Performance Analysis and Optimization of Sparse Matrix-Vector Multiplication on Modern Multi- and Many-Core Processors

This paper presents a low-overhead optimizer for the ubiquitous sparse matrix-vector multiplication (SpMV) kernel. Architectural diversity among different processors together with structural diversity among different sparse matrices lead to bottleneck diversity. This justifies an SpMV optimizer that is both matrix- and architecture-adaptive through runtime specialization. To this direction, we present an approach that first identifies the performance bottlenecks of SpMV for a given sparse matrix on the target platform either through profiling or by matrix property inspection, and then selects suitable optimizations to tackle those bottlenecks. Our optimization pool is based on the widely used Compressed Sparse Row (CSR) sparse matrix storage format and has low preprocessing overheads, making our overall approach practical even in cases where fast decision making and optimization setup is required. We evaluate our optimizer on three x86-based computing platforms and demonstrate that it is able to distinguish and appropriately optimize SpMV for the majority of matrices in a representative test suite, leading to significant speedups over the CSR and Inspector-Executor CSR SpMV kernels available in the latest release of the Intel MKL library.Comment: 10 pages, 7 figures, ICPP 201

Multicore architecture optimizations for HPC applications

From single-core CPUs to detachable compute accelerators, supercomputers made a tremendous progress by using available transistors on chip and specializing hardware for a given type of computation. Today, compute nodes used in HPC employ multi-core CPUs tailored for serial execution and multiple accelerators (many-core devices or GPUs) for throughput computing. However, designing next-generation HPC system requires not only the performance improvement but also better energy efficiency. Current trend of reaching exascale level of computation asks for at least an order of magnitude increase in both of these metrics. This thesis explores HPC-specific optimizations in order to make better utilization of the available transistors and to improve performance by transparently executing parallel code across multiple GPU accelerators. First, we analyze several HPC benchmark suites, compare them against typical desktop applications, and identify the differences which advocate for proper core tailoring. Moreover, within the HPC applications, we evaluate serial and parallel code sections separately, resulting in an Asymmetric Chip Multiprocessor (ACMP) design with one core optimized for single-thread performance and many lean cores for parallel execution. Our results presented here suggests downsizing of core front-end structures providing an HPC-tailored lean core which saves 16% of the core area and 7% of power, without performance loss. Further improving an ACMP design, we identify that multiple lean cores run the same code during parallel regions. This motivated us to evaluate the idea where lean cores share the I-cache with the intent of benefiting from mutual prefetching, without increasing the average access latency. Our exploration of the multiple parameters finds the sweet spot on a wide interconnect to access the shared I-cache and the inclusion of a few line buffers to provide the required bandwidth and latency to sustain performance. The projections presented in this thesis show additional 11% area savings with a 5% energy reduction at no performance cost. These area and power savings might be attractive for many-core accelerators either for increasing the performance per area and power unit, or adding additional cores and thus improving the performance for the same hardware budget. Finally, in this thesis we study the effects of future NUMA accelerators comprised of multiple GPU devices. Reaching the limits of a single-GPU die size, next-generation GPU compute accelerators will likely embrace multi-socket designs increasing the core count and memory bandwidth. However, maintaining the UMA behavior of a single-GPU in multi-GPU systems without code rewriting stands as a challenge. We investigate multi-socket NUMA GPU designs and show that significant changes are needed to both the GPU interconnect and cache architectures to achieve performance scalability. We show that application phase effects can be exploited allowing