Architectural and Complier Mechanisms for Accelerating Single Thread Applications on Mulitcore Processors.

Multicore systems have become the dominant mainstream computing platform. One of the biggest challenges going forward is how to efficiently utilize the ever increasing computational power provided by multicore systems. Applications with large amounts of explicit thread-level parallelism naturally scale performance with the number of cores. However, single-thread applications realize little to no gains from multicore systems. This work investigates architectural and compiler mechanisms to automatically accelerate single thread applications on multicore processors by efficiently exploiting three types of parallelism across multiple cores: instruction level parallelism (ILP), fine-grain thread level parallelism (TLP), and speculative loop level parallelism (LLP). A multicore architecture called Voltron is proposed to exploit different types of parallelism. Voltron can organize the cores for execution in either coupled or decoupled mode. In coupled mode, several in-order cores are coalesced to emulate a wide-issue VLIW processor. In decoupled mode, the cores execute a set of fine-grain communicating threads extracted by the compiler. By executing fine-grain threads in parallel, Voltron provides coarse-grained out-of-order execution capability using in-order cores. Architectural mechanisms for speculative execution of loop iterations are also supported under the decoupled mode. Voltron can dynamically switch between two modes with low overhead to exploit the best form of available parallelism. This dissertation also investigates compiler techniques to exploit different types of parallelism on the proposed architecture. First, this work proposes compiler techniques to manage multiple instruction streams to collectively function as a single logical stream on a conventional VLIW to exploit ILP. Second, this work studies compiler algorithms to extract fine-grain threads. Third, this dissertation proposes a series of systematic compiler transformations and a general code generation framework to expose hidden speculative LLP hindered by register and memory dependences in the code. These transformations collectively remove inter-iteration dependences that are caused by subsets of isolatable instructions, are unwindable, or occur infrequently. Experimental results show that proposed mechanisms can achieve speedups of 1.33 and 1.14 on 4 core machines by exploiting ILP and TLP respectively. The proposed transformations increase the DOALL loop coverage in applications from 27% to 61%, resulting in a speedup of 1.84 on 4 core systems.Ph.D.Computer Science & EngineeringUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttp://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/58419/1/hongtaoz_1.pd

High-level automation of custom hardware design for high-performance computing

This dissertation focuses on efficient generation of custom processors from high-level language descriptions. Our work exploits compiler-based optimizations and transformations in tandem with high-level synthesis (HLS) to build high-performance custom processors. The goal is to offer a common multiplatform high-abstraction programming interface for heterogeneous compute systems where the benefits of custom reconfigurable (or fixed) processors can be exploited by the application developers. The research presented in this dissertation supports the following thesis: In an increasingly heterogeneous compute environment it is important to leverage the compute capabilities of each heterogeneous processor efficiently. In the case of FPGA and ASIC accelerators this can be achieved through HLS-based flows that (i) extract parallelism at coarser than basic block granularities, (ii) leverage common high-level parallel programming languages, and (iii) employ high-level source-to-source transformations to generate high-throughput custom processors. First, we propose a novel HLS flow that extracts instruction level parallelism beyond the boundary of basic blocks from C code. Subsequently, we describe FCUDA, an HLS-based framework for mapping fine-grained and coarse-grained parallelism from parallel CUDA kernels onto spatial parallelism. FCUDA provides a common programming model for acceleration on heterogeneous devices (i.e. GPUs and FPGAs). Moreover, the FCUDA framework balances multilevel granularity parallelism synthesis using efficient techniques that leverage fast and accurate estimation models (i.e. do not rely on lengthy physical implementation tools). Finally, we describe an advanced source-to-source transformation framework for throughput-driven parallelism synthesis (TDPS), which appropriately restructures CUDA kernel code to maximize throughput on FPGA devices. We have integrated the TDPS framework into the FCUDA flow to enable automatic performance porting of CUDA kernels designed for the GPU architecture onto the FPGA architecture

