Programming MPSoC platforms: Road works ahead

This paper summarizes a special session on multicore/multi-processor system-on-chip (MPSoC) programming challenges. The current trend towards MPSoC platforms in most computing domains does not only mean a radical change in computer architecture. Even more important from a SW developer´s viewpoint, at the same time the classical sequential von Neumann programming model needs to be overcome. Efficient utilization of the MPSoC HW resources demands for radically new models and corresponding SW development tools, capable of exploiting the available parallelism and guaranteeing bug-free parallel SW. While several standards are established in the high-performance computing domain (e.g. OpenMP), it is clear that more innovations are required for successful\ud deployment of heterogeneous embedded MPSoC. On the other hand, at least for coming years, the freedom for disruptive programming technologies is limited by the huge amount of certified sequential code that demands for a more pragmatic, gradual tool and code replacement strategy

Distributed-memory parallelization of an explicit time-domain volume integral equation solver on Blue Gene/P

Two distributed-memory schemes for efficiently parallelizing the explicit marching-on in-time based solution of the time domain volume integral equation on the IBM Blue Gene/P platform are presented. In the first scheme, each processor stores the time history of all source fields and only the computationally dominant step of the tested field computations is distributed among processors. This scheme requires all-to-all global communications to update the time history of the source fields from the tested fields. In the second scheme, the source fields as well as all steps of the tested field computations are distributed among processors. This scheme requires sequential global communications to update the time history of the distributed source fields from the tested fields. Numerical results demonstrate that both schemes scale well on the IBM Blue Gene/P platform and the memory efficient second scheme allows for the characterization of transient wave interactions on composite structures discretized using three million spatial elements without an acceleration algorithm

Parallel implementation of pulse compression method on a multi-core digital signal processor

Pulse compression algorithm is widely used in radar applications. It requires a huge processing power in order to be executed in real time. Therefore, its processing must be distributed along multiple processing units. The present paper proposes a real time platform based on the multi-core digital signal processor (DSP) C6678 from Texas Instruments (TI). The objective of this paper is the optimization of the parallel implementation of pulse compression algorithm over the eight cores of the C6678 DSP. Two parallelization approaches were implemented. The first approach is based on the open multi processing (OpenMP) programming interface, which is a software interface that helps to execute different sections of a program on a multi core processor. The second approach is an optimized method that we have proposed in order to distribute the processing and to synchronize the eight cores of the C6678 DSP. The proposed method gives the best performance. Indeed, a parallel efficiency of 94% was obtained when the eight cores were activated

