CMP off-chip bandwidth scheduling guided by instruction criticality

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Intelligent Scheduling and Memory Management Techniques for Modern GPU Architectures

abstract: With the massive multithreading execution feature, graphics processing units (GPUs) have been widely deployed to accelerate general-purpose parallel workloads (GPGPUs). However, using GPUs to accelerate computation does not always gain good performance improvement. This is mainly due to three inefficiencies in modern GPU and system architectures. First, not all parallel threads have a uniform amount of workload to fully utilize GPU’s computation ability, leading to a sub-optimal performance problem, called warp criticality. To mitigate the degree of warp criticality, I propose a Criticality-Aware Warp Acceleration mechanism, called CAWA. CAWA predicts and accelerates the critical warp execution by allocating larger execution time slices and additional cache resources to the critical warp. The evaluation result shows that with CAWA, GPUs can achieve an average of 1.23x speedup. Second, the shared cache storage in GPUs is often insufficient to accommodate demands of the large number of concurrent threads. As a result, cache thrashing is commonly experienced in GPU’s cache memories, particularly in the L1 data caches. To alleviate the cache contention and thrashing problem, I develop an instruction aware Control Loop Based Adaptive Bypassing algorithm, called Ctrl-C. Ctrl-C learns the cache reuse behavior and bypasses a portion of memory requests with the help of feedback control loops. The evaluation result shows that Ctrl-C can effectively improve cache utilization in GPUs and achieve an average of 1.42x speedup for cache sensitive GPGPU workloads. Finally, GPU workloads and the co-located processes running on the host chip multiprocessor (CMP) in a heterogeneous system setup can contend for memory resources in multiple levels, resulting in significant performance degradation. To maximize the system throughput and balance the performance degradation of all co-located applications, I design a scalable performance degradation predictor specifically for heterogeneous systems, called HeteroPDP. HeteroPDP predicts the application execution time and schedules OpenCL workloads to run on different devices based on the optimization goal. The evaluation result shows HeteroPDP can improve the system fairness from 24% to 65% when an OpenCL application is co-located with other processes, and gain an additional 50% speedup compared with always offloading the OpenCL workload to GPUs. In summary, this dissertation aims to provide insights for the future microarchitecture and system architecture designs by identifying, analyzing, and addressing three critical performance problems in modern GPUs.Dissertation/ThesisDoctoral Dissertation Computer Engineering 201