Exploiting tightly-coupled cores

As we move steadily through the multicore era, and the number of processing cores on each chip continues to rise, parallel computation becomes increasingly important. However, parallelising an application is often difficult because of dependencies between different regions of code which require cores to communicate. Communication is usually slow compared to computation, and so restricts the opportunities for profitable parallelisation. In this work, I explore the opportunities provided when communication between cores has a very low latency and low energy cost. I observe that there are many different ways in which multiple cores can be used to execute a program, allowing more parallelism to be exploited in more situations, and also providing energy savings in some cases. Individual cores can be made very simple and efficient because they do not need to exploit parallelism internally. The communication patterns between cores can be updated frequently to reflect the parallelism available at the time, allowing better utilisation than specialised hardware which is used infrequently. In this dissertation I introduce Loki: a homogeneous, tiled architecture made up of many simple, tightly-coupled cores. I demonstrate the benefits in both performance and energy consumption which can be achieved with this arrangement and observe that it is also likely to have lower design and validation costs and be easier to optimise. I then determine exactly where the performance bottlenecks of the design are, and where the energy is consumed, and look into some more-advanced optimisations which can make parallelism even more profitable

Affordable kilo-instruction processors

Diversos motius expliquen l'estancament en el que es troba el desenvolupament del processador tradicional dissenyat per maximitzar el rendiment d'un únic fil d'execució. Per una banda, técniques agressives com la supersegmentacó del camí de dades o l'execució fora d'ordre tenen un impacte molt negatiu sobre el consum de potència i la complexitat del disseny. Altrament, l'increment en la freqüència del processador augmenta la discrepància entre la velocitat del processador i el temps d'accés a memòria principal. Tot i que les memòries cau redueixen considerablement el nombre d'accessos a memòria principal, aquests accessos introdueixen latencies prou grans per reduir considerablement el rendiment. Tècniques convencionals com l'execució fora d'ordre, útils per ocultar accessos a les memòries cau de 2on nivell, no estan pensades per ocultar latències tan grans. Caldrien cues amb mides de centenars d'instruccions i milers de registres per tal de no interrompre l'execució en el moment de produir-se un accés a memòria principal. Desafortunadament, la tecnologia disponible no és eficient per implementar aquestes estructures monolíticament, doncs resultaria un temps d'accés molt elevat, un consum de potència igualment elevat i un àrea no menyspreable. En aquesta tesi s'han estudiat tècniques que permeten l'implementació d'un processador amb capacitat per continuar processant instruccions en el cas de que es produeixin accessos a memòria principal. Les condicions per a que aquest processador sigui implementable són que estigui basat en estructures de mida convencional i que tingui una unitat de control senzilla. El repte es troba en conciliar un model de processador distribuït amb un control senzill. El problema del disseny del processador s'ha enfocat observant el comportament d'un processador de recursos infinits. S'ha observat que l'execució segueix uns patrons molt interessants, basats en la localitat d'execució. En aplicacions numèriques s'observa que més del 70% de les instruccions no depenen de accessos a memòria principal. Aixó és molt important doncs mostra que sempre hi ha una porció important d'instruccions executables poc després de la decodificació. Aixó permet proposar un nou tipus de processador amb dues unitats d'execució. La primera unitat (el "Cache Processor") processa a alta velocitat instruccions independents de memòria principal. La segona unitat ("Memory Processor") processa