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Application-level Fault Tolerance and Resilience in HPC Applications
Programa Oficial de Doutoramento en Investigación en Tecnoloxías da Información. 524V01[Resumo]
As necesidades computacionais das distintas ramas da ciencia medraron enormemente
nos últimos anos, o que provocou un gran crecemento no rendemento proporcionado
polos supercomputadores. Cada vez constrúense sistemas de computación
de altas prestacións de maior tamaño, con máis recursos hardware de distintos tipos,
o que fai que as taxas de fallo destes sistemas tamén medren. Polo tanto, o
estudo de técnicas de tolerancia a fallos eficientes é indispensábel para garantires
que os programas científicos poidan completar a súa execución, evitando ademais
que se dispare o consumo de enerxía. O checkpoint/restart é unha das técnicas máis
populares. Sen embargo, a maioría da investigación levada a cabo nas últimas décadas
céntrase en estratexias stop-and-restart para aplicacións de memoria distribuída
tralo acontecemento dun fallo-parada. Esta tese propón técnicas checkpoint/restart
a nivel de aplicación para os modelos de programación paralela roáis populares en
supercomputación. Implementáronse protocolos de checkpointing para aplicacións
híbridas MPI-OpenMP e aplicacións heteroxéneas baseadas en OpenCL, en ámbolos
dous casos prestando especial coidado á portabilidade e maleabilidade da solución.
En canto a aplicacións de memoria distribuída, proponse unha solución de resiliencia
que pode ser empregada de forma xenérica en aplicacións MPI SPMD, permitindo
detectar e reaccionar a fallos-parada sen abortar a execución. Neste caso, os procesos
fallidos vólvense a lanzar e o estado da aplicación recupérase cunha volta atrás global.
A maiores, esta solución de resiliencia optimizouse implementando unha volta
atrás local, na que só os procesos fallidos volven atrás, empregando un protocolo de
almacenaxe de mensaxes para garantires a consistencia e o progreso da execución.
Por último, propónse a extensión dunha librería de checkpointing para facilitares a implementación de estratexias de recuperación ad hoc ante conupcións de memoria.
En moitas ocasións, estos erros poden ser xestionados a nivel de aplicación, evitando
desencadear un fallo-parada e permitindo unha recuperación máis eficiente.[Resumen]
El rápido aumento de las necesidades de cómputo de distintas ramas de la ciencia
ha provocado un gran crecimiento en el rendimiento ofrecido por los supercomputadores.
Cada vez se construyen sistemas de computación de altas prestaciones mayores,
con más recursos hardware de distintos tipos, lo que hace que las tasas de
fallo del sistema aumenten. Por tanto, el estudio de técnicas de tolerancia a fallos
eficientes resulta indispensable para garantizar que los programas científicos puedan
completar su ejecución, evitando además que se dispare el consumo de energía. La
técnica checkpoint/restart es una de las más populares. Sin embargo, la mayor parte
de la investigación en este campo se ha centrado en estrategias stop-and-restart
para aplicaciones de memoria distribuida tras la ocurrencia de fallos-parada. Esta
tesis propone técnicas checkpoint/restart a nivel de aplicación para los modelos de
programación paralela más populares en supercomputación. Se han implementado
protocolos de checkpointing para aplicaciones híbridas MPI-OpenMP y aplicaciones
heterogéneas basadas en OpenCL, prestando en ambos casos especial atención a la
portabilidad y la maleabilidad de la solución. Con respecto a aplicaciones de memoria
distribuida, se propone una solución de resiliencia que puede ser usada de forma
genérica en aplicaciones MPI SPMD, permitiendo detectar y reaccionar a fallosparada
sin abortar la ejecución. En su lugar, se vuelven a lanzar los procesos fallidos
y se recupera el estado de la aplicación con una vuelta atrás global. A mayores, esta
solución de resiliencia ha sido optimizada implementando una vuelta atrás local, en
la que solo los procesos fallidos vuelven atrás, empleando un protocolo de almacenaje
de mensajes para garantizar la consistencia y el progreso de la ejecución. Por
último, se propone una extensión de una librería de checkpointing para facilitar la
implementación de estrategias de recuperación ad hoc ante corrupciones de memoria.