GPU sockets to dynamically optimize their individual interconnect and cache policies, minimizing the impact of NUMA effects. Our NUMA-aware GPU outperforms a single GPU by 1.5×, 2.3×, and 3.2× while achieving 89%, 84%, and 76% of theoretical application scalability in 2, 4, and 8 sockets designs respectively. Implementable today, NUMA-aware multi-socket GPUs may be a promising candidate for performance scaling of future compute nodes used in HPC.Empezando por CPUs de un solo procesador, y pasando por aceleradores discretos, los supercomputadores han avanzado enormemente utilizando todos los transistores disponibles en el chip, y especializando los diseños para cada tipo de cálculo. Actualmente, los nodos de cálculo de un sistema de Computación de Altas Prestaciones (CAP) utilizan CPUs de múltiples procesadores, optimizados para el cálculo serial de instrucciones, y múltiples aceleradores (aceleradores gráficos, o many-core), optimizados para el cálculo paralelo. El diseño de un sistema CAP de nueva generación requiere no solo mejorar el rendimiento de cálculo, sino también mejorar la eficiencia energética. La siguiente generación de sistemas requiere mejorar un orden de magnitud en ambas métricas simultáneamente. Esta tesis doctoral explora optimizaciones específicas para sistemas CAP para hacer un mejor uso de los transistores, y para mejorar las prestaciones de forma transparente ejecutando las aplicaciones en múltiples aceleradores en paralelo. Primero, analizamos varios conjuntos de aplicaciones CAP, y las comparamos con aplicaciones para servidores y escritorio, identificando las principales diferencias que nos indican cómo ajustar la arquitectura para CAP. En las aplicaciones CAP, también analizamos la parte secuencial del código y la parte paralela de forma separada, . El resultado de este análisis nos lleva a proponer una arquitectura multiprocesador asimétrica (ACMP) , con un procesador optimizado para el código secuencial, y múltiples procesadores, más pequeños, optimizados para el procesamiento paralelo. Nuestros resultados muestran que reducir el tamaño de las estructuras del front-end (fetch, y predicción de saltos) en los procesadores paralelos nos proporciona un 16% extra de área en el chip, y una reducción de consumo del 7%. Como mejora a nuestra arquitectura ACMP, proponemos explotar el hecho de que todos los procesadores paralelos ejecutan el mismo código al mismo tiempo. Evaluamos una propuesta en que los procesadores paralelos comparten la caché de instrucciones, con la intención de que uno de ellos precargue las instrucciones para los demás procesadores (prefetching), sin aumentar la latencia media de acceso. Nuestra exploración de los distintos parámetros determina que el punto óptimo requiere una interconexión de alto ancho de banda para acceder a la caché compartida, y el uso de unos pocos line buffers para mantener el ancho de banda y la latencia necesarios. Nuestras proyecciones muestran un ahorro adicional del 11% en área y el 5% en energía, sin impacto en el rendimiento. Estos ahorros de área y energía permiten a un multiprocesador incrementar la eficiencia energética, o aumentar el rendimiento añadiendo procesador adicionales. Por último, estudiamos el efecto de usar múltiples aceleradores (GPU) en una arquitectura con tiempo de acceso a memoria no uniforme (NUMA). Una vez alcanzado el límite de número de transistores y tamaño máximo por chip, la siguiente generación de aceleradores deberá utilizar múltiples chips para aumentar el número de procesadores y el ancho de banda de acceso a memoria. Sin embargo, es muy difícil mantener la ilusión de un tiempo de acceso a memoria uniforme en un sistema multi-GPU sin reescribir el código de la aplicación. Nuestra investigación sobre sistemas multi-GPU muestra retos significativos en el diseño de la interconexión entre las GPU y la jerarquía de memorias cache. Nuestros resultados muestran que se puede explotar el comportamiento en fases de las aplicaciones para optimizar la configuración de la interconexión y las cachés de forma dinámica, minimizando el impacto de la arquitectura NUMA. Nuestro diseño mejora el rendimiento de un sistema con una única GPU en 1.5x, 2.3x y 3.2x (el 89%, 84%, y 76% del máximo teórico) usando 2, 4, y 8 GPUs en paralelo. Siendo su implementación posible hoy en dia, los nodos de cálculo con múltiples aceleradores son una alternativa atractiva para futuros sistemas CAP