les instruccions dependents de accessos a memòria principal, pero de forma molt més relaxada, cosa que li permet mantenir milers de instruccions en vol. Aquesta proposta rep el nom de Decoupled KILO-Instruction Processor (D-KIP) i té forces avantatges: per un costat permet la construcció d'un kilo-instruction processor basat en estructures convencionals i per l'altre simplifica el disseny ja que minimitza les interaccions entre ambdos unitats d'execució.En aquesta tesi es proposen dos implementacions de processadors desacoblats: el D-KIP original, i el Flexible Heterogeneous MultiCore (FMC). Sobre aquestes propostes s'analitza el rendiment i es compara amb altres tècniques que incrementan el parallelisme de memoria, com el prefetching o l'execució "runahead". D'aquesta avaluació es desprén que el processador FMC té un rendiment similar al de un processador convencional amb una finestra de 1500 instruccions en vol. Posteriorment s'analitza l'integració del FMC en entorns multicore/multiprogrammats. La tesi es completa amb la proposta d'una cua de loads i stores (LSQ) per a aquest tipus de processador.Several motives explain the slowdown of high-performance single-thread processor development. On the one hand, aggressive techniques such as superpipelining or out-of-order execution have a considerable impact on power consumption and design complexity. On the other hand, the increment in processor frequencies has led to a large disparity between processor speed and memory access time. Although cache memories considerably reduce the number of accesses to main memory, the remaining accesses introduce latencies large enough to considerably decrease performance. Conventional techniques such as out-of-order execution, while effective in hiding L2 cache accesses, cannot hide latencies this large. Queues of hundreds of entries and thousands of registers would be necessary in order to prevent execution from stalling in the event of a L2 cache miss. Unfortunately, current technology cannot efficiently implement such structures monolithically, as access latencies would considerably increase, as would power consumption and area consumption.In this thesis we studied techniques that allow the processor to continue processing instructions in the event of main memory accesses. The conditions for such a processor to be implementable are that it should be based on structures of conventional size and that it should feature simple control logic. The challenge lies in being able to design a distributed processor with simple control. The design of this processor has been approached by analyzing the behavior of a processor with infinite resources. We have observed that execution follows a very interesting pattern based on execution locality. In numerical codes we observed that over 70% of all instructions do not depend on memory accesses. This is interesting since it shows that there is always a large portion of instructions that can be executed shortly after decode. This allows us to propose a new kind of processor with two execution units. The first unit, the Cache Processor, processes memory-independent instructions at high speed. The second unit, the Memory Processor, processes instructions that depend on main memory accesses, but using relaxed scheduling logic, which allows it to scale to thousands of in-flight instructions. This proposal, which receives the name of Decoupled KILO-Instruction Processor (D-KIP), has several advantages. On the one hand it allows the construction of a kilo-instruction processor based on conventional structures and, on the other hand, it simplifies the design as the interaction between both execution units is minimal. In this thesis two implementations for this kind of processor are presented: the original D-KIP and the Flexible Heterogeneous MultiCore (FMC). The performance of these proposals is analyzed and compared to other proposals that increase memory-level parallelism, such as prefetching or runahead execution. It is observed that the FMC processor performs at the same level of a conventional processor with a window of around 1500 instructions. Further, the integration of the FMC processor into a multicore/multiprogrammed environment is studied. This thesis concludes with the proposal of a two-level Load/Store Queue for this kind of processor

Contributions to worst-case execution time reduction using compilation techniques