Runtime-assisted optimizations in the on-chip memory hierarchy

Following Moore's Law, the number of transistors on chip has been increasing exponentially, which has led to the increasing complexity of modern processors. As a result, the efficient programming of such systems has become more difficult. Many programming models have been developed to answer this issue. Of particular interest are task-based programming models that employ simple annotations to define parallel work in an application. The information available at the level of the runtime systems associated with these programming models offers great potential for improving hardware design. Moreover, due to technological limitations, Moore's Law is predicted to eventually come to an end, so novel paradigms are necessary to maintain the current performance improvement trends. The main goal of this thesis is to exploit the knowledge about a parallel application available at the runtime system level to improve the design of the on-chip memory hierarchy. The coupling of the runtime system and the microprocessor enables a better hardware design without hurting the programmability. The first contribution is a set of insertion policies for shared last-level caches that exploit information about tasks and task data dependencies. The intuition behind this proposal revolves around the observation that parallel threads exhibit different memory access patterns. Even within the same thread, accesses to different variables often follow distinct patterns. The proposed policies insert cache lines into different logical positions depending on the dependency type and task type to which the corresponding memory request belongs. The second proposal optimizes the execution of reductions, defined as a programming pattern that combines input data to form the resulting reduction variable. This is achieved with a runtime-assisted technique for performing reductions in the processor's cache hierarchy. The proposal's goal is to be a universally applicable solution regardless of the reduction variable type, size and access pattern. On the software level, the programming model is extended to let a programmer specify the reduction variables for tasks, as well as the desired cache level where a certain reduction will be performed. The source-to-source compiler and the runtime system are extended to translate and forward this information to the underlying hardware. On the hardware level, private and shared caches are equipped with functional units and the accompanying logic to perform reductions at the cache level. This design avoids unnecessary data movements to the core and back as the data is operated at the place where it resides. The third contribution is a runtime-assisted prioritization scheme for memory requests inside the on-chip memory hierarchy. The proposal is based on the notion of a critical path in the context of parallel codes and a known fact that accelerating critical tasks reduces the execution time of the whole application. In the context of this work, task criticality is observed at a level of a task type as it enables simple annotation by the programmer. The acceleration of critical tasks is achieved by the prioritization of corresponding memory requests in the microprocessor.Siguiendo la ley de Moore, el número de transistores en los chips ha crecido exponencialmente, lo que ha comportado una mayor complejidad en los procesadores modernos y, como resultado, de la dificultad de la programación eficiente de estos sistemas. Se han desarrollado muchos modelos de programación para resolver este problema; un ejemplo particular son los modelos de programación basados en tareas, que emplean anotaciones sencillas para definir los Trabajos paralelos de una aplicación. La información de que disponen los sistemas en tiempo de ejecución (runtime systems) asociada con estos modelos de programación ofrece un enorme potencial para la mejora del diseño del hardware. Por otro lado, las limitaciones tecnológicas hacen que la ley de Moore pueda dejar de cumplirse próximamente, por lo que se necesitan paradigmas nuevos para mantener las tendencias actuales de mejora de rendimiento. El objetivo principal de esta tesis es aprovechar el conocimiento de las aplicaciones paral·leles de que dispone el runtime system para mejorar el diseño de la jerarquía de memoria del chip. El acoplamiento del runtime system junto con el microprocesador permite realizar mejores diseños hardware sin afectar Negativamente en la programabilidad de dichos sistemas. La primera contribución de esta tesis consiste en un conjunto de políticas de inserción para las memorias caché compartidas de último nivel que aprovecha la información de las tareas y las dependencias de datos entre estas. La intuición tras esta propuesta se basa en la observación de que los hilos de ejecución paralelos muestran distintos patrones de acceso a memoria e, incluso dentro del mismo hilo, los accesos a diferentes variables a menudo siguen patrones distintos. Las políticas que se proponen insertan líneas de caché en posiciones lógicas diferentes en función de los tipos de dependencia y tarea a los que corresponde la petición de memoria. La segunda propuesta optimiza la ejecución de las reducciones, que se definen como un patrón de programación que combina datos de entrada para conseguir la variable de reducción como resultado. Esto se consigue mediante una técnica asistida por el runtime system para la realización de reducciones en la jerarquía de la caché del procesador, con el objetivo de ser una solución aplicable de forma universal sin depender del tipo de la variable de la reducción, su tamaño o el patrón de acceso. A nivel de software, el modelo de programación se extiende para que el programador especifique las variables de reducción de las tareas, así como el nivel de caché escogido para que se realice una determinada reducción. El compilador fuente a Fuente (compilador source-to-source) y el runtime ssytem se modifican para que traduzcan y pasen esta información al hardware subyacente, evitando así movimientos de datos innecesarios hacia y desde el núcleo del procesador, al realizarse la operación donde se encuentran los datos de la misma. La tercera contribución proporciona un esquema de priorización asistido por el runtime system para peticiones de memoria dentro de la jerarquía de memoria del chip. La propuesta se basa en la noción de camino crítico en el contexto de los códigos paralelos y en el hecho conocido de que acelerar tareas críticas reduce el tiempo de ejecución de la aplicación completa. En el contexto de este trabajo, la criticidad de las tareas se considera a nivel del tipo de tarea ya que permite que el programador las indique mediante anotaciones sencillas. La aceleración de las tareas críticas se consigue priorizando las correspondientes peticiones de memoria en el microprocesador.Seguint la llei de Moore, el nombre de transistors que contenen els xips ha patit un creixement exponencial, fet que ha provocat un augment de la complexitat dels processadors moderns i, per tant, de la dificultat de la programació eficient d’aquests sistemes. Per intentar solucionar-ho, s’han desenvolupat diversos models de programació; un exemple particular en són els models basats en tasques, que fan servir anotacions senzilles per definir treballs paral·lels dins d’una aplicació. La informació que hi ha al nivell dels sistemes en temps d’execució (runtime systems) associada amb aquests models de programació ofereix un gran potencial a l’hora de millorar el disseny del maquinari. D’altra banda, les limitacions tecnològiques fan que la llei de Moore pugui deixar de complir-se properament, per la qual cosa calen nous paradigmes per mantenir les tendències actuals en la millora de rendiment. L’objectiu principal d’aquesta tesi és aprofitar els coneixements que el runtime System té d’una aplicació paral·lela per millorar el disseny de la jerarquia de memòria dins el xip. L’acoblament del runtime system i el microprocessador permet millorar el disseny del maquinari sense malmetre la programabilitat d’aquests sistemes. La primera contribució d’aquesta tesi consisteix en un conjunt de polítiques d’inserció a les memòries cau (cache memories) compartides d’últim nivell que aprofita informació sobre tasques i les dependències de dades entre aquestes. La intuïció que hi ha al darrere d’aquesta proposta es basa en el fet que els fils d’execució paral·lels mostren diferents patrons d’accés a la memòria; fins i tot dins el mateix fil, els accessos a variables diferents sovint segueixen patrons diferents. Les polítiques que s’hi proposen insereixen línies de la memòria cau a diferents ubicacions lògiques en funció dels tipus de dependència i de tasca als quals correspon la petició de memòria. La segona proposta optimitza l’execució de les reduccions, que es defineixen com un patró de programació que combina dades d’entrada per aconseguir la variable de reducció com a resultat. Això s’aconsegueix mitjançant una tècnica assistida pel runtime system per dur a terme reduccions en la jerarquia de la memòria cau del processador, amb l’objectiu que la proposta sigui aplicable de manera universal, sense dependre del tipus de la variable a la qual es realitza la reducció, la seva mida o el patró d’accés. A nivell de programari, es realitza una extensió del model de programació per facilitar que el programador especifiqui les variables de les reduccions que usaran les tasques, així com el nivell de memòria cau desitjat on s’hauria de realitzar una certa reducció. El compilador font a font (compilador source-to-source) i el runtime system s’amplien per traduir i passar aquesta informació al maquinari subjacent. A nivell de maquinari, les memòries cau privades i compartides s’equipen amb unitats funcionals i la lògica corresponent per poder dur a terme les reduccions a la pròpia memòria cau, evitant així moviments de dades innecessaris entre el nucli del processador i la jerarquia de memòria. La tercera contribució proporciona un esquema de priorització assistit pel runtime System per peticions de memòria dins de la jerarquia de memòria del xip. La proposta es basa en la noció de camí crític en el context dels codis paral·lels i en el fet conegut que l’acceleració de les tasques que formen part del camí crític redueix el temps d’execució de l’aplicació sencera. En el context d’aquest treball, la criticitat de les tasques s’observa al nivell del seu tipus ja que permet que el programador les indiqui mitjançant anotacions senzilles. L’acceleració de les tasques crítiques s’aconsegueix prioritzant les corresponents peticions de memòria dins el microprocessador

