Tackling Exascale Software Challenges in Molecular Dynamics Simulations with GROMACS

GROMACS is a widely used package for biomolecular simulation, and over the last two decades it has evolved from small-scale efficiency to advanced heterogeneous acceleration and multi-level parallelism targeting some of the largest supercomputers in the world. Here, we describe some of the ways we have been able to realize this through the use of parallelization on all levels, combined with a constant focus on absolute performance. Release 4.6 of GROMACS uses SIMD acceleration on a wide range of architectures, GPU offloading acceleration, and both OpenMP and MPI parallelism within and between nodes, respectively. The recent work on acceleration made it necessary to revisit the fundamental algorithms of molecular simulation, including the concept of neighborsearching, and we discuss the present and future challenges we see for exascale simulation - in particular a very fine-grained task parallelism. We also discuss the software management, code peer review and continuous integration testing required for a project of this complexity.Comment: EASC 2014 conference proceedin

FPGA Accelerators on Heterogeneous Systems: An Approach Using High Level Synthesis

La evolución de las FPGAs como dispositivos para el procesamiento con alta eficiencia energética y baja latencia de control, comparada con dispositivos como las CPUs y las GPUs, las han hecho atractivas en el ámbito de la computación de alto rendimiento (HPC).A pesar de las inumerables ventajas de las FPGAs, su inclusión en HPC presenta varios retos. El primero, la complejidad que supone la programación de las FPGAs comparada con dispositivos como las CPUs y las GPUs. Segundo, el tiempo de desarrollo es alto debido al proceso de síntesis del hardware. Y tercero, trabajar con más arquitecturas en HPC requiere el manejo y la sintonización de los detalles de cada dispositivo, lo que añade complejidad.Esta tesis aborda estos 3 problemas en diferentes niveles con el objetivo de mejorar y facilitar la adopción de las FPGAs usando la síntesis de alto nivel(HLS) en sistemas HPC.En un nivel próximo al hardware, en esta tesis se desarrolla un modelo analítico para las aplicaciones limitadas en memoria, que es una situación común en aplicaciones de HPC. El modelo, desarrollado para kernels programados usando HLS, puede predecir el tiempo de ejecución con alta precisión y buena adaptabilidad ante cambios en la tecnología de la memoria, como las DDR4 y HBM2, y en las variaciones en la frecuencia del kernel. Esta solución puede aumentar potencialmente la productividad de las personas que programan, reduciendo el tiempo de desarrollo y optimización de las aplicaciones.Entender los detalles de bajo nivel puede ser complejo para las programadoras promedio, y el desempeño de las aplicaciones para FPGA aún requiere un alto nivel en las habilidades de programación. Por ello, nuestra segunda propuesta está enfocada en la extensión de las bibliotecas con una propuesta para cómputo en visión artificial que sea portable entre diferentes fabricantes de FPGAs. La biblioteca se ha diseñado basada en templates, lo que permite una biblioteca que da flexibilidad a la generación del hardware y oculta decisiones de diseño críticas como la comunicación entre nodos, el modelo de concurrencia, y la integración de las aplicaciones en el sistema heterogéneo para facilitar el desarrollo de grafos de visión artificial que pueden ser complejos.Finalmente, en el runtime del host del sistema heterogéneo, hemos integrado la FPGA para usarla de forma trasparente como un dispositivo acelerador para la co-ejecución en sistemas heterogéneos. Hemos hecho una serie propuestas de altonivel de abstracción que abarca los mecanismos de sincronización y políticas de balanceo en un sistema altamente heterogéneo compuesto por una CPU, una GPU y una FPGA. Se presentan los principales retos que han inspirado esta investigación y los beneficios de la inclusión de una FPGA en rendimiento y energía.En conclusión, esta tesis contribuye a la adopción de las FPGAs para entornos HPC, aportando soluciones que ayudan a reducir el tiempo de desarrollo y mejoran el desempeño y la eficiencia energética del sistema.---------------------------------------------The emergence of FPGAs in the High-Performance Computing domain is arising thanks to their promise of better energy efficiency and low control latency, compared with other devices such as CPUs or GPUs.Albeit these benefits, their complete inclusion into HPC systems still faces several challenges. First, FPGA complexity means its programming more difficult compared to devices such as CPU and GPU. Second, the development time is longer due to the required synthesis effort. And third, working with multiple devices increments the details that should be managed and increase hardware complexity.This thesis tackles these 3 problems at different stack levels to improve and to make easier the adoption of FPGAs using High-Level Synthesis on HPC systems. At a close to the hardware level, this thesis contributes with a new analytical model for memory-bound applications, an usual situation for HPC applications. The model for HLS kernels can anticipate application performance before place and route, reducing the design development time. Our results show a high precision and adaptable model for external memory technologies such as DDR4 and HBM2, and kernel frequency changes. This solution potentially increases productivity, reducing application development time.Understanding low-level implementation details is difficult for average programmers, and the development of FPGA applications still requires high proficiency program- ming skills. For this reason, the second proposal is focused on the extension of a computer vision library to be portable among two of the main FPGA vendors. The template-based library allows hardware flexibility and hides design decisions such as the communication among nodes, the concurrency programming model, and the application’s integration in the heterogeneous system, to develop complex vision graphs easily.Finally, we have transparently integrated the FPGA in a high level framework for co-execution with other devices. We propose a set of high level abstractions covering synchronization mechanism and load balancing policies in a highly heterogeneous system with CPU, GPU, and FPGA devices. We present the main challenges that inspired this research and the benefits of the FPGA use demonstrating performance and energy improvements.<br /