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Automação e Sistemas, Florianópolis, 2017Abstract: A wide range of systems are distinct from the general purpose computingsystems due to the need of satisfying rigorous timing requirements, oftenunder the constraint of available resources, they are generally called realtimesystems. The development of a predictable system is concerned withthe challenges of building systems whose time requirements can be guaranteeda priori. Although, these challenges become even greater when usingprocessors architectural features for performance increase, as cachesand pipelines, which introduce a high degree of uncertainty, making difficultto provide any kind of guarantee. Parallel to this, there are the toolsneeded to develop and execute an application, such as languages, compilers,runtime support, communication systems and scheduling, which mayfurther make difficult the assertion of guarantees. In these systems, theresults of computations must be generated at the right time and faults oftemporal nature can result in catastrophic consequences both in the economicsense as in human lives. These systems are present in countlessapplications, such as in industrial plants, aviation, and the complexity ofthem imposes serious restrictions on the hardware that can be used. Toprovide timing guarantees, we must know the worst-case execution timefor each tasks of the system. In a general purpose architecture aimed atthe average case, the execution time of a program or task can be so greatin the worst case that invalidates the design constraints, or even be impossibleto be calculated or estimated with a reasonable effort. In thisthesis, we integrate compilation with WCET calculation. A compiler canprovide relevant data to facilitate the process of WCET estimation. Toimprove this process, we also use an architecture whose purpose is toconciliate performance with determinism. Considering compilation andWCET integration we present the following contributions: (1) a differentway to perform loop unrolling on data-dependent loops using codepredication targeting WCET reduction, because existing techniques onlyconsider loops with fixed execution counts. (2) considering static branchpredication techniques, we show that a very small gain or even none canbe obtained with new optimization techniques targeted to worst-case executiontime reduction. To achieve this objective, we compare several techniquesagainst the perfect branch predictor. (3) the difference between theWCET of a task and its actual execution time is called gain time. Wepropose a technique that finds specific points of a program (called gainpoints), where there will be an amount of statically estimated gain time inthe case that path is taken by the execution.Uma grande gama de sistemas se distinguem dos sistemas de computaçãode propósito geral pela necessidade de satisfação de requisitos detemporização rigorosos. O desenvolvimento de um sistema previsível preocupasecom os desafios de construção de sistemas cujos requisitos temporais possamser garantidos a priori. Estes desafios tornam-se ainda maiores quandose utiliza recursos arquiteturais para aumento de performance, como cachese pipelines, os quais introduzem um alto grau de incertezas, tornando difícilo provimento de qualquer tipo de garantia. Paralelamente a isto, existem asferramentas necessárias ao desenvolvimento e execução da aplicação, comolinguagens, compiladores, runtime de execução, sistemas de comunicação eescalonamento, os quais podem dificultar ainda mais a asserção de garantias.Nestes sistemas, os resultados das computações devem estar corretosnão somente do ponto de vista lógico, mas também devem ser gerados nomomento correto. As falhas de natureza temporal nestes sistemas são, emalguns casos, consideradas críticas no que diz respeito às suas consequências.Nos sistemas tempo real críticos (hard real-time) o não atendimento de umrequisito temporal pode resultar em consequências catastróficas tanto no sentidoeconômico quanto em vidas humanas. Quando os requisitos temporaisnão são críticos (soft real-time) eles apenas descrevem o comportamento desejado.O não atendimento de tais requisitos reduz a utilidade da aplicaçãomas não a elimina completamente nem resulta em consequências catastróficas.Estes sistemas estão presentes em diversas aplicações, como em plantasindustriais, aviação e eletrônica automotiva, telecomunicações e sistemasespaciais. Em várias destas aplicações, a complexidade dos sistemas de softwareimpõe sérias restrições quanto ao hardware que poderá ser utilizado.Este deverá ter capacidade suficiente para sustentar a aplicação em questão,além de poder estar