Locality Awareness for Task Parallel Computation

The task parallel programming model allows programmers to express concurrency at a high level of abstraction and places the burden of scheduling parallel execution on the run time system. Efficient scheduling of tasks on multi-socket multicore shared memory systems requires careful consideration of an increasingly complex memory hierarchy, including shared caches and non-uniform memory access (NUMA) characteristics. In this dissertation, we study the performance impact of these issues and other performance factors that limit parallel speedup in task parallel program executions and propose new scheduling strategies to improve performance. Our performance model characterizes lost efficiency in terms of overhead time, idle time, and work time inflation due to increased data access costs. We introduce a hierarchical run time scheduler that combines the benefits of work stealing and parallel depth-first schedulers. Matching the scheduler design to the memory hierarchy of multicore NUMA systems limits costly remote data accesses while maintaining load balance and exploiting constructive data sharing among threads that share a cache. We also propose a locality- based scheduling framework based on locality domains and comprising an API for programmers to specify application locality and a scheduler that honors those specifications. Implementations of the hierarchical and locality-based schedulers in our OpenMP run time system exhibit performance improvements on several task parallel benchmark applications over existing scheduling strategies and production OpenMP run time systems.Doctor of Philosoph

Exploiting data locality in cache-coherent NUMA systems

The end of Dennard scaling has caused a stagnation of the clock frequency in computers.To overcome this issue, in the last two decades vendors have been integrating larger numbers of processing elements in the systems, interconnecting many nodes, including multiple chips in the nodes and increasing the number of cores in each chip. The speed of main memory has not evolved at the same rate as processors, it is much slower and there is a need to provide more total bandwidth to the processors, especially with the increase in the number of cores and chips. Still keeping a shared address space, where all processors can access the whole memory, solutions have come by integrating more memories: by using newer technologies like high-bandwidth memories (HBM) and non-volatile memories (NVM), by giving groups cores (like sockets, for example) faster access to some subset of the DRAM, or by combining many of these solutions. This has caused some heterogeneity in the access speed to main memory, depending on the CPU requesting access to a memory address and the actual physical location of that address, causing non-uniform memory access (NUMA) behaviours. Moreover, many of these systems are cache-coherent (ccNUMA), meaning that changes in the memory done from one CPU must be visible by the other CPUs and transparent for the programmer. These NUMA behaviours reduce the performance of applications and can pose a challenge to the programmers. To tackle this issue, this thesis proposes solutions, at the software and hardware levels, to improve the data locality in NUMA systems and, therefore, the performance of applications in these computer systems. The first contribution shows how considering hardware prefetching simultaneously with thread and data placement in NUMA systems can find configurations with better performance than considering these aspects separately. The performance results combined with performance counters are then used to build a performance model to predict, both offline and online, the best configuration for new applications not in the model. The evaluation is done using two different high performance NUMA systems, and the performance counters collected in one machine are used to predict the best configurations in the other machine. The second contribution builds on the idea that prefetching can have a strong effect in NUMA systems and proposes a NUMA-aware hardware prefetching scheme. This scheme is generic and can be applied to multiple hardware prefetchers with a low hardware cost but giving very good results. The evaluation is done using a cycle-accurate architectural simulator and provides detailed results of the performance, the data transfer reduction and the energy costs. Finally, the third and last contribution consists in scheduling algorithms for task-based programming models. These programming