Multicore architecture optimizations for HPC applications

From single-core CPUs to detachable compute accelerators, supercomputers made a tremendous progress by using available transistors on chip and specializing hardware for a given type of computation. Today, compute nodes used in HPC employ multi-core CPUs tailored for serial execution and multiple accelerators (many-core devices or GPUs) for throughput computing. However, designing next-generation HPC system requires not only the performance improvement but also better energy efficiency. Current trend of reaching exascale level of computation asks for at least an order of magnitude increase in both of these metrics. This thesis explores HPC-specific optimizations in order to make better utilization of the available transistors and to improve performance by transparently executing parallel code across multiple GPU accelerators. First, we analyze several HPC benchmark suites, compare them against typical desktop applications, and identify the differences which advocate for proper core tailoring. Moreover, within the HPC applications, we evaluate serial and parallel code sections separately, resulting in an Asymmetric Chip Multiprocessor (ACMP) design with one core optimized for single-thread performance and many lean cores for parallel execution. Our results presented here suggests downsizing of core front-end structures providing an HPC-tailored lean core which saves 16% of the core area and 7% of power, without performance loss. Further improving an ACMP design, we identify that multiple lean cores run the same code during parallel regions. This motivated us to evaluate the idea where lean cores share the I-cache with the intent of benefiting from mutual prefetching, without increasing the average access latency. Our exploration of the multiple parameters finds the sweet spot on a wide interconnect to access the shared I-cache and the inclusion of a few line buffers to provide the required bandwidth and latency to sustain performance. The projections presented in this thesis show additional 11% area savings with a 5% energy reduction at no performance cost. These area and power savings might be attractive for many-core accelerators either for increasing the performance per area and power unit, or adding additional cores and thus improving the performance for the same hardware budget. Finally, in this thesis we study the effects of future NUMA accelerators comprised of multiple GPU devices. Reaching the limits of a single-GPU die size, next-generation GPU compute accelerators will likely embrace multi-socket designs increasing the core count and memory bandwidth. However, maintaining the UMA behavior of a single-GPU in multi-GPU systems without code rewriting stands as a challenge. We investigate multi-socket NUMA GPU designs and show that significant changes are needed to both the GPU interconnect and cache architectures to achieve performance scalability. We show that application phase effects can be exploited allowing GPU sockets to dynamically optimize their individual interconnect and cache policies, minimizing the impact of NUMA effects. Our NUMA-aware GPU outperforms a single GPU by 1.5×, 2.3×, and 3.2× while achieving 89%, 84%, and 76% of theoretical application scalability in 2, 4, and 8 sockets designs respectively. Implementable today, NUMA-aware multi-socket GPUs may be a promising candidate for performance scaling of future compute nodes used in HPC.Empezando por CPUs de un solo procesador, y pasando por aceleradores discretos, los supercomputadores han avanzado enormemente utilizando todos los transistores disponibles en el chip, y especializando los diseños para cada tipo de cálculo. Actualmente, los nodos de cálculo de un sistema de Computación de Altas Prestaciones (CAP) utilizan CPUs de múltiples procesadores, optimizados para el cálculo serial de instrucciones, y múltiples aceleradores (aceleradores gráficos, o many-core), optimizados para el cálculo paralelo. El diseño de un sistema CAP de nueva generación requiere no solo mejorar el rendimiento de cálculo, sino también mejorar la eficiencia energética. La siguiente generación de sistemas requiere mejorar un orden de magnitud en ambas métricas simultáneamente. Esta tesis doctoral explora optimizaciones específicas para sistemas CAP para hacer un mejor uso de los transistores, y para mejorar las prestaciones de forma transparente ejecutando las aplicaciones en múltiples aceleradores en paralelo. Primero, analizamos varios conjuntos de aplicaciones CAP, y las comparamos con aplicaciones para servidores y escritorio, identificando las principales diferencias que nos indican cómo ajustar la arquitectura para CAP. En las aplicaciones CAP, también analizamos la parte secuencial del código y la parte paralela de forma separada, . El resultado de este análisis nos lleva a proponer una arquitectura multiprocesador asimétrica (ACMP) , con un procesador optimizado para el código secuencial, y múltiples procesadores, más pequeños, optimizados para el procesamiento paralelo. Nuestros resultados muestran que reducir el tamaño de las estructuras del front-end (fetch, y predicción de saltos) en los procesadores paralelos nos proporciona un 16% extra de área en el chip, y una reducción de consumo del 7%. Como mejora a nuestra arquitectura ACMP, proponemos explotar el hecho de que todos los procesadores paralelos ejecutan el mismo código al mismo tiempo. Evaluamos una propuesta en que los procesadores paralelos comparten la caché de instrucciones, con la intención de que uno de ellos precargue las instrucciones para los demás procesadores (prefetching), sin aumentar la latencia media de acceso. Nuestra exploración de los distintos parámetros determina que el punto óptimo requiere una interconexión de alto ancho de banda para acceder a la caché compartida, y el uso de unos pocos line buffers para mantener el ancho de banda y la latencia necesarios. Nuestras proyecciones muestran un ahorro adicional del 11% en área y el 5% en energía, sin impacto en el rendimiento. Estos ahorros de área y energía permiten a un multiprocesador incrementar la eficiencia energética, o aumentar el rendimiento añadiendo procesador adicionales. Por último, estudiamos el efecto de usar múltiples aceleradores (GPU) en una arquitectura con tiempo de acceso a memoria no uniforme (NUMA). Una vez alcanzado el límite de número de transistores y tamaño máximo por chip, la siguiente generación de aceleradores deberá utilizar múltiples chips para aumentar el número de procesadores y el ancho de banda de acceso a memoria. Sin embargo, es muy difícil mantener la ilusión de un tiempo de acceso a memoria uniforme en un sistema multi-GPU sin reescribir el código de la aplicación. Nuestra investigación sobre sistemas multi-GPU muestra retos significativos en el diseño de la interconexión entre las GPU y la jerarquía de memorias cache. Nuestros resultados muestran que se puede explotar el comportamiento en fases de las aplicaciones para optimizar la configuración de la interconexión y las cachés de forma dinámica, minimizando el impacto de la arquitectura NUMA. Nuestro diseño mejora el rendimiento de un sistema con una única GPU en 1.5x, 2.3x y 3.2x (el 89%, 84%, y 76% del máximo teórico) usando 2, 4, y 8 GPUs en paralelo. Siendo su implementación posible hoy en dia, los nodos de cálculo con múltiples aceleradores son una alternativa atractiva para futuros sistemas CAP.Postprint (published version