Muchas veces, este tipo de errores puede gestionarse a nivel de aplicación, evitando
desencadenar un fallo-parada y permitiendo una recuperación más eficiente.[Abstract]
The rapid increase in the computational demands of science has lead to a pronounced
growth in the performance offered by supercomputers. As High Performance
Computing (HPC) systems grow larger, including more hardware components
of different types, the system's failure rate becomes higher. Efficient fault
tolerance techniques are essential not only to ensure the execution completion but
also to save energy. Checkpoint/restart is one of the most popular fault tolerance
techniques. However, most of the research in this field is focused on stop-and-restart
strategies for distributed-memory applications in the event of fail-stop failures. Thís
thesis focuses on the implementation of application-level checkpoint/restart solutions
for the most popular parallel programming models used in HPC. Hence, we
have implemented checkpointing solutions to cope with fail-stop failures in hybrid
MPI-OpenMP applications and OpenCL-based programs. Both strategies maximize
the restart portability and malleability, ie., the recovery can take place on
machines with different CPU / accelerator architectures, and/ or operating systems,
and can be adapted to the available resources (number of cores/accelerators). Regarding
distributed-memory applications, we propose a resilience solution that can
be generally applied to SPMD MPI programs. Resilient applications can detect and
react to failures without aborting their execution upon fail-stop failures. Instead,
failed processes are re-spawned, and the application state is recovered through a
global rollback. Moreover, we have optimized this resilience proposal by implementing
a local rollback protocol, in which only failed processes rollback to a previous
state, while message logging enables global consistency and further progress of the
computation. Finally, we have extended a checkpointing library to facilitate the
implementation of ad hoc recovery strategies in the event of soft errors) caused by
memory corruptions. Many times, these errors can be handled at the software-Ievel,
tIms, avoiding fail-stop failures and enabling a more efficient recovery
A Graph-Based Semantics Workbench for Concurrent Asynchronous Programs
A number of novel programming languages and libraries have been proposed that
offer simpler-to-use models of concurrency than threads. It is challenging,
however, to devise execution models that successfully realise their
abstractions without forfeiting performance or introducing unintended
behaviours. This is exemplified by SCOOP---a concurrent object-oriented
message-passing language---which has seen multiple semantics proposed and
implemented over its evolution. We propose a "semantics workbench" with fully
and semi-automatic tools for SCOOP, that can be used to analyse and compare
programs with respect to different execution models. We demonstrate its use in
checking the consistency of semantics by applying it to a set of representative
programs, and highlighting a deadlock-related discrepancy between the principal
execution models of the language. Our workbench is based on a modular and
parameterisable graph transformation semantics implemented in the GROOVE tool.
We discuss how graph transformations are leveraged to atomically model
intricate language abstractions, and how the visual yet algebraic nature of the
model can be used to ascertain soundness.Comment: Accepted for publication in the proceedings of FASE 2016 (to appear
Resilient MPI applications using an application-level checkpointing framework and ULFM
This is a post-peer-review, pre-copyedit version of an article published in Journal of Supercomputing. The final authenticated version is available online at: https://doi.org/10.1007/s11227-016-1629-7[Abstract] Future exascale systems, formed by millions of cores, will present high failure rates, and long-running applications will need to make use of new fault tolerance techniques to ensure successful execution completion. The Fault Tolerance Working Group, within the MPI forum, has presented the User Level Failure Mitigation (ULFM) proposal, providing new functionalities for the implementation of resilient MPI applications. In this work, the CPPC checkpointing framework is extended to exploit the new ULFM functionalities. The proposed solution transparently obtains resilient MPI applications by instrumenting the original application code. Besides, a multithreaded multilevel checkpointing, in which the checkpoint files are saved in different memory levels, improves the scalability of the solution. The experimental evaluation shows a low overhead when tolerating failures in one or several MPI processes.Ministerio de Economía y Competitividad; TIN2013-42148-PMinisterio de Economía y Competitividad; TIN2014-53522-REDTMinisterio de Economía y Competitividad; BES-2014-068066Galicia. Consellería de Cultura, Educación e Ordenación Universitaria; GRC2013/05
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