models help improve the programmability of applications in parallel systems and also provide useful information to the underlying runtime system. This information is used to build a task dependency graph (TDG), a directed acyclic graph that models the application where the nodes are sequential pieces of code known as tasks and the edges are the data dependencies between the different tasks. The proposed scheduling algorithms use graph partitioning techniques and provide a scheduling for the tasks in the TDG that minimises the data transfers between the different NUMA regions of the system. The results have been evaluated in real ccNUMA systems with multiple NUMA regions.La fi de la llei de Dennard ha provocat un estancament de la freqüència de rellotge dels computadors. Amb l'objectiu de superar aquest fet, durant les darreres dues dècades els fabricants han integrat més quantitat d'unitats de còmput als sistemes mitjançant la interconnexió de nodes diferents, la inclusió de múltiples xips als nodes i l'increment de nuclis de processador a cada xip. La rapidesa de la memòria principal no ha evolucionat amb el mateix factor que els processadors; és molt més lenta i hi ha la necessitat de proporcionar més ample de banda als processadors, especialment amb l'increment del nombre de nuclis i xips. Tot mantenint un adreçament compartit en el qual tots els processadors poden accedir a la memòria sencera, les solucions han estat al voltant de la integració de més memòries: amb tecnologies modernes com HBM (high-bandwidth memories) i NVM (non-volatile memories), fent que grups de nuclis (com sòcols sencers) tinguin accés més ràpid a una part de la DRAM o amb la combinació de solucions. Això ha provocat una heterogeneïtat en la velocitat d'accés a la memòria principal, en funció del nucli que sol·licita l'accés a una adreça en particular i la seva localització física, fet que provoca uns comportaments no uniformes en l'accés a la memòria (non-uniform memory access, NUMA). A més, sovint tenen memòries cau coherents (cache-coherent NUMA, ccNUMA), que implica que qualsevol canvi fet a la memòria des d'un nucli d'un processador ha de ser visible la resta de manera transparent. Aquests comportaments redueixen el rendiment de les aplicacions i suposen un repte. Per abordar el problema, a la tesi s'hi proposen solucions, a nivell de programari i maquinari, que milloren la localitat de dades als sistemes NUMA i, en conseqüència, el rendiment de les aplicacions en aquests sistemes. La primera contribució mostra que, quan es tenen en compte alhora la precàrrega d'adreces de memòria amb maquinari (hardware prefetching) i les decisions d'ubicació dels fils d'execució i les dades als sistemes NUMA, es poden trobar millors configuracions que quan es condieren per separat. Una combinació dels resultats de rendiment i dels comptadors disponibles al sistema s'utilitza per construir un model de rendiment per fer la predicció, tant per avançat com també en temps d'execució, de la millor configuració per aplicacions que no es troben al model. L'avaluació es du a terme a dos sistemes NUMA d'alt rendiment, i els comptadors mesurats en un sistema s'usen per predir les millors configuracions a l'altre sistema. La segona contribució es basa en la idea que el prefetching pot tenir un efecte considerable als sistemes NUMA i proposa un esquema de precàrrega a nivell de maquinari que té en compte els efectes NUMA. L'esquema és genèric i es pot aplicar als algorismes de precàrrega existents amb un cost de maquinari molt baix però amb molt bons resultats. S'avalua amb un simulador arquitectural acurat a nivell de cicle i proporciona resultats detallats del rendiment, la reducció de les comunicacions de dades i els costos energètics. La tercera i darrera contribució consisteix en algorismes de planificació per models de programació basats en tasques. Aquests simplifiquen la programabilitat de les aplicacions paral·leles i proveeixen informació molt útil al sistema en temps d'execució (runtime system) que en controla el funcionament. Amb aquesta informació es construeix un graf de dependències entre tasques (task dependency graph, TDG), un graf dirigit i acíclic que modela l'aplicació i en el qual els nodes són fragments de codi seqüencial (o tasques) i els arcs són les dependències de dades entre les tasques. Els algorismes de planificació proposats fan servir tècniques de particionat de grafs i proporcionen una planificació de les tasques del TDG que minimitza la comunicació de dades entre les diferents regions NUMA del sistema. Els