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    Application-level Fault Tolerance and Resilience in HPC Applications

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    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

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    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

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    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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