Automatic parallelization of array-oriented programs for a multi-core machine

Abstract We present the work on automatic parallelization of array-oriented programs for multi-core machines. Source programs written in standard APL are translated by a parallelizing APL-to-C compiler into parallelized C code, i.e. C mixed with OpenMP directives. We describe techniques such as virtual operations and datapartitioning used to effectively exploit parallelism structured around array-primitives. We present runtime performance data, showing the speedup of the resulting parallelized code, using different numbers of threads and different problem sizes, on a 4-core machine, for several examples

XARK: an extensible framework for automatic recognition of computational kernels

This is a post-peer-review, pre-copyedit version of an article published in ACM Transactions on Programming Languages and Systems. The final authenticated version is available online at: http://dx.doi.org/10.1145/1391956.1391959[Abstract] The recognition of program constructs that are frequently used by software developers is a powerful mechanism for optimizing and parallelizing compilers to improve the performance of the object code. The development of techniques for automatic recognition of computational kernels such as inductions, reductions and array recurrences has been an intensive research area in the scope of compiler technology during the 90's. This article presents a new compiler framework that, unlike previous techniques that focus on specific and isolated kernels, recognizes a comprehensive collection of computational kernels that appear frequently in full-scale real applications. The XARK compiler operates on top of the Gated Single Assignment (GSA) form of a high-level intermediate representation (IR) of the source code. Recognition is carried out through a demand-driven analysis of this high-level IR at two different levels. First, the dependences between the statements that compose the strongly connected components (SCCs) of the data-dependence graph of the GSA form are analyzed. As a result of this intra-SCC analysis, the computational kernels corresponding to the execution of the statements of the SCCs are recognized. Second, the dependences between statements of different SCCs are examined in order to recognize more complex kernels that result from combining simpler kernels in the same code. Overall, the XARK compiler builds a hierarchical representation of the source code as kernels and dependence relationships between those kernels. This article describes in detail the collection of computational kernels recognized by the XARK compiler. Besides, the internals of the recognition algorithms are presented. The design of the algorithms enables to extend the recognition capabilities of XARK to cope with new kernels, and provides an advanced symbolic analysis framework to run other compiler techniques on demand. Finally, extensive experiments showing the effectiveness of XARK for a collection of benchmarks from different application domains are presented. In particular, the SparsKit-II library for the manipulation of sparse matrices, the Perfect benchmarks, the SPEC CPU2000 collection and the PLTMG package for solving elliptic partial differential equations are analyzed in detail.Ministeiro de Educación y Ciencia; TIN2004-07797-C02Ministeiro de Educación y Ciencia; TIN2007-67537-C03Xunta de Galicia; PGIDIT05PXIC10504PNXunta de Galicia; PGIDIT06PXIB105228P

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

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

Automatic Parallelization for Graphics Processing Units in JikesRVM

Accelerated graphics cards, or Graphics Processing Units (GPUs), have become ubiquitous in recent years. On the right kinds of problems, GPUs greatly surpass CPUs in terms of raw performance. However, GPUs are currently used only for a narrow class of special-purpose applications; the raw processing power available in a typical desktop PC is unused most of the time. The goal of this work is to present an extension to JikesRVM that automatically executes suitable code on the GPU instead of the CPU. Both static and dynamic features are used to decide whether it is feasible and beneficial to off-load a piece of code on the GPU. Feasible code is discovered by an implementation of data dependence analysis. A cost model that balances the speedup available from the GPU against the cost of transferring input and output data between main memory and GPU memory has been deployed to determine if a feasible parallelization is indeed beneficial. The cost model is parameterized so that it can be applied to different hardware combinations. We also present ways to overcome several obstacles to parallelization inherent in the design of the Java bytecode language: unstructured control flow, the lack of multi-dimensional arrays, the precise exception semantics, and the proliferation of indirect references

The deep space network

The progress is reported of Deep Space Network (DSN) research in the following areas: (1) flight project support, (2) spacecraft/ground communications, (3) station control and operations technology, (4) network control and processing, and (5) deep space stations. A description of the DSN functions and facilities is included