Parallel source code transformation techniques using design patterns

Mención Internacional en el título de doctorIn recent years, the traditional approaches for improving performance, such as increasing the clock frequency, has come to a dead-end. To tackle this issue, parallel architectures, such as multi-/many-core processors, have been envisioned to increase the performance by providing greater processing capabilities. However, programming efficiently for this architectures demands big efforts in order to transform sequential applications into parallel and to optimize such applications. Compared to sequential programming, designing and implementing parallel applications for operating on modern hardware poses a number of new challenges to developers such as data races, deadlocks, load imbalance, etc. To pave the way, parallel design patterns provide a way to encapsulate algorithmic aspects, allowing users to implement robust, readable and portable solutions with such high-level abstractions. Basically, these patterns instantiate parallelism while hiding away the complexity of concurrency mechanisms, such as thread management, synchronizations or data sharing. Nonetheless, frameworks following this philosophy does not share the same interface and users require understanding different libraries, and their capabilities, not only to decide which fits best for their purposes but also to properly leverage them. Furthermore, in order to parallelize these applications, it is necessary to analyze the sequential code in order to detect the regions of code that can be parallelized that is a time consuming and complex task. Additionally, different libraries targeted to specific devices provide some algorithms implementations that are already parallel and highly-tuned. In these situations, it is also necessary to analyze and determine which routine implementation is the most suitable for a given problem. To tackle these issues, this thesis aims at simplifying and minimizing the necessary efforts to transform sequential applications into parallel. This way, resulting codes will improve their performance by fully exploiting the available resources while the development efforts will be considerably reduced. Basically, in this thesis, we contribute with the following. First, we propose a technique to detect potential parallel patterns in sequential code. Second, we provide a novel generic C++ interface for parallel patterns which acts as a switch among existing frameworks. Third, we implement a framework that is able to transform sequential code into parallel using the proposed pattern discovery technique and pattern interface. Finally, we propose mechanisms that are able to select the most suitable device and routine implementation to solve a given problem based on previous performance information. The evaluation demonstrates that using the proposed techniques can minimize the refactoring and optimization time while improving the performance of the resulting applications with respect to the original code.En los últimos años, las técnicas tradicionales para mejorar el rendimiento, como es el caso del incremento de la frecuencia de reloj, han llegado a sus límites. Con el fin de seguir mejorando el rendimiento, se han desarrollado las arquitecturas paralelas, las cuales proporcionan un incremento del rendimiento al estar provistas de mayores capacidades de procesamiento. Sin embargo, programar de forma eficiente para estas arquitecturas requieren de grandes esfuerzos por parte de los desarrolladores. Comparado con la programación secuencial, diseñar e implementar aplicaciones paralelas enfocadas a trabajar en estas arquitecturas presentan una gran cantidad de dificultades como son las condiciones de carrera, los deadlocks o el incorrecto balanceo de la carga. En este sentido, los patrones paralelos son una forma de encapsular aspectos algorítmicos de las aplicaciones permitiendo el desarrollo de soluciones robustas, portables y legibles gracias a las abstracciones de alto nivel. En general, estos patrones son capaces de proporcionar el paralelismo a la vez que ocultan las complejidades derivadas de los mecanismos de control de concurrencia necesarios como el manejo de los hilos, las sincronizaciones o la compartición de datos. No obstante, los diferentes frameworks que siguen esta filosofía no comparten una única interfaz lo que conlleva que los usuarios deban conocer múltiples bibliotecas y sus capacidades, con el fin de decidir cuál de ellos es mejor para una situación concreta y como usarlos de forma eficiente. Además, con el fin de paralelizar aplicaciones existentes, es necesario analizar e identificar las regiones del código que pueden ser paralelizadas, lo cual es una tarea ardua y compleja. Además, algunos algoritmos ya se encuentran implementados en paralelo y optimizados para arquitecturas concretas en diversas bibliotecas. Esto da lugar a que sea necesario analizar y determinar que implementación concreta es la más adecuada para solucionar un problema dado. Para paliar estas situaciones, está tesis busca simplificar y minimizar el esfuerzo necesario para transformar aplicaciones secuenciales en paralelas. De esta forma, los códigos resultantes serán capaces de explotar los recursos disponibles a la vez que se reduce considerablemente el esfuerzo de desarrollo necesario. En general, esta tesis contribuye con lo siguiente. En primer lugar, se propone una técnica de detección de patrones paralelos en códigos secuenciales. En segundo lugar, se presenta una interfaz genérica de patrones paralelos para C++ que permite seleccionar la implementación de dichos patrones proporcionada por frameworks ya existentes. En tercer lugar, se introduce un framework de transformación de código secuencial a paralelo que hace uso de las técnicas de detección de patrones y la interfaz presentadas. Finalmente, se proponen mecanismos capaces de seleccionar la implementación más adecuada para solucionar un problema concreto basándose en el rendimiento obtenido en ejecuciones previas. Gracias a la evaluación realizada se ha podido demostrar que uso de las técnicas presentadas pueden minimizar el tiempo necesario para transformar y optimizar el código a la vez que mejora el rendimiento de las aplicaciones transformadas.Programa Oficial de Doctorado en Ciencia y Tecnología InformáticaPresidente: David Expósito Singh.- Secretario: Rafael Asenjo Plaza.- Vocal: Marco Aldinucc

