientific workloads, we show that the overlapping potential is significantly limited by the pattern by which each MPI process locally operates on MPI messages. In the second part of this thesis, we study the potential for tuning hybrid MPI/OmpSs parallelism. We try to gain a better understanding of the parallelism of hybrid MPI/OmpSs applications in order to evaluate how these applications would execute on future machines and to predict the execution bottlenecks that are likely to emerge. We explore how MPI/OmpSs applications could scale on the parallel machine with hundreds of cores per node. Furthermore, we investigate how this high parallelism within each node would reflect on the network constraints. We especially focus on identifying critical code sections in MPI/OmpSs. We devised a technique that quickly evaluates, for a given MPI/OmpSs application and the selected target machine, which code section should be optimized in order to gain the highest performance benefits. Also, this thesis studies techniques to quickly explore the potential OmpSs parallelism inherent in applications. We provide mechanisms to easily evaluate potential parallelism of any task decomposition. Furthermore, we describe an iterative trialand-error approach to search for a task decomposition that will expose sufficient parallelism for a given target machine. Finally, we explore potential of automating the iterative approach by capturing the programmers’ experience into an expert system that can autonomously lead the search process. Also, throughout the work on this thesis, we designed development tools that can be useful to other researchers in the field. The most advanced of these tools is Tareador – a tool to help porting MPI applications to MPI/OmpSs programming model. Tareador provides a simple interface to propose some decomposition of a code into OmpSs tasks. Tareador dynamically calculates data dependencies among the annotated tasks, and automatically estimates the potential OmpSs parallelization. Furthermore, Tareador gives additional hints on how to complete the process of porting the application to OmpSs. Tareador already proved itself useful, by being included in the academic classes on parallel programming at UPC.La programación paralela consiste en dividir un problema de computación entre múltiples unidades de procesamiento y definir como interactúan (comunicación y sincronización) para garantizar un resultado correcto. El rendimiento de un programa paralelo normalmente está muy lejos de ser óptimo: el desequilibrio de la carga computacional y la excesiva interacción entre las unidades de procesamiento a menudo causa ciclos perdidos, reduciendo la eficiencia de la computación paralela. En esta tesis proponemos técnicas orientadas a explotar mejor el paralelismo en aplicaciones paralelas, poniendo énfasis en técnicas que incrementan el asincronismo. En teoría, estas técnicas prometen múltiples beneficios. Primero, tendrían que mitigar el retraso de la comunicación y la sincronización, y por lo tanto incrementar el rendimiento global. Además, la calibración de la paralelización tendría que exponer un paralelismo adicional, incrementando la escalabilidad de la ejecución. Finalmente, un incremente en el asincronismo proveería una tolerancia mayor a redes de comunicación lentas y ruido externo. En la primera parte de la tesis, estudiamos el potencial para la calibración del paralelismo a través de MPI. En concreto, exploramos técnicas automáticas para solapar la comunicación con la computación. Proponemos una técnica de mensajería especulativa que incrementa el solapamiento y no requiere cambios en la aplicación MPI original. Nuestra técnica identifica automáticamente la actividad MPI de la aplicación y la reinterpreta usando solicitudes MPI no bloqueantes situadas óptimamente. Demostramos que esta técnica maximiza el solapamiento y, en consecuencia, acelera la ejecución y permite una mayor tolerancia a las reducciones de ancho de banda. Aún así, en el caso de cargas de trabajo científico realistas, mostramos que el potencial de solapamiento está significativamente limitado por el patrón según el cual cada proceso MPI opera localmente en el paso de mensajes. En la segunda parte de esta tesis, exploramos el potencial para calibrar el paralelismo híbrido MPI/OmpSs. Intentamos obtener una comprensión mejor del paralelismo de aplicaciones híbridas MPI/OmpSs para evaluar de qué manera se ejecutarían en futuras máquinas. Exploramos como las aplicaciones MPI/OmpSs pueden escalar en una máquina paralela con centenares de núcleos por nodo. Además, investigamos cómo este paralelismo de cada nodo se reflejaría en las restricciones de la red de comunicación. En especia, nos concentramos en identificar secciones críticas de código en MPI/OmpSs. Hemos concebido una técnica que rápidamente evalúa, para una aplicación MPI/OmpSs dada y la máquina objetivo seleccionada, qué sección de código tendría que ser optimizada para obtener la mayor ganancia de rendimiento. También estudiamos técnicas para explorar rápidamente el paralelismo potencial de OmpSs inherente en las aplicaciones. Proporcionamos mecanismos para evaluar fácilmente el paralelismo potencial de cualquier descomposición en tareas. Además, describimos una aproximación iterativa para buscar una descomposición en tareas que mostrará el suficiente paralelismo en la máquina objetivo dada. Para finalizar, exploramos el potencial para automatizar la aproximación iterativa. En el trabajo expuesto en esta tesis hemos diseñado herramientas que pueden ser útiles para otros investigadores de este campo. La más avanzada es Tareador, una herramienta para ayudar a migrar aplicaciones al modelo de programación MPI/OmpSs. Tareador proporciona una interfaz simple para proponer una descomposición del código en tareas OmpSs. Tareador también calcula dinámicamente las dependencias de datos entre las tareas anotadas, y automáticamente estima el potencial de paralelización OmpSs. Por último, Tareador da indicaciones adicionales sobre como completar el proceso de migración a OmpSs. Tareador ya se ha mostrado útil al ser incluido en las clases de programación de la UPC

