Group implicit concurrent algorithms in nonlinear structural dynamics

During the 70's and 80's, considerable effort was devoted to developing efficient and reliable time stepping procedures for transient structural analysis. Mathematically, the equations governing this type of problems are generally stiff, i.e., they exhibit a wide spectrum in the linear range. The algorithms best suited to this type of applications are those which accurately integrate the low frequency content of the response without necessitating the resolution of the high frequency modes. This means that the algorithms must be unconditionally stable, which in turn rules out explicit integration. The most exciting possibility in the algorithms development area in recent years has been the advent of parallel computers with multiprocessing capabilities. So, this work is mainly concerned with the development of parallel algorithms in the area of structural dynamics. A primary objective is to devise unconditionally stable and accurate time stepping procedures which lend themselves to an efficient implementation in concurrent machines. Some features of the new computer architecture are summarized. A brief survey of current efforts in the area is presented. A new class of concurrent procedures, or Group Implicit algorithms is introduced and analyzed. The numerical simulation shows that GI algorithms hold considerable promise for application in coarse grain as well as medium grain parallel computers

Communication-Efficient Probabilistic Algorithms: Selection, Sampling, and Checking

Diese Dissertation behandelt drei grundlegende Klassen von Problemen in Big-Data-Systemen, für die wir kommunikationseffiziente probabilistische Algorithmen entwickeln. Im ersten Teil betrachten wir verschiedene Selektionsprobleme, im zweiten Teil das Ziehen gewichteter Stichproben (Weighted Sampling) und im dritten Teil die probabilistische Korrektheitsprüfung von Basisoperationen in Big-Data-Frameworks (Checking). Diese Arbeit ist durch einen wachsenden Bedarf an Kommunikationseffizienz motiviert, der daher rührt, dass der auf das Netzwerk und seine Nutzung zurückzuführende Anteil sowohl der Anschaffungskosten als auch des Energieverbrauchs von Supercomputern und der Laufzeit verteilter Anwendungen immer weiter wächst. Überraschend wenige kommunikationseffiziente Algorithmen sind für grundlegende Big-Data-Probleme bekannt. In dieser Arbeit schließen wir einige dieser Lücken. Zunächst betrachten wir verschiedene Selektionsprobleme, beginnend mit der verteilten Version des klassischen Selektionsproblems, d. h. dem Auffinden des Elements von Rang $k$ in einer großen verteilten Eingabe. Wir zeigen, wie dieses Problem kommunikationseffizient gelöst werden kann, ohne anzunehmen, dass die Elemente der Eingabe zufällig verteilt seien. Hierzu ersetzen wir die Methode zur Pivotwahl in einem schon lange bekannten Algorithmus und zeigen, dass dies hinreichend ist. Anschließend zeigen wir, dass die Selektion aus lokal sortierten Folgen – multisequence selection – wesentlich schneller lösbar ist, wenn der genaue Rang des Ausgabeelements in einem gewissen Bereich variieren darf. Dies benutzen wir anschließend, um eine verteilte Prioritätswarteschlange mit Bulk-Operationen zu konstruieren. Später werden wir diese verwenden, um gewichtete Stichproben aus Datenströmen zu ziehen (Reservoir Sampling). Schließlich betrachten wir das Problem, die global häufigsten Objekte sowie die, deren zugehörige Werte die größten Summen ergeben, mit einem stichprobenbasierten Ansatz zu identifizieren. Im Kapitel über gewichtete Stichproben werden zunächst neue Konstruktionsalgorithmen für eine klassische Datenstruktur für dieses Problem, sogenannte Alias-Tabellen, vorgestellt. Zu Beginn stellen wir den ersten Linearzeit-Konstruktionsalgorithmus für diese Datenstruktur vor, der mit konstant viel Zusatzspeicher auskommt. Anschließend parallelisieren wir diesen Algorithmus für Shared Memory und erhalten so den ersten parallelen Konstruktionsalgorithmus für Aliastabellen. Hiernach zeigen wir, wie das Problem für verteilte Systeme mit einem zweistufigen Algorithmus angegangen werden kann. Anschließend stellen wir einen ausgabesensitiven Algorithmus für gewichtete Stichproben mit Zurücklegen vor. Ausgabesensitiv bedeutet, dass die Laufzeit des Algorithmus sich auf die Anzahl der eindeutigen Elemente in der Ausgabe bezieht und nicht auf die Größe der Stichprobe. Dieser Algorithmus kann sowohl sequentiell als auch auf Shared-Memory-Maschinen und verteilten Systemen eingesetzt werden und ist der erste derartige Algorithmus in allen drei Kategorien. Wir passen ihn anschließend an das Ziehen gewichteter Stichproben ohne Zurücklegen an, indem wir ihn mit einem Schätzer für die Anzahl der eindeutigen Elemente in einer Stichprobe mit Zurücklegen kombinieren. Poisson-Sampling, eine Verallgemeinerung des Bernoulli-Sampling auf gewichtete Elemente, kann auf ganzzahlige Sortierung zurückgeführt werden, und wir zeigen, wie ein bestehender Ansatz parallelisiert werden kann. Für das Sampling aus Datenströmen passen wir einen sequentiellen Algorithmus an und zeigen, wie er in einem Mini-Batch-Modell unter Verwendung unserer im Selektionskapitel eingeführten Bulk-Prioritätswarteschlange parallelisiert werden kann. Das Kapitel endet mit einer ausführlichen Evaluierung unserer Aliastabellen-Konstruktionsalgorithmen, unseres ausgabesensitiven Algorithmus für gewichtete Stichproben mit Zurücklegen und unseres Algorithmus für gewichtetes Reservoir-Sampling. Um die Korrektheit verteilter Algorithmen probabilistisch zu verifizieren, schlagen wir Checker für grundlegende Operationen von Big-Data-Frameworks vor. Wir zeigen, dass die Überprüfung zahlreicher Operationen auf zwei „Kern“-Checker reduziert werden kann, nämlich die Prüfung von Aggregationen und ob eine Folge eine Permutation einer anderen Folge ist. Während mehrere Ansätze für letzteres Problem seit geraumer Zeit bekannt sind und sich auch einfach parallelisieren lassen, ist unser Summenaggregations-Checker eine neuartige Anwendung der gleichen Datenstruktur, die auch zählenden Bloom-Filtern und dem Count-Min-Sketch zugrunde liegt. Wir haben beide Checker in Thrill, einem Big-Data-Framework, implementiert. Experimente mit absichtlich herbeigeführten Fehlern bestätigen die von unserer theoretischen Analyse vorhergesagte Erkennungsgenauigkeit. Dies gilt selbst dann, wenn wir häufig verwendete schnelle Hash-Funktionen mit in der Theorie suboptimalen Eigenschaften verwenden. Skalierungsexperimente auf einem Supercomputer zeigen, dass unsere Checker nur sehr geringen Laufzeit-Overhead haben, welcher im Bereich von $2\,\%$ liegt und dabei die Korrektheit des Ergebnisses nahezu garantiert wird

