Planificación consciente de la contención y gestión de recursos en arquitecturas multicore emergentes

Tesis inédita de la Universidad Complutense de Madrid, Facultad de Informática, Departamento de Arquitectura de Computadores y Automática, leída el 14-12-2021Chip multicore processors (CMPs) currently constitute the architecture of choice for mosto general-pùrpose computing systems, and they will likely continue to be dominant in the near future. Advances in technology have enabled to pack an increasing number of cores and bigger caches on the same chip. Nevertheless, contention on shared resources on CMPs -present since the advent of these architectures- still poses a big challenge. Cores in a CMP typically share a last-level cache (LLC) and other memory-related resources with the remaining cores, such as a DRAM controller and an interconnection network. This causes that co-running applications may intensively compete with each other for these shared resources, leading to substantial and uneven performance degradation...Los procesadores multinúcleo o CMPs (Chip Multicore Processors) son actualmente la arquitectura más usada por la mayoría de sistemas de computación de propósito general, y muy probablemente se mantendrían en esa posición dominante en el futuro cercano. Los avances tecnológicos han permitido integrar progresivamente en el mismo chip más cores y aumentar los tamaños de los distintos niveles de cache. No obstante, la contención de recursos compartidos en CMPs {presente desde la aparición de estas arquitecturas{ todavía representa un reto importante que afrontar. Los cores en un CMP comparten en la mayor parte de los diseños una cache de último nivel o LLC (Last-Level Cache) y otros recursos, como el controlador de DRAM o una red de interconexión. La existencia de dichos recursos compartidos provoca en ocasiones que cuando se ejecutan dos o más aplicaciones simultáneamente en el sistema, se produzca una degradación sustancial y potencialmente desigual del rendimiento entre aplicaciones...Fac. de InformáticaTRUEunpu

PMCTrack: Delivering performance monitoring counter support to the OS scheduler

Hardware performance monitoring counters (PMCs) have proven effective in characterizing application performance. Because PMCs can only be accessed directly at the OS privilege level, kernellevel tools must be developed to enable the end-user and userspace programs to access PMCs. A large body of work has demonstrated that the OS can perform effective runtime optimizations in multicore systems by leveraging performance-counter data. Special attention has been paid to optimizations in the OS scheduler. While existing performance monitoring tools greatly simplify the collection of PMC application data from userspace, they do not provide an architecture-agnostic kernel-level mechanism that is capable of exposing high-level PMC metrics to OS components, such as the scheduler. As a result, the implementation of PMC-based OS scheduling schemes is typically tied to specific processor models. To address this shortcoming we present PMCTrack, a novel tool for the Linux kernel that provides a simple architecture-independent mechanism that makes it possible for the OS scheduler to access per-thread PMC data. Despite being an OSoriented tool, PMCTrack still allows the gathering of monitoring data from userspace, enabling kernel developers to carry out the necessary offline analysis and debugging to assist them during the scheduler design process. In addition, the tool provides both the OS and the user-space PMCTrack components with other insightful metrics available in modern processors and which are not directly exposed as PMCs, such as cache occupancy or energy consumption. This information is also of great value when it comes to analyzing the potential benefits of novel scheduling policies on real systems. In this paper, we analyze different case studies that demonstrate the flexibility, simplicity and powerful features of PMCTrack.Facultad de InformáticaInstituto de Investigación en Informátic

PMCTrack: Delivering performance monitoring counter support to the OS scheduler

Hardware performance monitoring counters (PMCs) have proven effective in characterizing application performance. Because PMCs can only be accessed directly at the OS privilege level, kernellevel tools must be developed to enable the end-user and userspace programs to access PMCs. A large body of work has demonstrated that the OS can perform effective runtime optimizations in multicore systems by leveraging performance-counter data. Special attention has been paid to optimizations in the OS scheduler. While existing performance monitoring tools greatly simplify the collection of PMC application data from userspace, they do not provide an architecture-agnostic kernel-level mechanism that is capable of exposing high-level PMC metrics to OS components, such as the scheduler. As a result, the implementation of PMC-based OS scheduling schemes is typically tied to specific processor models. To address this shortcoming we present PMCTrack, a novel tool for the Linux kernel that provides a simple architecture-independent mechanism that makes it possible for the OS scheduler to access per-thread PMC data. Despite being an OSoriented tool, PMCTrack still allows the gathering of monitoring data from userspace, enabling kernel developers to carry out the necessary offline analysis and debugging to assist them during the scheduler design process. In addition, the tool provides both the OS and the user-space PMCTrack components with other insightful metrics available in modern processors and which are not directly exposed as PMCs, such as cache occupancy or energy consumption. This information is also of great value when it comes to analyzing the potential benefits of novel scheduling policies on real systems. In this paper, we analyze different case studies that demonstrate the flexibility, simplicity and powerful features of PMCTrack.Facultad de InformáticaInstituto de Investigación en Informátic