submetido a restrições não funcionais do projeto, comocusto e eficiência energética.Arquiteturas modernas e de propósito geral possuem como premissabásica aquela que diz que os programas devem executar o mais rápido possívelna maioria das vezes. Este tempo médio é geralmente chamado deACET - Average-case Execution Time. Entretanto, em alguns casos, o tempode uma execução de uma aplicação poderá ser grande em relação ao caso médio,mas ainda estará amortizado entre as diversas execuções do programa.Esta priorização de caso médio impõe certas problemáticas quanto à utilizaçãodeste tipo de arquitetura em sistemas de tempo real. Tais sistemas podemexigir garantias de tempo de execução difíceis de serem obtidas ou muitasvezes inviáveis. Estas garantias exigem o conhecimento do pior tempo deexecução de um programa ou tarefa em um determinado processador, o qualgeralmente é chamado de WCET - Worst-case Execution Time. Em uma arquiteturade propósito geral que vise o caso médio, o tempo de execução nopior caso de um programa ou tarefa pode ser tão grande que inviabilize asrestrições de projeto, ou mesmo ser impossível de ser estimado.Atualmente, existem vertentes acadêmicas que sugerem a utilização deprocessadores e arquiteturas voltadas para aplicações de tempo real. Taisarquiteturas adotam características de hardware que tornam as análises referentesà obtenção de WCET mais simples e rápidas.Uma característica importante é que o desempenho em arquiteturas específicas,como as voltadas para tempo real, pode estar intimamente relacionadoao compilador e as técnicas de compilação empregadas, como exploraçãoestática de paralelismo. Dada a possibilidade de ser obter o WCET deprogramas para uma arquitetura específica, pode-se utilizar estas informaçõesno processo de otimização incremental dos mesmos. Estas otimizações visama redução do WCET, visto que abordagens tradicionais de transformação decódigo feitas por compilador podem até mesmo aumentar o WCET de umprograma.ObjetivosO objetivo deste trabalho é contribuir com aspectos relacionados à compilaçãopara sistemas de tempo real, cujo objetivo primário seja a reduçãode WCET ou melhoria de aspectos relacionados à escalonabilidade. A tesea ser demonstrada é que o íntimo acoplamento de um compilador com umanalisador WCET pode beneficiar tanto a análise quanto a síntese de um programaexecutável ou sistema completo para uma arquitetura determinista. Autilização de uma arquitetura determinista representa uma característica importantedeste trabalho, bem como o desenvolvimento do respectivo analisadorWCET.Dentre os elementos relacionados ao compilador essenciais para a reduçãodo WCET, pode-se citar: Mecanismos para o cálculo de WCET de programas em processo decompilação. Isto implica acoplamento do compilador com o analisadordesenvolvido. Identificação de potenciais pontos a serem beneficiados por otimizações.Este processo envolve interpretação dos resultados do analisador. Descarte de alterações de códigos que aumentem o WCET. Novamente,decisões deverão ser tomadas com base em análises sucessivas.Além dos elementos relacionados, podemos destacar a eficiência doprocesso. O uso de uma arquitetura projetada para aplicações em tempo realpermite o uso de um analisador muito mais rápido e preciso, que visa trazereficiência ao processo. Embora a arquitetura se baseie em um ISA comercial,não existe compilador livre disponível para esta, então, a implementação deum gerador de código inteiramente funcional fez-se necessária como requisitopara realização do trabalho de tese.Entre os elementos considerados como foco desta tese, têm-se: Técnicas de loop unrolling: Laços são frequentemente bons candidatosalvopara otimizações de compilação para extrair o desempenho emprocessadores modernos. Algumas técnicas foram propostas na literaturapara alcançar a redução do WCET usando o loop unrolling, comoem (ZHAO et al., 2006) e (LOKUCIEJEWSKI; MARWEDEL, 2010).Nestes trabalhos, apenas os laços com contagens de execução fixas sãoconsiderados. Previsão estática de desvios: Previsores de desvio são utilizados paraaumentar o desempenho de programas em arquiteturas modernas. Previsoresestáticos podem depender do compilador para definir o comportamentode cada desvio condicional. Esse comportamento é entãoadotado pelo processador para toda a execução do programa. O uso daprevisão estática de desvio como mecanismo para redução do tempo deexecução de pior caso é uma alternativa conhecida e foi primeiramenteproposta por (BODIN; PUAUT, 2005) e (BURGUIERE et al., 2005). Identificação de tempo