Optimizing for a Many-Core Architecture without Compromising Ease-of-Programming

Faced with nearly stagnant clock speed advances, chip manufacturers have turned to parallelism as the source for continuing performance improvements. But even though numerous parallel architectures have already been brought to market, a universally accepted methodology for programming them for general purpose applications has yet to emerge. Existing solutions tend to be hardware-specific, rendering them difficult to use for the majority of application programmers and domain experts, and not providing scalability guarantees for future generations of the hardware. This dissertation advances the validation of the following thesis: it is possible to develop efficient general-purpose programs for a many-core platform using a model recognized for its simplicity. To prove this thesis, we refer to the eXplicit Multi-Threading (XMT) architecture designed and built at the University of Maryland. XMT is an attempt at re-inventing parallel computing with a solid theoretical foundation and an aggressive scalable design. Algorithmically, XMT is inspired by the PRAM (Parallel Random Access Machine) model and the architecture design is focused on reducing inter-task communication and synchronization overheads and providing an easy-to-program parallel model. This thesis builds upon the existing XMT infrastructure to improve support for efficient execution with a focus on ease-of-programming. Our contributions aim at reducing the programmer's effort in developing XMT applications and improving the overall performance. More concretely, we: (1) present a work-flow guiding programmers to produce efficient parallel solutions starting from a high-level problem; (2) introduce an analytical performance model for XMT programs and provide a methodology to project running time from an implementation; (3) propose and evaluate RAP -- an improved resource-aware compiler loop prefetching algorithm targeted at fine-grained many-core architectures; we demonstrate performance improvements of up to 34.79% on average over the GCC loop prefetching implementation and up to 24.61% on average over a simple hardware prefetching scheme; and (4) implement a number of parallel benchmarks and evaluate the overall performance of XMT relative to existing serial and parallel solutions, showing speedups of up to 13.89x vs.~ a serial processor and 8.10x vs.~parallel code optimized for an existing many-core (GPU). We also discuss the implementation and optimization of the Max-Flow algorithm on XMT, a problem which is among the more advanced in terms of complexity, benchmarking and research interest in the parallel algorithms community. We demonstrate better speed-ups compared to a best serial solution than previous attempts on other parallel platforms