Engineering a static verification tool for GPU kernels

We report on practical experiences over the last 2.5 years related to the engineering of GPUVerify, a static verification tool for OpenCL and CUDA GPU kernels, plotting the progress of GPUVerify from a prototype to a fully functional and relatively efficient analysis tool. Our hope is that this experience report will serve the verification community by helping to inform future tooling efforts. © 2014 Springer International Publishing

Mangrove: an Inference-based Dynamic Invariant Mining for GPU Architectures

Likely invariants model properties that hold in operating conditions of a computing system. Dynamic mining of invariants aims at extracting logic formulas representing such properties from the system execution traces, and it is widely used for verification of intellectual property (IP) blocks. Although the extracted formulas represent likely invariants that hold in the considered traces, there is no guarantee that they are true in general for the system under verification. As a consequence, to increase the probability that the mined invariants are true in general, dynamic mining has to be performed to large sets of representative execution traces. This makes the execution-based mining process of actual IP blocks very time-consuming due to the trace lengths and to the large sets of monitored signals. This article presents extit{Mangrove}, an efficient implementation of a dynamic invariant mining algorithm for GPU architectures. Mangrove exploits inference rules, which are applied at run time to filter invariants from the execution traces and, thus, to sensibly reduce the problem complexity. Mangrove allows users to define invariant templates and, from these templates, it automatically generates kernels for parallel and efficient mining on GPU architectures. The article presents the tool, the analysis of its performance, and its comparison with the best sequential and parallel implementations at the state of the art

Accelerating Dynamical Density Response Code on Summit and Its Application for Computing the Density Response Function of Vanadium Sesquioxide

This thesis details the process of porting the Eguiluz group dynamical density response computational platform to the hybrid CPU+GPU environment at the Summit supercomputer at Oak Ridge National Laboratory (ORNL) Leadership Computing Center. The baseline CPU-only version is a Gordon Bell-winning platform within the formally-exact time-dependent density functional theory (TD-DFT) framework using the linearly augmented plane wave (LAPW) basis set. The code is accelerated using a combination of the OpenACC programming model and GPU libraries -- namely, the Matrix Algebra for GPU and Multicore Architectures (MAGMA) library -- as well as exploiting the sparsity pattern of the matrices involved in the matrix-matrix multiplication. Benchmarks show a 12.3x speedup compared to the CPU-only version. This performance boost should accelerate discovery in material and condensed matter physics through computational means. After the hybrid CPU+GPU code has been sufficiently optimized, it is used to study the dynamical density response function of vanadium sesquioxide, and the results are compared with spectroscopic data from non-resonant inelastic X-ray scattering {NIXS} experiments

Directive-based Approach to Heterogeneous Computing

El mundo de la computación de altas prestaciones está sufriendo grandes cambios que incrementan notablemente su complejidad. La incapacidad de los sistemas monoprocesador o incluso multiprocesador de mantener el incremento de la potencia de cómputo para suplir las necesidades de la comunidad científica ha forzado la irrupción de arquitecturas hardware masivamente paralelas y de unidades específicas para realizar operaciones concretas. Un buen ejemplo de este tipo de dispositivos son las GPU (Unidades de procesamiento gráfico). Estos dispositivos, tradicionalmente dedicados a la programación gráfica, se han convertido recientemente en una plataforma ideal para implementar cómputos masivamente paralelos. La combinación de GPUs para realizar tareas intensivas en cómputo con multi-procesadores para llevar tareas menos intensas pero con lógica de control más compleja, se ha convertido en los últimos años en una de las plataformas más comunes para la realización de cálculos científicos a bajo coste, dado que la potencia desplegada en muchos casos puede alcanzar la de clústers de pequeño o mediano tamaño, con un coste inicial y de mantenimiento notablemente inferior. La incorporación de GPUs en clústers ha permitido también aumentar la capacidad de éstos. Sin embargo, la complejidad de la programación de GPUs, y su integración con códigos existentes, dificultan enormemente la introducción de estas tecnologías entre usuarios menos expertos. En esta tésis exploramos la utilización de modelos de programación basados en directivas para este tipo de entornos, multi-core, many-core, GPUs y clústers, donde el usuario medio ve disminuida notablemente su productividad debido a la dificultad de programación en estos entornos. Para explorar la mejor forma de aplicar directivas en estos entornos, hemos desarrollado un conjunto de herramientas software altamente flexibles (un compilador y un runtime), que permiten explorar diversas técnicas con relativamente poco esfuerzo. La irrupción del estándar de programación de directivas de OpenACC nos permitió demostrar la capacidad de estas herramientas, realizando una implementación experimental del estándar (accULL) en muy poco tiempo y con un rendimiento nada desdeñable. Los resultados computacionales aportados nos permiten demostrar: (a) La disminución en el esfuerzo de programación que permiten las aproximaciones basadas en directivas, (b) La capacidad y flexibilidad de las herramientas diseñadas durante esta tésis para explorar estas aproximaciones y finalmente (c) El potencial de desarrollo futuro de accULL como herramienta experimental en OpenACC en base al rendimiento obtenido actualmente frente al rendimiento de otras aproximaciones comerciales