resultats han estat avaluats en sistemes ccNUMA reals amb múltiples regions NUMA.El final de la ley de Dennard ha provocado un estancamiento de la frecuencia de reloj de los computadores. Con el objetivo de superar este problema, durante las últimas dos décadas los fabricantes han integrado más unidades de cómputo en los sistemas mediante la interconexión de nodos diferentes, la inclusión de múltiples chips en los nodos y el incremento de núcleos de procesador en cada chip. La rapidez de la memoria principal no ha evolucionado con el mismo factor que los procesadores; es mucho más lenta y hay la necesidad de proporcionar más ancho de banda a los procesadores, especialmente con el incremento del número de núcleos y chips. Aun manteniendo un sistema de direccionamiento compartido en el que todos los procesadores pueden acceder al conjunto de la memoria, las soluciones han oscilado alrededor de la integración de más memorias: usando tecnologías modernas como las memorias de alto ancho de banda (highbandwidth memories, HBM) y memorias no volátiles (non-volatile memories, NVM), haciendo que grupos de núcleos (como zócalos completos) tengan acceso más veloz a un subconjunto de la DRAM, o con la combinación de soluciones. Esto ha provocado una heterogeneidad en la velocidad de acceso a la memoria principal, en función del núcleo que solicita el acceso a una dirección de memoria en particular y la ubicación física de esta dirección, lo que provoca unos comportamientos no uniformes en el acceso a la memoria (non-uniform memory access, NUMA). Además, muchos de estos sistemas tienen memorias caché coherentes (cache-coherent NUMA, ccNUMA), lo que implica que cualquier cambio hecho en la memoria desde un núcleo de un procesador debe ser visible por el resto de procesadores de forma transparente para los programadores. Estos comportamientos NUMA reducen el rendimiento de las aplicaciones y pueden suponer un reto para los programadores. Para abordar dicho problema, en esta tesis se proponen soluciones, a nivel de software y hardware, que mejoran la localidad de datos en los sistemas NUMA y, en consecuencia, el rendimiento de las aplicaciones en estos sistemas informáticos. La primera contribución muestra que, cuando se tienen en cuenta a la vez la precarga de direcciones de memoria mediante hardware (o hardware prefetching ) y las decisiones de la ubicación de los hilos de ejecución y los datos en los sistemas NUMA, se pueden hallar mejores configuraciones que cuando se consideran ambos aspectos por separado. Con una combinación de los resultados de rendimiento y de los contadores disponibles en el sistema se construye un modelo de rendimiento, tanto por avanzado como en en tiempo de ejecución, de la mejor configuración para aplicaciones que no están incluidas en el modelo. La evaluación se realiza en dos sistemas NUMA de alto rendimiento, y los contadores medidos en uno de los sistemas se usan para predecir las mejores configuraciones en el otro sistema. La segunda contribución se basa en la idea de que el prefetching puede tener un efecto considerable en los sistemas NUMA y propone un esquema de precarga a nivel hardware que tiene en cuenta los efectos NUMA. Este esquema es genérico y se puede aplicar a diferentes algoritmos de precarga existentes con un coste de hardware muy bajo pero que proporciona muy buenos resultados. Dichos resultados se obtienen y evalúan mediante un simulador arquitectural preciso a nivel de ciclo y proporciona resultados detallados del rendimiento, la reducción de las comunicaciones de datos y los costes energéticos. Finalmente, la tercera y última contribución consiste en algoritmos de planificación para modelos de programación basados en tareas. Estos modelos simplifican la programabilidad de las aplicaciones paralelas y proveen información muy útil al sistema en tiempo de ejecución (runtime system) que controla su funcionamiento. Esta información se utiliza para construir un grafo de dependencias entre tareas (task dependency graph, TDG), un grafo dirigido y acíclico que modela la aplicación y en el ue los nodos son fragmentos de código secuencial, conocidos como tareas, y los arcos son las dependencias de datos entre las distintas tareas. Los algoritmos de planificación que se proponen usan técnicas e particionado de grafos y proporcionan una planificación de las tareas del TDG que minimiza la comunicación de datos entre las distintas regiones NUMA del sistema. Los resultados se han evaluado en sistemas ccNUMA reales con múltiples regiones NUMA.Postprint (published version