ganho em programas: Tempo ganho (ou gaintime) (AUDSLEY et al., 1994) (AVILA et al., 2003) (HU et al., 2002)(HU et al., 2003) é a diferença entre o WCET de uma tarefa e o tempode execução real. Uma abordagem comum é identificar o gain timeem tempo de execução comparando o tempo de execução real (medido)com o WCET calculado estaticamente. A identificação do tempo deganho precoce é útil para aumentar a utilização do sistema em tempo deexecução e para economizar energia do sistema, por exemplo.Alcançar a redução do pior tempo de computação em tarefas que compõemum sistema de tempo real é importante pois permite que recursos computacionaisnão sejam desperdiçados, impactando diretamente no custo. Outraimportância para tal redução é a aceitação de tarefas do tipo soft real-time,pois quanto menor o WCET das tarefas do tipo hard, mais tempo de processadorpode ser alocado para este tipo de tarefa.ContribuiçõesAs contribuições desta tese para o estado da arte são:1. A proposição de uma maneira diferente de executar o loop unrollingsobre laços cujas execuções são dependentes de dados usando a predicaçãode código visando redução de WCET, porque as técnicas existentesconsideram apenas laços com contagens de execução fixas. A técnicaproposta também foi combinada com abordagens de loop unrollingexistentes. Os resultados mostraram que esta combinação pode produziragressivas reduções de WCET quando comparadas com o códigooriginal.2. Em relação às técnicas de predição estática de desvios, são mostradosque somente ganhos pequenos ou mesmo nenhum ganho pode ser obtidocom novas técnicas de otimização direcionadas para a redução do tempode execução do pior caso. Para alcançar esse objetivo, foram comparadasvárias técnicas contra o previsor de desvio perfeito. Este previsorpermite estimar a redução máxima de WCET que pode ser obtida comabordagens estáticas. Além da técnica clássica da literatura, foi incluídana comparação uma nova técnica centrada em WCET que atua comouma abordagem de força bruta para aproximar os resultados do preditorperfeito. A comparação também inclui técnicas de compilação nãodiretamente orientadas para redução de WCET. Como resultado, sãomostradas que as técnicas consideradas nesta tese estão próximas do resultadoótimo obtido pelo previsor perfeito. Também é mostrado quea técnica proposta produz resultados ligeiramente melhores do que asdemais técnicas. Como contribuição secundária, é mostrado que as técnicasinconscientes de WCET também podem ser usadas em ambientesem tempo real porque apresentam bons resultados e baixa complexidade.As técnicas de previsão foram avaliadas usando um conjunto deexemplos dos benchmarks para WCET de Mälardalen.3. Um problema do WCET é que ele é relativo a um único caminho de execução,especificamente o caminho de execução do pior caso (WCEP).Quando uma aplicação em tempo real executa sobre um caminho diferentedo WCEP, seu tempo de execução será provavelmente menor doque o WCET. A diferença entre o WCET de uma tarefa e seu tempo deexecução real é chamado de tempo ganho. Neste trabalho, é propostauma técnica que encontra pontos específicos de um programa (chamadospontos de ganho), onde haverá uma quantidade de tempo ganhoestimado estaticamente no caso de esse caminho ser tomado pela execução.Como estudo de caso, é apresentado o tempo ganho obtido pelaaplicação estratégia proposta a um benchmark da série de benchmarkspara WCET de Mälardalen. Para o benchmark selecionado, foram identificadosvários pontos de ganho e alguns deles com uma quantidadesignificativa de tempo ganho detectado estaticamente.ConclusãoSistemas de tempo real estão presentes em diversos segmentos da indústria,desde sistemas aviônicos a eletrônica automotiva, passando por sistemasindustriais. No passado, tais sistemas eram bastante simples, considerandoa demanda por recursos computacionais e interdependência entretarefas. Porém hoje o cenário é outro: têm-se aplicações com altíssimo nívelde complexidade, por vezes geradas sem intervenção humana a partir de modelosformais. Cada tarefa componente destas aplicações possui seu próprioprazo e por vezes depende de resultados provenientes de outras tarefas (possivelmenteatravés de uma rede), levando a necessidade de estimativa tambémde prazos fim-a-fim.Levantado o cenário anterior, percebe-se que processadores simples,como microcontroladores, não são capazes de atender aplicações de temporeal como atendiam no passado. Neste caso, torna-se necessária a utilizaçãode processadores com maior capacidade computacional, com mecanismos deaumento