MIMOPack: A High Performance Computing Library for MIMO Communication Systems

[EN] Nowadays, several communication standards are emerging and evolving, searching higher transmission rates, reliability and coverage. This expansion is primarily driven by the continued increase in consumption of mobile multimedia services due to the emergence of new handheld devices such as smartphones and tablets. One of the most significant techniques employed to meet these demands is the use of multiple transmit and receive antennas, known as MIMO systems. The use of this technology allows to increase the transmission rate and the quality of the transmission through the use of multiple antennas at the transmitter and receiver sides. MIMO technologies have become an essential key in several wireless standards such as WLAN, WiMAX and LTE. These technologies will be incorporated also in future standards, therefore is expected in the coming years a great deal of research in this field. Clearly, the study of MIMO systems is critical in the current investigation, however the problems that arise from this technology are very complex. High Performance Computing (HPC) systems, and specifically, modern hardware architectures as multi-core and many-cores (e.g Graphics Processing Units (GPU)) are playing a key role in the development of efficient and low-complexity algorithms for MIMO transmissions. Proof of this is that the number of scientific contributions and research projects related to its use has increased in the last years. Also, some high performance libraries have been implemented as tools for researchers involved in the development of future communication standards. Two of the most popular libraries are: IT++ that is a library based on the use of some optimized libraries for multi-core processors and the Communications System Toolbox designed for use with MATLAB, which uses GPU computing. However, there is not a library able to run on a heterogeneous platform using all the available resources. In view of the high computational requirements in MIMO application research and the shortage of tools able to satisfy them, we have made a special effort to develop a library to ease the development of adaptable parallel applications in accordance with the different architectures of the executing platform. The library, called MIMOPack, aims to implement efficiently using parallel computing, a set of functions to perform some of the critical stages of MIMO communication systems simulation. The main contribution of the thesis is the implementation of efficient Hard and Soft output detectors, since the detection stage is considered the most complex part of the communication process. These detectors are highly configurable and many of them include preprocessing techniques that reduce the computational cost and increase the performance. The proposed library shows three important features: portability, efficiency and easy of use. Current realease allows GPUs and multi-core computation, or even simultaneously, since it is designed to use on heterogeneous machines. The interface of the functions are common to all environments in order to simplify the use of the library. Moreover, some of the functions are callable from MATLAB increasing the portability of developed codes between different computing environments. According to the library design and the performance assessment, we consider that MIMOPack may facilitate industrial and academic researchers the implementation of scientific codes without having to know different programming languages and machine architectures. This will allow to include more complex algorithms in their simulations and obtain their results faster. This is particularly important in the industry, since the manufacturers work to analyze and to propose their own technologies with the aim that it will be approved as a standard. Thus allowing to enforce their intellectual property rights over their competitors, who should obtain the corresponding licenses to include these technologies into their products.[ES] En la actualidad varios estándares de comunicación están surgiendo buscando velocidades de transmisión más altas y mayor fiabilidad. Esta expansión está impulsada por el aumento en el consumo de servicios multimedia debido a la aparición de nuevos dispositivos como los smartphones y las tabletas. Una de las técnicas empleadas más importantes es el uso de múltiples antenas de transmisión y recepción, conocida como sistemas MIMO, que permite aumentar la velocidad y la calidad de la transmisión. Las tecnologías MIMO se han convertido en una parte esencial en diferentes estándares tales como WLAN, WiMAX y LTE. Estas tecnologías se incorporarán también en futuros estándares, por lo tanto, se espera en los próximos años una gran cantidad de investigación en este campo. Está claro que el estudio de los sistemas MIMO es crítico en la investigación actual, sin embargo los problemas que surgen de esta tecnología son muy complejos. La sistemas de computación de alto rendimiento, y en concreto, las arquitecturas hardware actuales como multi-core y many-core (p. ej. GPUs) están jugando un papel clave en el desarrollo de algoritmos eficientes y de baja complejidad en las transmisiones MIMO. Prueba de ello es que el número de contribuciones científicas y proyectos de investigación relacionados con su uso se han incrementado en el últimos años. Algunas librerías de alto rendimiento se están utilizando como herramientas por investigadores en el desarrollo de futuros estándares. Dos de las librerías más destacadas son: IT++ que se basa en el uso de distintas librerías optimizadas para procesadores multi-core y el paquete Communications System Toolbox diseñada para su uso con MATLAB, que utiliza computación con GPU. Sin embargo, no hay una biblioteca capaz de ejecutarse en una plataforma heterogénea. En vista de los altos requisitos computacionales en la investigación MIMO y la escasez de herramientas capaces de satisfacerlos, hemos implementado una librería que