Performance analysis and tuning in multicore environments

Performance analysis is the task of monitor the behavior of a program execution. The main goal is to find out the possible adjustments that might be done in order improve the performance. To be able to get that improvement it is necessary to find the different causes of overhead. Nowadays we are already in the multicore era, but there is a gap between the level of development of the two main divisions of multicore technology (hardware and software). When we talk about multicore we are also speaking of shared memory systems, on this master thesis we talk about the issues involved on the performance analysis and tuning of applications running specifically in a shared Memory system. We move one step ahead to take the performance analysis to another level by analyzing the applications structure and patterns. We also present some tools specifically addressed to the performance analysis of OpenMP multithread application. At the end we present the results of some experiments performed with a set of OpenMP scientific application.Análisis de rendimiento es el área de estudio encargada de monitorizar el comportamiento de la ejecución de programas informáticos. El principal objetivo es encontrar los posibles ajustes que serán necesarios para mejorar el rendimiento. Para poder obtener esa mejora es necesario encontrar las principales causas de overhead. Actualmente estamos sumergidos en la era multicore, pero existe una brecha entre el nivel de desarrollo de sus dos principales divisiones (hardware y software). Cuando hablamos de multicore también estamos hablando de sistemas de memoria compartida. Nosotros damos un paso más al abordar el análisis de rendimiento a otro nivel por medio del estudio de la estructura de las aplicaciones y sus patrones. También presentamos herramientas de análisis de aplicaciones que son específicas para el análisis de rendimiento de aplicaciones paralelas desarrolladas con OpenMP. Al final presentamos los resultados de algunos experimentos realizados con un grupo de aplicaciones científicas desarrolladas bajo este modelo de programación.L'Anàlisi de rendiment és l'àrea d'estudi encarregada de monitorar el comportament de l'execució de programes informàtics. El principal objectiu és trobar els possibles ajustaments que seran necessaris per a millorar el rendiment. Per a poder obtenir aquesta millora és necessari trobar les principals causes de l'overhead (excessos de computació no productiva). Actualment estem immersos en l'era multicore, però existeix una rasa entre el nivell de desenvolupament de les seves dues principals divisions (maquinari i programari). Quan parlam de multicore, també estem parlant de sistemes de memòria compartida. Nosaltres donem un pas més per a abordar l'anàlisi de rendiment en un altre nivell per mitjà de l'estudi de l'estructura de les aplicacions i els seus patrons. També presentem eines d'anàlisis d'aplicacions que són específiques per a l'anàlisi de rendiment d'aplicacions paral·leles desenvolupades amb OpenMP. Al final, presentem els resultats d'alguns experiments realitzats amb un grup d'aplicacions científiques desenvolupades sota aquest model de programació

Sharing the instruction cache among lean cores on an asymmetric CMP for HPC applications