Doctor of Philosophy

dissertationThe internet-based information infrastructure that has powered the growth of modern personal/mobile computing is composed of powerful, warehouse-scale computers or datacenters. These heavily subscribed datacenters perform data-processing jobs under intense quality of service guarantees. Further, high-performance compute platforms are being used to model and analyze increasingly complex scientific problems and natural phenomena. To ensure that the high-performance needs of these machines are met, it is necessary to increase the efficiency of the memory system that supplies data to the processing cores. Many of the microarchitectural innovations that were designed to scale the memory wall (e.g., out-of-order instruction execution, on-chip caches) are being rendered less effective due to several emerging trends (e.g., increased emphasis on energy consumption, limited access locality). This motivates the optimization of the main memory system itself. The key to an efficient main memory system is the memory controller. In particular, the scheduling algorithm in the memory controller greatly influences its performance. This dissertation explores this hypothesis in several contexts. It develops tools to better understand memory scheduling and develops scheduling innovations for CPUs and GPUs. We propose novel memory scheduling techniques that are strongly aware of the access patterns of the clients as well as the microarchitecture of the memory device. Based on these, we present (i) a Dynamic Random Access Memory (DRAM) chip microarchitecture optimized for reducing write-induced slowdown, (ii) a memory scheduling algorithm that exploits these features, (iii) several memory scheduling algorithms to reduce the memory-related stall experienced by irregular General Purpose Graphics Processing Unit (GPGPU) applications, and (iv) the Utah Simulated Memory Module (USIMM), a detailed, validated simulator for DRAM main memory that we use for analyzing and proposing scheduler algorithms

