Autotuning and Self-Adaptability in Concurrency Libraries

Autotuning is an established technique for optimizing the performance of parallel applications. However, programmers must prepare applications for autotuning, which is tedious and error prone coding work. We demonstrate how applications become ready for autotuning with few or no modifications by extending Threading Building Blocks (TBB), a library for parallel programming, with autotuning. The extended TBB library optimizes all application-independent tuning parameters fully automatically. We compare manual effort, autotuning overhead and performance gains on 17 examples. While some examples benefit only slightly, others speed up by 28% over standard TBB.Comment: Presented at 1st Workshop on Resource Awareness and Adaptivity in Multi-Core Computing (Racing 2014) (arXiv:1405.2281

Enhancing productivity and performance portability of opencl applications on heterogeneous systems using runtime optimizations

Initially driven by a strong need for increased computational performance in science and engineering, heterogeneous systems have become ubiquitous and they are getting increasingly complex. The single processor era has been replaced with multi-core processors, which have quickly been surrounded by satellite devices aiming to increase the throughput of the entire system. These auxiliary devices, such as Graphics Processing Units, Field Programmable Gate Arrays or other specialized processors have very different architectures. This puts an enormous strain on programming models and software developers to take full advantage of the computing power at hand. Because of this diversity and the unachievable flexibility and portability necessary to optimize for each target individually, heterogeneous systems remain typically vastly under-utilized. In this thesis, we explore two distinct ways to tackle this problem. Providing automated, non intrusive methods in the form of compiler tools and implementing efficient abstractions to automatically tune parameters for a restricted domain are two complementary approaches investigated to better utilize compute resources in heterogeneous systems. First, we explore a fully automated compiler based approach, where a runtime system analyzes the computation flow of an OpenCL application and optimizes it across multiple compute kernels. This method can be deployed on any existing application transparently and replaces significant software engineering effort spent to tune application for a particular system. We show that this technique achieves speedups of up to 3x over unoptimized code and an average of 1.4x over manually optimized code for highly dynamic applications. Second, a library based approach is designed to provide a high level abstraction for complex problems in a specific domain, stencil computation. Using domain specific techniques, the underlying framework optimizes the code aggressively. We show that even in a restricted domain, automatic tuning mechanisms and robust architectural abstraction are necessary to improve performance. Using the abstraction layer, we demonstrate strong scaling of various applications to multiple GPUs with a speedup of up to 1.9x on two GPUs and 3.6x on four

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)

Towards efficient exploitation of GPUs : a methodology for mapping index-digit algorithms

[Resumen]La computación de propósito general en GPUs supuso un gran paso, llevando la computación de alto rendimiento a los equipos domésticos. Lenguajes de programación de alto nivel como OpenCL y CUDA redujeron en gran medida la complejidad de programación. Sin embargo, para poder explotar totalmente el poder computacional de las GPUs, se requieren algoritmos paralelos especializados. La complejidad en la jerarquía de memoria y su arquitectura masivamente paralela hace que la programación de GPUs sea una tarea compleja incluso para programadores experimentados. Debido a la novedad, las librerías de propósito general son escasas y las versiones paralelas de los algoritmos no siempre están disponibles. En lugar de centrarnos en la paralelización de algoritmos concretos, en esta tesis proponemos una metodología general aplicable a la mayoría de los problemas de tipo divide y vencerás con una estructura de mariposa que puedan formularse a través de la representación Indice-Dígito. En primer lugar, se analizan los diferentes factores que afectan al rendimiento de la arquitectura de las GPUs. A continuación, estudiamos varias técnicas de optimización y diseñamos una serie de bloques constructivos modulares y reutilizables, que se emplean para crear los diferentes algoritmos. Por último, estudiamos el equilibrio óptimo de los recursos, y usando vectores de mapeo y operadores algebraicos ajustamos los algoritmos para las configuraciones deseadas. A pesar del enfoque centrado en la exibilidad y la facilidad de programación, las implementaciones resultantes ofrecen un rendimiento muy competitivo, que llega a superar conocidas librerías recientes.[Resumo] A computación de propósito xeral en GPUs supuxo un gran paso, levando a computación de alto rendemento aos equipos domésticos. Linguaxes de programación de alto nivel como OpenCL e CUDA reduciron en boa medida a complexidade da programación. Con todo, para poder aproveitar totalmente o poder computacional das GPUs, requírense algoritmos paralelos especializados. A complexidade na xerarquía de memoria e a súa arquitectura masivamente paralela fai que a programación de GPUs sexa unha tarefa complexa mesmo para programadores experimentados. Debido á novidade, as librarías de propósito xeral son escasas e as versións paralelas dos algoritmos non sempre están dispoñibles. En lugar de centrarnos na paralelización de algoritmos concretos, nesta tese propoñemos unha metodoloxía xeral aplicable á maioría dos problemas de tipo divide e vencerás cunha estrutura de bolboreta que poidan formularse a través da representación Índice-Díxito. En primeiro lugar, analízanse os diferentes factores que afectan ao rendemento da arquitectura das GPUs. A continuación, estudamos varias técnicas de optimización e deseñamos unha serie de bloques construtivos modulares e reutilizables, que se empregan para crear os diferentes algoritmos. Por último, estudamos o equilibrio óptimo dos recursos, e usando vectores de mapeo e operadores alxbricos axustamos os algoritmos para as configuracións desexadas. A pesar do enfoque centrado na exibilidade e a facilidade de programación, as implementacións resultantes ofrecen un rendemento moi competitivo, que chega a superar coñecidas librarías recentes.[Abstract]GPU computing supposed a major step forward, bringing high performance computing to commodity hardware. Feature-rich parallel languages like CUDA and OpenCL reduced the programming complexity. However, to fully take advantage of their computing power, specialized parallel algorithms are required. Moreover, the complex GPU memory hierarchy and highly threaded architecture makes programming a difficult task even for experienced programmers. Due to the novelty of GPU programming, common general purpose libraries are scarce and parallel versions of the algorithms are not always readily available. Instead of focusing in the parallelization of particular algorithms, in this thesis we propose a general methodology applicable to most divide-and-conquer problems with a buttery structure which can be formulated through the Index-Digit representation. First, we analyze the different performance factors of the GPU architecture. Next, we study several optimization techniques and design a series of modular and reusable building blocks, which will be used to create the different algorithms. Finally, we study the optimal resource balance, and through a mapping vector representation and operator algebra, we tune the algorithms for the desired configurations. Despite the focus on programmability and exibility, the resulting implementations offer very competitive performance, being able to surpass other well-known state of the art libraries

