Algorithm Libraries for Multi-Core Processors

By providing parallelized versions of established algorithm libraries, we ease the exploitation of the multiple cores on modern processors for the programmer. The Multi-Core STL provides basic algorithms for internal memory, while the parallelized STXXL enables multi-core acceleration for algorithms on large data sets stored on disk. Some parallelized geometric algorithms are introduced into CGAL. Further, we design and implement sorting algorithms for huge data in distributed external memory

Efficient Storage of Genomic Sequences in High Performance Computing Systems

ABSTRACT: In this dissertation, we address the challenges of genomic data storage in high performance computing systems. In particular, we focus on developing a referential compression approach for Next Generation Sequence data stored in FASTQ format files. The amount of genomic data available for researchers to process has increased exponentially, bringing enormous challenges for its efficient storage and transmission. General-purpose compressors can only offer limited performance for genomic data, thus the need for specialized compression solutions. Two trends have emerged as alternatives to harness the particular properties of genomic data: non-referential and referential compression. Non-referential compressors offer higher compression rations than general purpose compressors, but still below of what a referential compressor could theoretically achieve. However, the effectiveness of referential compression depends on selecting a good reference and on having enough computing resources available. This thesis presents one of the first referential compressors for FASTQ files. We first present a comprehensive analytical and experimental evaluation of the most relevant tools for genomic raw data compression, which led us to identify the main needs and opportunities in this field. As a consequence, we propose a novel compression workflow that aims at improving the usability of referential compressors. Subsequently, we discuss the implementation and performance evaluation for the core of the proposed workflow: a referential compressor for reads in FASTQ format that combines local read-to-reference alignments with a specialized binary-encoding strategy. The compression algorithm, named UdeACompress, achieved very competitive compression ratios when compared to the best compressors in the current state of the art, while showing reasonable execution times and memory use. In particular, UdeACompress outperformed all competitors when compressing long reads, typical of the newest sequencing technologies. Finally, we study the main aspects of the data-level parallelism in the Intel AVX-512 architecture, in order to develop a parallel version of the UdeACompress algorithms to reduce the runtime. Through the use of SIMD programming, we managed to significantly accelerate the main bottleneck found in UdeACompress, the Suffix Array Construction

Wireless Communication in Data Centers: A Survey

Data centers (DCs) is becoming increasingly an integral part of the computing infrastructures of most enterprises. Therefore, the concept of DC networks (DCNs) is receiving an increased attention in the network research community. Most DCNs deployed today can be classified as wired DCNs as copper and optical fiber cables are used for intra- and inter-rack connections in the network. Despite recent advances, wired DCNs face two inevitable problems; cabling complexity and hotspots. To address these problems, recent research works suggest the incorporation of wireless communication technology into DCNs. Wireless links can be used to either augment conventional wired DCNs, or to realize a pure wireless DCN. As the design spectrum of DCs broadens, so does the need for a clear classification to differentiate various design options. In this paper, we analyze the free space optical (FSO) communication and the 60 GHz radio frequency (RF), the two key candidate technologies for implementing wireless links in DCNs. We present a generic classification scheme that can be used to classify current and future DCNs based on the communication technology used in the network. The proposed classification is then used to review and summarize major research in this area. We also discuss open questions and future research directions in the area of wireless DCs

Hyperscale Data Processing With Network-Centric Designs

Today’s largest data processing workloads are hosted in cloud data centers. Due to unprecedented data growth and the end of Moore’s Law, these workloads have ballooned to the hyperscale level, encompassing billions to trillions of data items and hundreds to thousands of machines per query. Enabling and expanding with these workloads are highly scalable data center networks that connect up to hundreds of thousands of networked servers. These massive scales fundamentally challenge the designs of both data processing systems and data center networks, and the classic layered designs are no longer sustainable. Rather than optimize these massive layers in silos, we build systems across them with principled network-centric designs. In current networks, we redesign data processing systems with network-awareness to minimize the cost of moving data in the network. In future networks, we propose new interfaces and services that the cloud infrastructure offers to applications and codesign data processing systems to achieve optimal query processing performance. To transform the network to future designs, we facilitate network innovation at scale. This dissertation presents a line of systems work that covers all three directions. It first discusses GraphRex, a network-aware system that combines classic database and systems techniques to push the performance of massive graph queries in current data centers. It then introduces data processing in disaggregated data centers, a promising new cloud proposal. It details TELEPORT, a compute pushdown feature that eliminates data processing performance bottlenecks in disaggregated data centers, and Redy, which provides high-performance caches using remote disaggregated memory. Finally, it presents MimicNet, a fine-grained simulation framework that evaluates network proposals at datacenter scale with machine learning approximation. These systems demonstrate that our ideas in network-centric designs achieve orders of magnitude higher efficiency compared to the state of the art at hyperscale