Collaborative Heterogeneity-Aware OS Scheduler for Asymmetric Multicore Processors

Funding: This work is supported in part by the China Postdoctoral Science Foundation (Grant No. 2020TQ0169), the ShuiMu Tsinghua Scholar fellowship (2019SM131), National Key R&D Program of China (2020AAA0105200), National Natural Science Foundation of China (U20A20226), Beijing Natural Science Foundation (4202031), Beijing Academy of Artificial Intelligence BAAI), the UK EPSRC grants Discovery: Pattern Discovery and Program Shaping for Manycore Systems (EP/P020631/1). This work is also supported by the Royal Academy of Engineering under the Research Fellowship scheme.Asymmetric multicore processors (AMP) offer multiple types of cores under the same programming interface. Extracting the full potential of AMPs requires intelligent scheduling decisions, matching each thread with the right kind of core, the core that will maximize performance or minimize wasted energy for this thread. Existing OS schedulers are not up to this task. While they may handle certain aspects of asymmetry in the system, none can handle all runtime factors affecting AMPs for the general case of multi-threaded multi-programmed workloads. We address this problem by introducing COLAB, a general purpose asymmetry-aware scheduler targeting multi-threaded multi-programmed workloads. It estimates the performance and power of each thread on each type of core and identifies communication patterns and bottleneck threads. With this information, the scheduler makes coordinated core assignment and thread selection decisions that still provide each application its fair share of the processor’s time. We evaluate our approach using both the GEM5 simulator on four distinct big.LITTLE configurations and a development board with ARM Cortex-A73/A53 processors and mixed workloads composed of PARSEC and SPLASH2 benchmarks. Compared to the state-of-the art Linux CFS and AMP-aware schedulers, we demonstrate performance gains of up to 25% and 5% to 15% on average,together with an average 5% energy saving depending on the hardware setup.PostprintPeer reviewe

Soporte de sistema operativo para ahorro de energía en plataformas móviles con procesadores multicore asimétricos

Los procesadores multicore asimétricos con repertorio común de instrucciones (AMPsAsymmetric Multicore Processors) han sido propuestos recientemente como alternativa de bajo consumo a los procesadores multicore simétricos convencionales. Los AMPs combinan, en un mismo chip, cores rápidos de alto rendimiento, con cores más lentos y sencillos de consumo reducido. Uno de los ejemplos más destacados de procesador multicore asimétrico es el procesador big.LITTLE de ARM, que incorporan algunos modelos de teléfonos móviles y tablets disponibles en la actualidad. Trabajos previos han demostrado que para explotar los beneficios potenciales de los procesadores multicore asimétricos, el sistema operativo debe tener en cuenta el beneficio relativo (speedup) que cada aplicación experimenta al ejecutar en un core rápido frente a un core lento. Actualmente, los planificadores por defecto de los sistemas operativos de propósito general no tienen en cuenta la diversidad de speedups entre aplicaciones que puede estar presente en una carga de trabajo multiprogramada. En consecuencia, la asignación de aplicaciones a cores que hacen estos planificadores no extrae el máximo rendimiento por vatio de la plataforma. Recientemente se han realizado extensiones en el kernel Linux para ofrecer un mejor soporte de planificación en multicore asimétricos. Sin embargo, estas extensiones del planificador, utilizadas fundamentalmente en dispositivos móviles con el sistema operativo Android, tampoco tienen en cuenta la diversidad de speedups en las aplicaciones de la carga de trabajo. Por lo tanto estas extensiones no constituyen una aproximación robusta desde el punto de vista de la eficiencia energética. En este proyecto se lleva a cabo la evaluación exhaustiva de distintos algoritmos de planificación para multicore asimétricos sobre una plataforma provista de un procesador ARM big.LITTLE. El principal objetivo del estudio es cuantificar el grado de eficiencia energética y el rendimiento global proporcionado por implementaciones de estos algoritmos en el kernel Linux sobre hardware multicore asimétrico real