Reliability for exascale computing : system modelling and error mitigation for task-parallel HPC applications

As high performance computing (HPC) systems continue to grow, their fault rate increases. Applications running on these systems have to deal with rates on the order of hours or days. Furthermore, some studies for future Exascale systems predict the rates to be on the order of minutes. As a result, efficient fault tolerance solutions are needed to be able to tolerate frequent failures. A fault tolerance solution for future HPC and Exascale systems must be low-cost, efficient and highly scalable. It should have low overhead in fault-free execution and provide fast restart because long-running applications are expected to experience many faults during the execution. Meanwhile task-based dataflow parallel programming models (PM) are becoming a popular paradigm in HPC applications at large scale. For instance, we see the adaptation of task-based dataflow parallelism in OpenMP 4.0, OmpSs PM, Argobots and Intel Threading Building Blocks. In this thesis we propose fault-tolerance solutions for task-parallel dataflow HPC applications. Specifically, first we design and implement a checkpoint/restart and message-logging framework to recover from errors. We then develop performance models to investigate the benefits of our task-level frameworks when integrated with system-wide checkpointing. Moreover, we design and implement selective task replication mechanisms to detect and recover from silent data corruptions in task-parallel dataflow HPC applications. Finally, we introduce a runtime-based coding scheme to detect and recover from memory errors in these applications. Considering the span of all of our schemes, we see that they provide a fairly high failure coverage where both computation and memory is protected against errors.A medida que los Sistemas de Cómputo de Alto rendimiento (HPC por sus siglas en inglés) siguen creciendo, también las tasas de fallos aumentan. Las aplicaciones que se ejecutan en estos sistemas tienen una tasa de fallos que pueden estar en el orden de horas o días. Además, algunos estudios predicen que los fallos estarán en el orden de minutos en los Sistemas Exascale. Por lo tanto, son necesarias soluciones eficientes para la tolerancia a fallos que puedan tolerar fallos frecuentes. Las soluciones para tolerancia a fallos en los Sistemas futuros de HPC y Exascale tienen que ser de bajo costo, eficientes y altamente escalable. El sobrecosto en la ejecución sin fallos debe ser bajo y también se debe proporcionar reinicio rápido, ya que se espera que las aplicaciones de larga duración experimenten muchos fallos durante la ejecución. Por otra parte, los modelos de programación paralelas basados en tareas ordenadas de acuerdo a sus dependencias de datos, se están convirtiendo en un paradigma popular en aplicaciones HPC a gran escala. Por ejemplo, los siguientes modelos de programación paralela incluyen este tipo de modelo de programación OpenMP 4.0, OmpSs, Argobots e Intel Threading Building Blocks. En esta tesis proponemos soluciones de tolerancia a fallos para aplicaciones de HPC programadas en un modelo de programación paralelo basado tareas. Específicamente, en primer lugar, diseñamos e implementamos mecanismos “checkpoint/restart” y “message-logging” para recuperarse de los errores. Para investigar los beneficios de nuestras herramientas a nivel de tarea cuando se integra con los “system-wide checkpointing” se han desarrollado modelos de rendimiento. Por otra parte, diseñamos e implementamos mecanismos de replicación selectiva de tareas que permiten detectar y recuperarse de daños de datos silenciosos en aplicaciones programadas siguiendo el modelo de programación paralela basadas en tareas. Por último, se introduce un esquema de codificación que funciona en tiempo de ejecución para detectar y recuperarse de los errores de la memoria en estas aplicaciones. Todos los esquemas propuestos, en conjunto, proporcionan una cobertura bastante alta a los fallos tanto si estos se producen el cálculo o en la memoria.Postprint (published version