Association of Christians in the Mathematical Sciences Proceedings 2019

The conference proceedings of the Association of Christians in the Mathematical Sciences biannual conference, May 29-June 1, 2019 at Indiana Wesleyan University

Data Parallel C++

Learn how to accelerate C++ programs using data parallelism. This open access book enables C++ programmers to be at the forefront of this exciting and important new development that is helping to push computing to new levels. It is full of practical advice, detailed explanations, and code examples to illustrate key topics. Data parallelism in C++ enables access to parallel resources in a modern heterogeneous system, freeing you from being locked into any particular computing device. Now a single C++ application can use any combination of devices—including GPUs, CPUs, FPGAs and AI ASICs—that are suitable to the problems at hand. This book begins by introducing data parallelism and foundational topics for effective use of the SYCL standard from the Khronos Group and Data Parallel C++ (DPC++), the open source compiler used in this book. Later chapters cover advanced topics including error handling, hardware-specific programming, communication and synchronization, and memory model considerations. Data Parallel C++ provides you with everything needed to use SYCL for programming heterogeneous systems. What You'll Learn Accelerate C++ programs using data-parallel programming Target multiple device types (e.g. CPU, GPU, FPGA) Use SYCL and SYCL compilers Connect with computing’s heterogeneous future via Intel’s oneAPI initiative Who This Book Is For Those new data-parallel programming and computer programmers interested in data-parallel programming using C++

Applications of graph theory to wireless networks and opinion analysis

La teoría de grafos es una rama importante dentro de la matemática discreta. Su uso ha aumentado recientemente dada la conveniencia de los grafos para estructurar datos, para analizarlos y para generarlos a través de modelos. El objetivo de esta tesis es aplicar teoría de grafos a la optimización de redes inalámbricas y al análisis de opinión. El primer conjunto de contribuciones de esta tesis versa sobre la aplicación de teoría de grafos a redes inalámbricas. El rendimiento de estas redes depende de la correcta distribución de canales de frecuencia en un espacio compartido. Para optimizar estas redes se proponen diferentes técnicas, desde la aplicación de heurísticas como simulated annealing a la negociación automática. Cualquiera de estas técnicas requiere un modelo teórico de la red inalámbrica en cuestión. Nuestro modelo de redes Wi-Fi utiliza grafos geométricos para este propósito. Los vértices representan los dispositivos de la red, sean clientes o puntos de acceso, mientras que las aristas representan las señales entre dichos dispositivos. Estos grafos son de tipo geométrico, por lo que los vértices tienen posición en el espacio, y las aristas tienen longitud. Con esta estructura y la aplicación de un modelo de propagación y de uso, podemos simular redes inalámbricas y contribuir a su optimización. Usando dicho modelo basado en grafos, hemos estudiado el efecto de la interferencia cocanal en redes Wi-Fi 4 y mostramos una mejora de rendimiento asociada a la técnica de channel bonding cuando se usa en regiones donde hay por lo menos 13 canales disponibles. Por otra parte, en esta tesis doctoral hemos aplicado teoría de grafos al análisis de opinión dentro de la línea de investigación de SensoGraph, un método con el que se realiza un análisis de opinión sobre un conjunto de elementos usando grafos de proximidad, lo que permite manejar grandes conjuntos de datos. Además, hemos desarrollado un método de análisis de opinión que emplea la asignación manual de aristas y distancias en un grafo para estudiar la similaridad entre las muestras dos a dos. Adicionalmente, se han explorado otros temas sin relación con los grafos, pero que entran dentro de la aplicación de las matemáticas a un problema de la ingeniería telemática. Se ha desarrollado un sistema de votación electrónica basado en mixnets, secreto compartido de Shamir y cuerpos finitos. Dicha propuesta ofrece un sistema de verificación numérico novedoso a la vez que mantiene las propiedades esenciales de los sistemas de votación

Aspects of Code Generation and Data Transfer Techniques for Modern Parallel Architectures