Adaptive prefetching for shared cache based chip multiprocessors

Chip multiprocessors (CMPs) present a unique scenario for software data prefetching with subtle tradeoffs between memory bandwidth and performance. In a shared L2 based CMP, multiple cores compete for the shared on-chip cache space and limited off-chip pin bandwidth. Purely software based prefetching techniques tend to increase this contention, leading to degradation in performance. In some cases, prefetches can become harmful by kicking out useful data from the shared cache whose next usage is earlier than the prefetched data, and the fraction of such harmful prefetches usually increases when we increase the number of cores used for executing a multi-threaded application code. In this paper, we propose two complementary techniques to address the problem of harmful prefetches in the context of shared L2 based CMPs. These techniques, namely, suppressing select data prefetches (if they are found to be harmful) and pinning select data in the L2 cache (if they are found to be frequent victim of harmful prefetches), are evaluated in this paper using two embedded application codes. Our experiments demonstrate that these two techniques are very effective in mitigating the impact of harmful prefetches, and as a result, we extract significant benefits from software prefetching even with large core counts. © 2009 EDAA

Leveraging virtualization technologies for resource partitioning in mixed criticality systems

Multi- and many-core processors are becoming increasingly popular in embedded systems. Many of these processors now feature hardware virtualization capabilities, such as the ARM Cortex A15, and x86 processors with Intel VT-x or AMD-V support. Hardware virtualization offers opportunities to partition physical resources, including processor cores, memory and I/O devices amongst guest virtual machines. Mixed criticality systems and services can then co-exist on the same platform in separate virtual machines. However, traditional virtual machine systems are too expensive because of the costs of trapping into hypervisors to multiplex and manage machine physical resources on behalf of separate guests. For example, hypervisors are needed to schedule separate VMs on physical processor cores. Additionally, traditional hypervisors have memory footprints that are often too large for many embedded computing systems. This dissertation presents the design of the Quest-V separation kernel, which partitions services of different criticality levels across separate virtual machines, or sandboxes. Each sandbox encapsulates a subset of machine physical resources that it manages without requiring intervention of a hypervisor. In Quest-V, a hypervisor is not needed for normal operation, except to bootstrap the system and establish communication channels between sandboxes. This approach not only reduces the memory footprint of the most privileged protection domain, it removes it from the control path during normal system operation, thereby heightening security

Performance analysis methods for understanding scaling bottlenecks in multi-threaded applications

In dit proefschrift stellen we drie nieuwe methodes voor om de prestatie van meerdradige programma's te analyseren. Onze eerste methode, criticality stacks, is bruikbaar voor het analyseren van onevenwicht tussen draden. Om deze stacks te construeren stellen we een nieuwe criticaliteitsmetriek voor, die de uitvoeringstijd van een applicatie opsplitst in een deel voor iedere draad. Hoe groter dit deel is voor een draad, hoe kritischer deze draad is voor de applicatie. De tweede methode, bottle graphs, stelt iedere draad van een meerdradig programma voor als een rechthoek in een grafiek. De hoogte van de rechthoek wordt berekend door middel van onze criticaliteitsmetriek, en de breedte stelt het parallellisme van een draad voor. Rechthoeken die bovenaan in de grafiek zitten, als het ware in de hals van de fles, hebben een beperkt parallellisme, waardoor we ze beschouwen als “bottlenecks” voor de applicatie. Onze derde methode, speedup stacks, toont de bereikte speedup van een applicatie en de verschillende componenten die speedup beperken in een gestapelde grafiek. De intuïtie achter dit concept is dat door het reduceren van de invloed van een bepaalde component, de speedup van een applicatie proportioneel toeneemt met de grootte van die component in de stapel

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