Optimización del rendimiento y la eficiencia energética en sistemas masivamente paralelos

RESUMEN Los sistemas heterogéneos son cada vez más relevantes, debido a sus capacidades de rendimiento y eficiencia energética, estando presentes en todo tipo de plataformas de cómputo, desde dispositivos embebidos y servidores, hasta nodos HPC de grandes centros de datos. Su complejidad hace que sean habitualmente usados bajo el paradigma de tareas y el modelo de programación host-device. Esto penaliza fuertemente el aprovechamiento de los aceleradores y el consumo energético del sistema, además de dificultar la adaptación de las aplicaciones. La co-ejecución permite que todos los dispositivos cooperen para computar el mismo problema, consumiendo menos tiempo y energía. No obstante, los programadores deben encargarse de toda la gestión de los dispositivos, la distribución de la carga y la portabilidad del código entre sistemas, complicando notablemente su programación. Esta tesis ofrece contribuciones para mejorar el rendimiento y la eficiencia energética en estos sistemas masivamente paralelos. Se realizan propuestas que abordan objetivos generalmente contrapuestos: se mejora la usabilidad y la programabilidad, a la vez que se garantiza una mayor abstracción y extensibilidad del sistema, y al mismo tiempo se aumenta el rendimiento, la escalabilidad y la eficiencia energética. Para ello, se proponen dos motores de ejecución con enfoques completamente distintos. EngineCL, centrado en OpenCL y con una API de alto nivel, favorece la máxima compatibilidad entre todo tipo de dispositivos y proporciona un sistema modular extensible. Su versatilidad permite adaptarlo a entornos para los que no fue concebido, como aplicaciones con ejecuciones restringidas por tiempo o simuladores HPC de dinámica molecular, como el utilizado en un centro de investigación internacional. Considerando las tendencias industriales y enfatizando la aplicabilidad profesional, CoexecutorRuntime proporciona un sistema flexible centrado en C++/SYCL que dota de soporte a la co-ejecución a la tecnología oneAPI. Este runtime acerca a los programadores al dominio del problema, posibilitando la explotación de estrategias dinámicas adaptativas que mejoran la eficiencia en todo tipo de aplicaciones.ABSTRACT Heterogeneous systems are becoming increasingly relevant, due to their performance and energy efficiency capabilities, being present in all types of computing platforms, from embedded devices and servers to HPC nodes in large data centers. Their complexity implies that they are usually used under the task paradigm and the host-device programming model. This strongly penalizes accelerator utilization and system energy consumption, as well as making it difficult to adapt applications. Co-execution allows all devices to simultaneously compute the same problem, cooperating to consume less time and energy. However, programmers must handle all device management, workload distribution and code portability between systems, significantly complicating their programming. This thesis offers contributions to improve performance and energy efficiency in these massively parallel systems. The proposals address the following generally conflicting objectives: usability and programmability are improved, while ensuring enhanced system abstraction and extensibility, and at the same time performance, scalability and energy efficiency are increased. To achieve this, two runtime systems with completely different approaches are proposed. EngineCL, focused on OpenCL and with a high-level API, provides an extensible modular system and favors maximum compatibility between all types of devices. Its versatility allows it to be adapted to environments for which it was not originally designed, including applications with time-constrained executions or molecular dynamics HPC simulators, such as the one used in an international research center. Considering industrial trends and emphasizing professional applicability, CoexecutorRuntime provides a flexible C++/SYCL-based system that provides co-execution support for oneAPI technology. This runtime brings programmers closer to the problem domain, enabling the exploitation of dynamic adaptive strategies that improve efficiency in all types of applications.Funding: This PhD has been supported by the Spanish Ministry of Education (FPU16/03299 grant), the Spanish Science and Technology Commission under contracts TIN2016-76635-C2-2-R and PID2019-105660RB-C22. This work has also been partially supported by the Mont-Blanc 3: European Scalable and Power Efficient HPC Platform based on Low-Power Embedded Technology project (G.A. No. 671697) from the European Union’s Horizon 2020 Research and Innovation Programme (H2020 Programme). Some activities have also been funded by the Spanish Science and Technology Commission under contract TIN2016-81840-REDT (CAPAP-H6 network). The Integration II: Hybrid programming models of Chapter 4 has been partially performed under the Project HPC-EUROPA3 (INFRAIA-2016-1-730897), with the support of the EC Research Innovation Action under the H2020 Programme. In particular, the author gratefully acknowledges the support of the SPMT Department of the High Performance Computing Center Stuttgart (HLRS)