Im Bereich der Prozessorarchitekturen hat sich der Fokus neuer Entwicklungen von immer höheren Taktfrequenzen hin zu immer mehr Kernen auf einem Chip verschoben. Eine hohe Kernanzahl ermöglicht es unterschiedlich leistungsfähige Kerne anzubieten, und sogar dedizierte Kerne mit speziellen Befehlssätzen. Die Entwicklung für solch heterogene Plattformen ist herausfordernd und benötigt entsprechende Unterstützung von Entwicklungswerkzeugen, wie beispielsweise Übersetzern. Neben ihrer heterogenen Kernstruktur gibt es eine zweite Dimension, die die Entwicklung für solche Architekturen anspruchsvoll macht: ihre Speicherstruktur. Die Aufrechterhaltung von globaler Cache-Kohärenz erschwert das Erreichen hoher Kernzahlen. Hardwarebasierte Cache-Kohärenz-Protokolle skalieren entweder schlecht, oder sind kompliziert und führen zu Problemen bei Ausführungszeit und Energieeffizienz. Eine radikale Lösung dieses Problems stellt die Abschaffung der globalen Cache-Kohärenz dar. Jedoch ist es schwierig, bestehende Programmiermodelle effizient auf solch eine Hardware-Architektur mit schwachen Garantien abzubilden. Der erste Teil dieser Dissertation beschäftigt sich Datentransfertechniken für nicht-cache-kohärente Architekturen mit gemeinsamem Speicher. Diese Architekturen bieten einen gemeinsamen physikalischen Adressraum, implementieren aber keine hardwarebasierte Kohärenz zwischen allen Caches des Systems. Die logische Partitionierung des gemeinsamen Speichers ermöglicht die sichere Programmierung einer solchen Plattform. Im Allgemeinen erzeugt dies die Notwendigkeit Daten zwischen Speicherpartitionen zu kopieren. Wir untersuchen die Übersetzung für invasive Architekturen, einer Familie von nicht-cache-kohärenten Vielkernarchitekturen. Wir betrachten die effiziente Implementierung von Datentransfers sowohl einfacher als auch komplexer Datenstrukturen auf invasiven Architekturen. Insbesondere schlagen wir eine neuartige Technik zum Kopieren komplexer verzeigerter Datenstrukturen vor, die ohne Serialisierung auskommt. Hierzu verallgemeinern wir den Objekt-Klon-Ansatz mit übersetzergesteuerter automatischer software-basierter Kohärenz, sodass er auch im Kontext nicht-kohärenter Caches funktioniert. Wir präsentieren Implementierungen mehrerer Datentransfertechniken im Rahmen eines existierenden Übersetzers und seines Laufzeitsystems. Wir führen eine ausführliche Auswertung dieser Implementierungen auf einem FPGA-basierten Prototypen einer invasiven Architektur durch. Schließlich schlagen wir vor, Hardwareunterstützung für bereichsbasierte Cache-Operationen hinzuzufügen und beschreiben und bewerten mögliche Implementierungen und deren Kosten. Der zweite Teil dieser Dissertation befasst sich mit der Beschleunigung von Shuffle-Code, der bei der Registerzuteilung auftritt, durch die Verwendung von Permutationsbefehlen. Die Aufgabe der Registerzuteilung während der Programmübersetzung ist die Abbildung von Programmvariablen auf Maschinenregister. Während der Registerzuteilung erzeugt der Übersetzer Shuffle-Code, der aus Kopier- und Tauschbefehlen besteht, um Werte zwischen Registern zu transferieren. Abhängig von der Qualität der Registerzuteilung und der Zahl der verfügbaren Register kann eine große Menge an Shuffle-Code erzeugt werden. Wir schlagen vor, die Ausführung von Shuffle-Code mit Hilfe von neuartigen Permutationsbefehlen zu beschleunigen, die die Inhalte von einigen Registern in einem Taktzyklus beliebig permutieren. Um die Machbarkeit dieser Idee zu demonstrieren, erweitern wir zunächst ein bestehendes RISC-Befehlsformat um Permutationsbefehle. Anschließend beschreiben wir, wie die vorgeschlagenen Permutationsbefehle in einer bestehenden RISC-Architektur implementiert werden können. Dann entwickeln wir zwei Verfahren zur Codeerzeugung, die die Permutationsbefehle ausnutzen, um Shuffle-Code zu beschleunigen: eine schnelle Heuristik und einen auf dynamischer Programmierung basierenden optimalen Ansatz. Wir beweisen Qualitäts- und Korrektheitseingeschaften beider Ansätze und zeigen die Optimalität des zweiten Ansatzes. Im Folgenden implementieren wir beide Codeerzeugungsverfahren in einem Übersetzer und untersuchen sowie vergleichen deren Codequalität ausführlich mit Hilfe standardisierter Benchmarks. Zunächst messen wir die genaue Zahl der dynamisch ausgeführten Befehle, welche wir folgend validieren, indem wir Programmlaufzeiten auf einer FPGA-basierten Prototypimplementierung der um Permutationsbefehle erweiterten RISC-Architektur messen. Schließlich argumentieren wir, dass Permutationsbefehle auf modernen Out-Of-Order-Prozessorarchitekturen, die bereits Registerumbenennung unterstützen, mit wenig Aufwand implementierbar sind