Parallel Processes in HPX: Designing an Infrastructure for Adaptive Resource Management

Advancement in cutting edge technologies have enabled better energy efficiency as well as scaling computational power for the latest High Performance Computing(HPC) systems. However, complexity, due to hybrid architectures as well as emerging classes of applications, have shown poor computational scalability using conventional execution models. Thus alternative means of computation, that addresses the bottlenecks in computation, is warranted. More precisely, dynamic adaptive resource management feature, both from systems as well as application\u27s perspective, is essential for better computational scalability and efficiency. This research presents and expands the notion of Parallel Processes as a placeholder for procedure definitions, targeted at one or more synchronous domains, meta data for computation and resource management as well as infrastructure for dynamic policy deployment. In addition to this, the research presents additional guidelines for a framework for resource management in HPX runtime system. Further, this research also lists design principles for scalability of Active Global Address Space (AGAS), a necessary feature for Parallel Processes. Also, to verify the usefulness of Parallel Processes, a preliminary performance evaluation of different task scheduling policies is carried out using two different applications. The applications used are: Unbalanced Tree Search, a reference dynamic graph application, implemented by this research in HPX and MiniGhost, a reference stencil based application using bulk synchronous parallel model. The results show that different scheduling policies provide better performance for different classes of applications; and for the same application class, in certain instances, one policy fared better than the others, while vice versa in other instances, hence supporting the hypothesis of the need of dynamic adaptive resource management infrastructure, for deploying different policies and task granularities, for scalable distributed computing

Scaling Up Concurrent Analytical Workloads on Multi-Core Servers

Today, an ever-increasing number of researchers, businesses, and data scientists collect and analyze massive amounts of data in database systems. The database system needs to process the resulting highly concurrent analytical workloads by exploiting modern multi-socket multi-core processor systems with non-uniform memory access (NUMA) architectures and increasing memory sizes. Conventional execution engines, however, are not designed for many cores, and neither scale nor perform efficiently on modern multi-core NUMA architectures. Firstly, their query-centric approach, where each query is optimized and evaluated independently, can result in unnecessary contention for hardware resources due to redundant work found across queries in highly concurrent workloads. Secondly, they are unaware of the non-uniform memory access costs and the underlying hardware topology, incurring unnecessarily expensive memory accesses and bandwidth saturation. In this thesis, we show how these scalability and performance impediments can be solved by exploiting sharing among concurrent queries and incorporating NUMA-aware adaptive task scheduling and data placement strategies in the execution engine. Regarding sharing, we identify and categorize state-of-the-art techniques for sharing data and work across concurrent queries at run-time into two categories: reactive sharing, which shares intermediate results across common query sub-plans, and proactive sharing, which builds a global query plan with shared operators to evaluate queries. We integrate the original research prototypes that introduce reactive and proactive sharing, perform a sensitivity analysis, and show how and when each technique benefits performance. Our most significant finding is that reactive and proactive sharing can be combined to exploit the advantages of both sharing techniques for highly concurrent analytical workloads. Regarding NUMA-awareness, we identify, implement, and compare various combinations of task scheduling and data placement strategies under a diverse set of highly concurrent analytical workloads. We develop a prototype based on a commercial main-memory column-store database system. Our most significant finding is that there is no single strategy for task scheduling and data placement that is best for all workloads. In specific, inter-socket stealing of memory-intensive tasks can hurt overall performance, and unnecessary partitioning of data across sockets involves an overhead. For this reason, we implement algorithms that adapt task scheduling and data placement to the workload at run-time. Our experiments show that both sharing and NUMA-awareness can significantly improve the performance and scalability of highly concurrent analytical workloads on modern multi-core servers. Thus, we argue that sharing and NUMA-awareness are key factors for supporting faster processing of big data analytical applications, fully exploiting the hardware resources of modern multi-core servers, and for more responsive user experience