facilita el desarrollo de aplicaciones paralelas adaptables de acuerdo con las diferentes arquitecturas de la plataforma de ejecución. La librería, llamada MIMOPack, implementa de manera eficiente un conjunto de funciones para llevar a cabo algunas de las etapas críticas en la simulación de un sistema de comunicación MIMO. La principal aportación de la tesis es la implementación de detectores eficientes de salida Hard y Soft, ya que la etapa de detección es considerada la parte más compleja en el proceso de comunicación. Estos detectores son altamente configurables y muchos de ellos incluyen técnicas de preprocesamiento que reducen el coste computacional y aumentan el rendimiento. La librería propuesta tiene tres características importantes: la portabilidad, la eficiencia y facilidad de uso. La versión actual permite computación en GPU y multi-core, incluso simultáneamente, ya que está diseñada para ser utilizada sobre plataformas heterogéneas que explotan toda la capacidad computacional. Para facilitar el uso de la biblioteca, las interfaces de las funciones son comunes para todas las arquitecturas. Algunas de las funciones se pueden llamar desde MATLAB aumentando la portabilidad de códigos desarrollados entre los diferentes entornos. De acuerdo con el diseño de la biblioteca y la evaluación del rendimiento, consideramos que MIMOPack puede facilitar la implementación de códigos sin tener que saber programar con diferentes lenguajes y arquitecturas. MIMOPack permitirá incluir algoritmos más complejos en las simulaciones y obtener los resultados más rápidamente. Esto es particularmente importante en la industria, ya que los fabricantes trabajan para proponer sus propias tecnologías lo antes posible con el objetivo de que sean aprobadas como un estándar. De este modo, los fabricantes pueden hacer valer sus derechos de propiedad intelectual frente a sus competidores, quienes luego deben obtener las correspon[CA] En l'actualitat diversos estàndards de comunicació estan sorgint i evolucionant cercant velocitats de transmissió més altes i major fiabilitat. Aquesta expansió, està impulsada pel continu augment en el consum de serveis multimèdia a causa de l'aparició de nous dispositius portàtils com els smartphones i les tablets. Una de les tècniques més importants és l'ús de múltiples antenes de transmissió i recepció (MIMO) que permet augmentar la velocitat de transmissió i la qualitat de transmissió. Les tecnologies MIMO s'han convertit en una part essencial en diferents estàndards inalàmbrics, tals com WLAN, WiMAX i LTE. Aquestes tecnologies s'incorporaran també en futurs estàndards, per tant, s'espera en els pròxims anys una gran quantitat d'investigació en aquest camp. L'estudi dels sistemes MIMO és crític en la recerca actual, no obstant açó, els problemes que sorgeixen d'aquesta tecnologia són molt complexos. Els sistemes de computació d'alt rendiment com els multi-core i many-core (p. ej. GPUs)), estan jugant un paper clau en el desenvolupament d'algoritmes eficients i de baixa complexitat en les transmissions MIMO. Prova d'açò és que el nombre de contribucions científiques i projectes d'investigació relacionats amb el seu ús s'han incrementat en els últims anys. Algunes llibreries d'alt rendiment estan utilitzant-se com a eines per investigadors involucrats en el desenvolupament de futurs estàndards. Dos de les llibreries més destacades són: IT++ que és una llibreria basada en lús de diferents llibreries optimitzades per a processadors multi-core i el paquet Communications System Toolbox dissenyat per al seu ús amb MATLAB, que utilitza computació amb GPU. No obstant açò, no hi ha una biblioteca capaç d'executar-se en una plataforma heterogènia. Degut als alts requisits computacionals en la investigació MIMO i l'escacès d'eines capaces de satisfer-los, hem implementat una llibreria que facilita el desenvolupament d'aplicacions paral·leles adaptables d'acord amb les diferentes arquitectures de la plataforma d'ejecució. La llibreria, anomenada MIMOPack, implementa de manera eficient, un conjunt de funcions per dur a terme algunes de les etapes crítiques en la simulació d'un sistema de comunicació MIMO. La principal aportació de la tesi és la implementació de detectors eficients d'exida Hard i Soft, ja que l'etapa de detecció és considerada la part més complexa en el procés de comunicació. Estos detectors són altament configurables i molts d'ells inclouen tècniques de preprocessament que redueixen el cost computacional i augmenten el rendiment. La llibreria proposta té tres característiques importants: la portabilitat, l'eficiència i la facilitat d'ús. La versió actual permet computació en GPU i multi-core, fins i tot simultàniament, ja que està dissenyada per a ser utilitzada sobre plataformes heterogènies que exploten tota la capacitat computacional. Amb el fi de simplificar l'ús de la biblioteca, les interfaces de les funcions són comunes per a totes les arquitectures. Algunes de les funcions poden ser utilitzades des de MATLAB augmentant la portabilitat de còdics desenvolupats entre els diferentes entorns. D'acord amb el disseny de la biblioteca i l'evaluació del rendiment, considerem que MIMOPack pot facilitar la implementació de còdics a investigadors sense haver de saber programar amb diferents llenguatges i arquitectures. MIMOPack permetrà incloure algoritmes més complexos en les seues simulacions i obtindre els seus resultats més ràpid. Açò és particularment important en la industria, ja que els fabricants treballen per a proposar les seues pròpies tecnologies el més prompte possible amb l'objectiu que siguen aprovades com un estàndard. D'aquesta menera, els fabricants podran fer valdre els seus drets de propietat intel·lectual enfront dels seus competidors, els qui després han d'obtenir les corresponents llicències si voleRamiro Sánchez, C. (2015). MIMOPack: A High Performance Computing Library for MIMO Communication Systems [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/53930TESISPremios Extraordinarios de tesis doctorale