Tools for improving performance portability in heterogeneous environments

Programa Oficial de Doutoramento en Investigación en Tecnoloxías da Información. 524V01[Abstract] Parallel computing is currently partially dominated by the availability of heterogeneous devices. These devices differ from each other in aspects such as the instruction set they execute, the number and the type of computing devices that they offer or the structure of their memory systems. In the last years, langnages, libraries and extensions have appeared to allow to write a parallel code once aud run it in a wide variety of devices, OpenCL being the most widespread solution of this kind. However, functional portability does not imply performance portability. This way, one of the probletns that is still open in this field is to achieve automatic performance portability. That is, the ability to automatically tune a given code for any device where it will be execnted so that it ill obtain a good performance. This thesis develops three different solutions to tackle this problem. The three of them are based on typical source-to-sonrce optimizations for heterogeneous devices. Both the set of optimizations to apply and the way they are applied depend on different optimization parameters, whose values have to be tuned for each specific device. The first solution is OCLoptimizer, a source-to-source optimizer that can optimize annotated OpenCL kemels with the help of configuration files that guide the optimization process. The tool optimizes kernels for a specific device, and it is also able to automate the generation of functional host codes when only a single kernel is optimized. The two remaining solutions are built on top of the Heterogeneous Programming Library (HPL), a C++ framework that provides an easy and portable way to exploit heterogeneous computing systexns. The first of these solutions uses the run-time code generation capabilities of HPL to generate a self-optimizing version of a matrix multiplication that can optimize itself at run-time for an spedfic device. The last solutíon is the development of a built-in just-in-time optirnizer for HPL, that can optirnize, at run-tirne, a HPL code for an specific device. While the first two solutions use search processes to find the best values for the optimization parameters, this Iast alternative relies on heuristics bMed on general optirnization strategies.[Resumen] Actualmente la computación paralela se encuentra dominada parcialmente por los múltiples dispositivos heterogéneos disponibles. Estos dispositivos difieren entre sí en características tales como el conjunto de instrucciones que ejecutan, el número y tipo de unidades de computación que incluyen o la estructura de sus sistemas de memoria. Durante los últimos años han aparecido lenguajes, librerías y extensiones que permiten escribir una única vez la versión paralela de un código y ejecutarla en un amplio abanico de dispositivos, siendo de entre todos ellos OpenCL la solución más extendida. Sin embargo, la portabilidad funcional no implica portabilidad de rendimiento. Así, uno de los grandes problemas que sigue abierto en este campo es la automatización de la portabilidad de rendimiento, es decir, la capacidad de adaptar automáticamente un código dado para su ejecución en cualquier dispositivo y obtener un buen rendimiento. Esta tesis aborda este problema planteando tres soluciones diferentes al mismo. Las tres se basan en la aplicación de optimizaciones de código a código usadas habitualmente en dispositivos heterogéneos. Tanto el conjunto de optimizaciones a aplicar como la forma de aplicarlas dependen de varios parámetros de optimización, cuyos valores han de ser ajustados para cada dispositivo concreto. La primera solución planteada es OCLoptirnizer, un optimizador de código a código que a partir de kernels OpenCL anotados y ficheros de configuración como apoyo, obtiene versiones optimizada de dichos kernels para un dispositivo concreto. Además, cuando el kernel a optimizar es único, automatiza la generación de un código de host funcional para ese kernel. Las otras dos soluciones han sido implementadas utilizando Heterogeneous Prograrnming LibranJ (HPL), una librería C++ que permite programar sistemas heterogéneos de forma fácil y portable. La primera de estas soluciones explota las capacidades de generación de código en tiempo de ejecución de HPL para generar versiones de un producto de matrices que se adaptan automáticamente en tiempo de ejecución a las características de un dispositivo concreto. La última solución consiste en el desarrollo e incorporación a HPL de un optimizador al vuelo, de fonna que se puedan obtener en tiempo de ejecución versiones optimizadas de un código HPL para un dispositivo dado. Mientras las dos primeras soluciones usan procesos de búsqueda para encontrar los mejores valores para los parámetros de optimización, esta última altemativa se basa para ello en heurísticas definidas a partir de recomendaciones generales de optimización.