High performance computing (HPC) applications have parallel code sections that must scale to large numbers of cores, which makes them sensitive to serial regions. Current supercomputing systems with heterogeneous or asymmetric CMPs (ACMP) combine few high-performance big cores for serial regions, together with many low-power lean cores for throughput computing. The low requirements of HPC applications in the core front-end lead some designs, such as SMT and GPU cores, to share front-end structures including the instruction cache (I-cache). However, little work exists to analyze the benefit of sharing the I-cache among full cores, which seems compelling as a solution to reduce silicon area and power. This paper analyzes the performance, power and area impact of such a design on an ACMP with one high-performance core and multiple low-power cores. Having identified that multiple cores run the same code during parallel regions, the lean cores share the I-cache with the intent of benefiting from mutual prefetching, without increasing the average access latency. Our exploration of the multiple parameters finds the sweet spot on a wide interconnect to access the shared I-cache and the inclusion of a few line buffers to provide the required bandwidth and latency to sustain performance. The projections with McPAT and a rich set of HPC benchmarks show 11% area savings with a 5% energy reduction at no performance cost.The research was supported by European Unions 7th Framework Programme [FP7/2007-2013] under project Mont-Blanc (288777), the Ministry of Economy and Competitiveness of Spain (TIN2012-34557, TIN2015-65316-P, and BES-2013-063925), Generalitat de Catalunya (2014-SGR-1051 and 2014-SGR-1272), HiPEAC-3 Network of Excellence (ICT-287759), and finally the Severo Ochoa Program (SEV-2011-00067) of the Spanish Government.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Rebalancing the core front-end through HPC code analysis

There is a need to increase performance under the same power and area envelope to achieve Exascale technology in high performance computing (HPC). The today's chip multiprocessor (CMP) design is tailored by traditional desktop and server workloads, different from parallel applications commonly run in HPC. In this work, we focus on the HPC code characteristics and processor front-end which factors around 30% of core power and area on the emerging lean-core type of processors used in HPC. Separating serial from parallel code sections inside applications, we characterize three HPC benchmark suites and compare them to a traditional set of desktop integer workloads. HPC applications have biased and mostly backward taken branches, small dynamic instruction footprints, and long basic blocks. Our findings suggest smaller branch predictors (BP) with the additional loop BP, smaller branch target buffers (BTB), and smaller L1 instruction caches (I-cache) with wider lines. Still, the aforementioned downsizing applies only to the cores meant to run parallel code. The difference between serial and parallel code sections in HPC applications points to an asymmetric CMP design, with one baseline core for sequential and many HPCtailored cores designed for parallel code. Predictions using Sniper simulator and McPAT show that an HPC-tailored lean core saves 16% of the core area and 7% of power compared to a baseline core, without performance loss. Using the area savings to add an extra core, an asymmetric CMP with one baseline and eight tailored cores has the same area budget as a symmetric CMP composed out of eight baseline cores demanding 4% more power and providing 12% shorter execution time on average.Postprint (author's final draft

Factores de rendimiento en entornos multicore

Este documento refleja el estudio de investigación para la detección de factores que afectan al rendimiento en entornos multicore. Debido a la gran diversidad de arquitecturas multicore se ha definido un marco de trabajo, que consiste en la adopción de una arquitectura específica, un modelo de programación basado en paralelismo de datos, y aplicaciones del tipo Single Program Multiple Data. Una vez definido el marco de trabajo, se han evaluado los factores de rendimiento con especial atención al modelo de programación. Por este motivo, se ha analizado la librería de threads y la API OpenMP para detectar aquellas funciones sensibles de ser sintonizadas al permitir un comportamiento adaptativo de la aplicación al entorno, y que dependiendo de su adecuada utilización han de mejorar el rendimiento de la aplicación.Aquest document reflexa l'estudi d'investigació per a la detecció de factors que afecten al rendiment en entorns multicore. Degut a la gran quantitat d'arquitectures multicore s'ha definit un marc de treball acotat, que consisteix en la adopció d'una arquitectura específica, un model de programació basat en paral·lelisme de dates, i aplicacions del tipus Single Program Multiple Data. Una vegada definit el marc de treball, s'han avaluat els factors de rendiment amb especial atenció al model de programació. Per aquest motiu, s'ha analitzat la llibreria de thread i la API OpenMP per a detectar aquelles funcions sensibles de ser sintonitzades, al permetre un comportament adaptatiu de l'aplicació a l'entorn, i que, depenent de la seva adequada utilització s'aconsegueix una millora en el rendiment de la aplicació.This work reflects research studies for the detection of factors that affect performance in multicore environments. Due to the wide variety of multicore architectures we have defined a framework, consisting of a specific architecture, a programming model based on data parallelism, and Single Program Multiple Data applications. Having defined the framework, we evaluate the performance factors with special attention to programming model. For this reason, we have analyzed threaad libreary and OpenMP API to detect thos candidates functions to be tuned, allowin applications to beave adaptively to the computing environment, and based on their propper use will improve performance