PMCTrack: Delivering performance monitoring counter support to the OS scheduler

Hardware performance monitoring counters (PMCs) have proven effective in characterizing application performance. Because PMCs can only be accessed directly at the OS privilege level, kernellevel tools must be developed to enable the end-user and userspace programs to access PMCs. A large body of work has demonstrated that the OS can perform effective runtime optimizations in multicore systems by leveraging performance-counter data. Special attention has been paid to optimizations in the OS scheduler. While existing performance monitoring tools greatly simplify the collection of PMC application data from userspace, they do not provide an architecture-agnostic kernel-level mechanism that is capable of exposing high-level PMC metrics to OS components, such as the scheduler. As a result, the implementation of PMC-based OS scheduling schemes is typically tied to specific processor models. To address this shortcoming we present PMCTrack, a novel tool for the Linux kernel that provides a simple architecture-independent mechanism that makes it possible for the OS scheduler to access per-thread PMC data. Despite being an OSoriented tool, PMCTrack still allows the gathering of monitoring data from userspace, enabling kernel developers to carry out the necessary offline analysis and debugging to assist them during the scheduler design process. In addition, the tool provides both the OS and the user-space PMCTrack components with other insightful metrics available in modern processors and which are not directly exposed as PMCs, such as cache occupancy or energy consumption. This information is also of great value when it comes to analyzing the potential benefits of novel scheduling policies on real systems. In this paper, we analyze different case studies that demonstrate the flexibility, simplicity and powerful features of PMCTrack.Facultad de InformáticaInstituto de Investigación en Informátic

Optimización de justicia y rendimiento en procesadores multicore asimétricos mediante planificación consciente de la contención

Los procesadores multicore asimétricos (AMPs) con repertorio común de instrucciones constituyen una alternativa de mayor eficiencia energética que los multicores simétricos para cargas de trabajo diversas. Los AMPs integran cores rápidos de alto rendimiento, con otros más lentos y de bajo consumo. Se ha demostrado que la planificación a nivel de sistema operativo y consciente de la asimetría es esencial para obtener beneficios significativos en cuanto a rendimiento global y para garantizar justicia en este tipo de sistemas. No obstante, para poder llevar esto a cabo, el planificador ha de estimar de forma precisa el progreso que cada hilo realiza al ejecutarse en los diversos tipos de core durante la ejecución. A pesar de la existencia de planificadores que optimizan la justicia o el rendimiento en AMPs, las propuestas existentes habitualmente dependen de extensiones hardware especiales o de modelos de predicción específicos de plataforma y, además, no tienen en cuenta la degradación del rendimiento asociada a la contención en los recursos compartidos (p.ej., caché compartida o bus de memoria). Esto puede limitar la portabilidad del planificador y producir una degradación significativa de la justicia y del rendimiento global. En este Trabajo de Fin de Máster se ha procedido al diseño e implementación en el kernel Linux de un planificador consciente de la contención en recursos compartidos en AMPs, que está orientado a la optimización de la justicia. Asimismo, el planificador expone un parámetro de configuración que permite mejorar gradualmente el rendimiento global a costa de degradar la justicia. La evaluación experimental del planificador propuesto se ha llevado a cabo utilizando hardware multicore asimétrico real

Modeling and scheduling heterogeneous multi-core architectures

Om de prestatie van toekomstige processors en processorarchitecturen te evalueren wordt vaak gebruik gemaakt van een simulator die het gedrag en de prestatie van de processor modelleert. De prestatie bepalen van de uitvoering van een computerprogramma op een gegeven processorarchitectuur m.b.v. een simulator duurt echter vele grootteordes langer dan de werkelijke uitvoeringstijd. Dit beperkt in belangrijke mate de hoeveelheid experimenten die gedaan kunnen worden. In dit doctoraatswerk werd het Multi-Program Performance Model (MPPM) ontwikkeld, een innovatief alternatief voor traditionele simulatie, dat het mogelijk maakt om tot 100.000x sneller een processorconfiguratie te evalueren. MPPM laat ons toe om nooit geziene exploraties te doen. Gebruik makend van dit raamwerk hebben we aangetoond dat de taakplanning cruciaal is om heterogene meerkernige processors optimaal te benutten. Vervolgens werd een nieuwe manier voorgesteld om op een schaalbare manier de taakplanning uit te voeren, namelijk Performance Impact Estimation (PIE). Tijdens de uitvoering van een draad op een gegeven processorkern schatten we de prestatie op een ander type kern op basis van eenvoudig op te meten prestatiemetrieken. Zo beschikken we op elk moment over alle nodige informatie om een efficiënte taakplanning te doen. Dit laat ons bovendien toe te optimaliseren voor verschillende criteria zoals uitvoeringstijd, doorvoersnelheid of fairness