ACOTES project: Advanced compiler technologies for embedded streaming

Streaming applications are built of data-driven, computational components, consuming and producing unbounded data streams. Streaming oriented systems have become dominant in a wide range of domains, including embedded applications and DSPs. However, programming efficiently for streaming architectures is a challenging task, having to carefully partition the computation and map it to processes in a way that best matches the underlying streaming architecture, taking into account the distributed resources (memory, processing, real-time requirements) and communication overheads (processing and delay). These challenges have led to a number of suggested solutions, whose goal is to improve the programmer’s productivity in developing applications that process massive streams of data on programmable, parallel embedded architectures. StreamIt is one such example. Another more recent approach is that developed by the ACOTES project (Advanced Compiler Technologies for Embedded Streaming). The ACOTES approach for streaming applications consists of compiler-assisted mapping of streaming tasks to highly parallel systems in order to maximize cost-effectiveness, both in terms of energy and in terms of design effort. The analysis and transformation techniques automate large parts of the partitioning and mapping process, based on the properties of the application domain, on the quantitative information about the target systems, and on programmer directives. This paper presents the outcomes of the ACOTES project, a 3-year collaborative work of industrial (NXP, ST, IBM, Silicon Hive, NOKIA) and academic (UPC, INRIA, MINES ParisTech) partners, and advocates the use of Advanced Compiler Technologies that we developed to support Embedded Streaming.Peer ReviewedPostprint (published version