Parallel architectures and runtime systems co-design for task-based programming models

The increasing parallelism levels in modern computing systems has extolled the need for a holistic vision when designing multiprocessor architectures taking in account the needs of the programming models and applications. Nowadays, system design consists of several layers on top of each other from the architecture up to the application software. Although this design allows to do a separation of concerns where it is possible to independently change layers due to a well-known interface between them, it is hampering future systems design as the Law of Moore reaches to an end. Current performance improvements on computer architecture are driven by the shrinkage of the transistor channel width, allowing faster and more power efficient chips to be made. However, technology is reaching physical limitations were the transistor size will not be able to be reduced furthermore and requires a change of paradigm in systems design. This thesis proposes to break this layered design, and advocates for a system where the architecture and the programming model runtime system are able to exchange information towards a common goal, improve performance and reduce power consumption. By making the architecture aware of runtime information such as a Task Dependency Graph (TDG) in the case of dataflow task-based programming models, it is possible to improve power consumption by exploiting the critical path of the graph. Moreover, the architecture can provide hardware support to create such a graph in order to reduce the runtime overheads and making possible the execution of fine-grained tasks to increase the available parallelism. Finally, the current status of inter-node communication primitives can be exposed to the runtime system in order to perform a more efficient communication scheduling, and also creates new opportunities of computation and communication overlap that were not possible before. An evaluation of the proposals introduced in this thesis is provided and a methodology to simulate and characterize the application behavior is also presented.El aumento del paralelismo proporcionado por los sistemas de cómputo modernos ha provocado la necesidad de una visión holística en el diseño de arquitecturas multiprocesador que tome en cuenta las necesidades de los modelos de programación y las aplicaciones. Hoy en día el diseño de los computadores consiste en diferentes capas de abstracción con una interfaz bien definida entre ellas. Las limitaciones de esta aproximación junto con el fin de la ley de Moore limitan el potencial de los futuros computadores. La mayoría de las mejoras actuales en el diseño de los computadores provienen fundamentalmente de la reducción del tamaño del canal del transistor, lo cual permite chips más rápidos y con un consumo eficiente sin apenas cambios fundamentales en el diseño de la arquitectura. Sin embargo, la tecnología actual está alcanzando limitaciones físicas donde no será posible reducir el tamaño de los transistores motivando así un cambio de paradigma en la construcción de los computadores. Esta tesis propone romper este diseño en capas y abogar por un sistema donde la arquitectura y el sistema de tiempo de ejecución del modelo de programación sean capaces de intercambiar información para alcanzar una meta común: La mejora del rendimiento y la reducción del consumo energético. Haciendo que la arquitectura sea consciente de la información disponible en el modelo de programación, como puede ser el grafo de dependencias entre tareas en los modelos de programación dataflow, es posible reducir el consumo energético explotando el camino critico del grafo. Además, la arquitectura puede proveer de soporte hardware para crear este grafo con el objetivo de reducir el overhead de construir este grado cuando la granularidad de las tareas es demasiado fina. Finalmente, el estado de las comunicaciones entre nodos puede ser expuesto al sistema de tiempo de ejecución para realizar una mejor planificación de las comunicaciones y creando nuevas oportunidades de solapamiento entre cómputo y comunicación que no eran posibles anteriormente. Esta tesis aporta una evaluación de todas estas propuestas, así como una metodología para simular y caracterizar el comportamiento de las aplicacionesPostprint (published version

Compiling for parallel multithreaded computation on symmetric multiprocessors

Thesis (Ph. D.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Electrical Engineering and Computer Science, 1998.Includes bibliographical references (p. 145-149).by Andrew Shaw.Ph.D