desempenho, como pipelines, caches e execução especulativa. Oproblema com estes mecanismos é a dificuldade de cálculo do pior caso notempo de computação, devido a fatores como anomalias temporais. Entretanto,algumas vertentes da literatura sugerem o uso de arquiteturas voltadaspara tempo-real, ou seja, deterministas.Neste trabalho, foi objetivada a geração e otimização de código parauma arquitetura determinista mas com mecanismos de aumento de performance.O objetivo primário foi a redução de WCET de programas, bemcomo o levantamento de alguns parâmetros úteis no projeto de um sistemade tempo real. A redução de WCET importante para não sobre-dimensionarsistemas, não desperdiçando assim, recursos computacionais. A utilizaçãode uma arquitetura determinista aliada a redução de WCET induz a sistemasbem dimensionados em termos de recursos.Usando técnicas como loop unrolling usando predicação de código eprevisão estática de desvios, foi possível reduzir o pior caso no tempo decomputação de tarefas. A caracterização de tempo ganho, do ponto de vistapuramente estático, também pôde ser alcançada neste trabalho

Evaluating techniques for parallelization tuning in MPI, OmpSs and MPI/OmpSs

Parallel programming is used to partition a computational problem among multiple processing units and to define how they interact (communicate and synchronize) in order to guarantee the correct result. The performance that is achieved when executing the parallel program on a parallel architecture is usually far from the optimal: computation unbalance and excessive interaction among processing units often cause lost cycles, reducing the efficiency of parallel computation. In this thesis we propose techniques oriented to better exploit parallelism in parallel applications, with emphasis in techniques that increase asynchronism. Theoretically, this type of parallelization tuning promises multiple benefits. First, it should mitigate communication and synchronization delays, thus increasing the overall performance. Furthermore, parallelization tuning should expose additional parallelism and therefore increase the scalability of execution. Finally, increased asynchronism would provide higher tolerance to slower networks and external noise. In the first part of this thesis, we study the potential for tuning MPI parallelism. More specifically, we explore automatic techniques to overlap communication and computation. We propose a speculative messaging technique that increases the overlap and requires no changes of the original MPI application. Our technique automatically identifies the application’s MPI activity and reinterprets that activity using optimally placed non-blocking MPI requests. We demonstrate that this overlapping technique increases the asynchronism of MPI messages, maximizing the overlap, and consequently leading to execution speedup and higher tolerance to bandwidth reduction. However, in the case of realistic scientific workloads, we show that the overlapping potential is significantly limited by the pattern by which each MPI process locally operates on MPI messages. In the second part of this thesis, we study the potential for tuning hybrid MPI/OmpSs parallelism. We try to gain a better understanding of the parallelism of hybrid MPI/OmpSs applications in order to evaluate how these applications would execute on future machines and to predict the execution bottlenecks that are likely to emerge. We explore how MPI/OmpSs applications could scale on the parallel machine with hundreds of cores per node. Furthermore, we investigate how this high parallelism within each node would reflect on the network constraints. We especially focus on identifying critical code sections in MPI/OmpSs. We devised a technique that quickly evaluates, for a given MPI/OmpSs application and the selected target machine, which code section should be optimized in order to gain the highest performance benefits. Also, this thesis studies techniques to quickly explore the potential OmpSs parallelism inherent in applications. We provide mechanisms to easily evaluate potential parallelism of any task decomposition. Furthermore, we describe an iterative trialand-error approach to search for a task decomposition that will expose sufficient parallelism for a given target machine. Finally, we explore potential of automating the iterative approach by capturing the programmers’ experience into an expert system that can autonomously lead the search process. Also, throughout the work on this thesis, we designed development tools that can be useful