[Resumo] Actualmente a computación paralela atópase dominada parcialmente polos múltiples dispositivos heteroxéneos dispoñibles. Estes dispositivos difiren entre si en características tales como o conxunto de instruccións que executan, o número e tipo de unidades de computación que inclúen ou a estrutura dos seus sistemas de mem~ ría. Nos últimos anos apareceron linguaxes, bibliotecas e extensións que permiten escribir unha soa vez a versión paralela dun código e executala nun amplio abano de dispositivos, senda de entre todos eles OpenCL a solución máis extendida. Porén, a portabilidade funcional non implica portabilidade de rendemento. Deste xeito, uns dos grandes problemas que segue aberto neste campo é a automatización da portabilidade de rendemento, isto é, a capacidade de adaptar automaticamente un código dado para a súa execución en calquera dispositivo e obter un bo rendemento. Esta tese aborda este problema propondo tres solucións diferentes. As tres están baseadas na aplicación de optimizacións de código a código usadas habitualmente en disp~ sitivos heteroxéneos. Tanto o conxunto de optimizacións a aplicar como a forma de aplicalas dependen de varios parámetros de optimización para os que é preciso fixar determinados valores en función do dispositivo concreto. A primeira solución pro posta é OCLoptirnizer, un optimizador de código a código que partindo de kemels OpenCL anotados e ficheiros de configuración de apoio, obtén versións optimizadas dos devanditos kernels para un dispositivo concreto. Amais, cando o kernel a optimizaré único, tarnén automatiza a xeración dun código de host funcional para ese kernel. As outras dúas solucións foron implementadas utilizando Heterogeneous Programming Library (HPL), unha biblioteca C++ que permite programar sistemas heteroxéneos de xeito fácil e portable. A primeira destas solucións explota as capacidades de xeración de código en tempo de execución de HPL para xerar versións dun produto de matrices que se adaptan automaticamente ás características dun dispositivo concreto. A última solución consiste no deseuvolvemento e incorporación a HPL dun optimizador capaz de obter en tiempo de execución versións optimizada<; dun código HPL para un dispositivo dado. Mentres as dúas primeiras solucións usan procesos de procura para atopar os mellares valores para os parámetros de optimización, esta última alternativa baséase para iso en heurísticas definidas a partir de recomendacións xerais de optimización

Scalable Observation, Analysis, and Tuning for Parallel Portability in HPC

It is desirable for general productivity that high-performance computing applications be portable to new architectures, or can be optimized for new workflows and input types, without the need for costly code interventions or algorithmic re-writes. Parallel portability programming models provide the potential for high performance and productivity, however they come with a multitude of runtime parameters that can have significant impact on execution performance. Selecting the optimal set of parameters, so that HPC applications perform well in different system environments and on different input data sets, is not trivial.This dissertation maps out a vision for addressing this parallel portability challenge, and then demonstrates this plan through an effective combination of observability, analysis, and in situ machine learning techniques. A platform for general-purpose observation in HPC contexts is investigated, along with support for its use in human-in-the-loop performance understanding and analysis. The dissertation culminates in a demonstration of lessons learned in order to provide automated tuning of HPC applications utilizing parallel portability frameworks

A Contribution to Resource-Aware Architectures for Humanoid Robots

The goal of this work is to provide building blocks for resource-aware robot architectures. The topic of these blocks are data-driven generation of context-sensitive resource models, prediction of future resource utilizations, and resource-aware computer vision and motion planning algorithms. The implementation of these algorithms is based on resource-aware concepts and methodologies originating from the Transregional Collaborative Research Center "Invasive Computing" (SFB/TR 89)