to other researchers in the field. The most advanced of these tools is Tareador – a tool to help porting MPI applications to MPI/OmpSs programming model. Tareador provides a simple interface to propose some decomposition of a code into OmpSs tasks. Tareador dynamically calculates data dependencies among the annotated tasks, and automatically estimates the potential OmpSs parallelization. Furthermore, Tareador gives additional hints on how to complete the process of porting the application to OmpSs. Tareador already proved itself useful, by being included in the academic classes on parallel programming at UPC.La programación paralela consiste en dividir un problema de computación entre múltiples unidades de procesamiento y definir como interactúan (comunicación y sincronización) para garantizar un resultado correcto. El rendimiento de un programa paralelo normalmente está muy lejos de ser óptimo: el desequilibrio de la carga computacional y la excesiva interacción entre las unidades de procesamiento a menudo causa ciclos perdidos, reduciendo la eficiencia de la computación paralela. En esta tesis proponemos técnicas orientadas a explotar mejor el paralelismo en aplicaciones paralelas, poniendo énfasis en técnicas que incrementan el asincronismo. En teoría, estas técnicas prometen múltiples beneficios. Primero, tendrían que mitigar el retraso de la comunicación y la sincronización, y por lo tanto incrementar el rendimiento global. Además, la calibración de la paralelización tendría que exponer un paralelismo adicional, incrementando la escalabilidad de la ejecución. Finalmente, un incremente en el asincronismo proveería una tolerancia mayor a redes de comunicación lentas y ruido externo. En la primera parte de la tesis, estudiamos el potencial para la calibración del paralelismo a través de MPI. En concreto, exploramos técnicas automáticas para solapar la comunicación con la computación. Proponemos una técnica de mensajería especulativa que incrementa el solapamiento y no requiere cambios en la aplicación MPI original. Nuestra técnica identifica automáticamente la actividad MPI de la aplicación y la reinterpreta usando solicitudes MPI no bloqueantes situadas óptimamente. Demostramos que esta técnica maximiza el solapamiento y, en consecuencia, acelera la ejecución y permite una mayor tolerancia a las reducciones de ancho de banda. Aún así, en el caso de cargas de trabajo científico realistas, mostramos que el potencial de solapamiento está significativamente limitado por el patrón según el cual cada proceso MPI opera localmente en el paso de mensajes. En la segunda parte de esta tesis, exploramos el potencial para calibrar el paralelismo híbrido MPI/OmpSs. Intentamos obtener una comprensión mejor del paralelismo de aplicaciones híbridas MPI/OmpSs para evaluar de qué manera se ejecutarían en futuras máquinas. Exploramos como las aplicaciones MPI/OmpSs pueden escalar en una máquina paralela con centenares de núcleos por nodo. Además, investigamos cómo este paralelismo de cada nodo se reflejaría en las restricciones de la red de comunicación. En especia, nos concentramos en identificar secciones críticas de código en MPI/OmpSs. Hemos concebido una técnica que rápidamente evalúa, para una aplicación MPI/OmpSs dada y la máquina objetivo seleccionada, qué sección de código tendría que ser optimizada para obtener la mayor ganancia de rendimiento. También estudiamos técnicas para explorar rápidamente el paralelismo potencial de OmpSs inherente en las aplicaciones. Proporcionamos mecanismos para evaluar fácilmente el paralelismo potencial de cualquier descomposición en tareas. Además, describimos una aproximación iterativa para buscar una descomposición en tareas que mostrará el suficiente paralelismo en la máquina objetivo dada. Para finalizar, exploramos el potencial para automatizar la aproximación iterativa. En el trabajo expuesto en esta tesis hemos diseñado herramientas que pueden ser útiles para otros investigadores de este campo. La más avanzada es Tareador, una herramienta para ayudar a migrar aplicaciones al modelo de programación MPI/OmpSs. Tareador proporciona una interfaz simple para proponer una descomposición del código en tareas OmpSs. Tareador también calcula dinámicamente las dependencias de datos entre las tareas anotadas, y automáticamente estima el potencial de paralelización OmpSs. Por último, Tareador da indicaciones adicionales sobre como completar el proceso de migración a OmpSs. Tareador ya se ha mostrado útil al ser incluido en las clases de programación de la UPC