Multicore architecture optimizations for HPC applications

From single-core CPUs to detachable compute accelerators, supercomputers made a tremendous progress by using available transistors on chip and specializing hardware for a given type of computation. Today, compute nodes used in HPC employ multi-core CPUs tailored for serial execution and multiple accelerators (many-core devices or GPUs) for throughput computing. However, designing next-generation HPC system requires not only the performance improvement but also better energy efficiency. Current trend of reaching exascale level of computation asks for at least an order of magnitude increase in both of these metrics. This thesis explores HPC-specific optimizations in order to make better utilization of the available transistors and to improve performance by transparently executing parallel code across multiple GPU accelerators. First, we analyze several HPC benchmark suites, compare them against typical desktop applications, and identify the differences which advocate for proper core tailoring. Moreover, within the HPC applications, we evaluate serial and parallel code sections separately, resulting in an Asymmetric Chip Multiprocessor (ACMP) design with one core optimized for single-thread performance and many lean cores for parallel execution. Our results presented here suggests downsizing of core front-end structures providing an HPC-tailored lean core which saves 16% of the core area and 7% of power, without performance loss. Further improving an ACMP design, we identify that multiple lean cores run the same code during parallel regions. This motivated us to evaluate the idea where lean cores share the I-cache with the intent of benefiting from mutual prefetching, without increasing the average access latency. Our exploration of the multiple parameters finds the sweet spot on a wide interconnect to access the shared I-cache and the inclusion of a few line buffers to provide the required bandwidth and latency to sustain performance. The projections presented in this thesis show additional 11% area savings with a 5% energy reduction at no performance cost. These area and power savings might be attractive for many-core accelerators either for increasing the performance per area and power unit, or adding additional cores and thus improving the performance for the same hardware budget. Finally, in this thesis we study the effects of future NUMA accelerators comprised of multiple GPU devices. Reaching the limits of a single-GPU die size, next-generation GPU compute accelerators will likely embrace multi-socket designs increasing the core count and memory bandwidth. However, maintaining the UMA behavior of a single-GPU in multi-GPU systems without code rewriting stands as a challenge. We investigate multi-socket NUMA GPU designs and show that significant changes are needed to both the GPU interconnect and cache architectures to achieve performance scalability. We show that application phase effects can be exploited allowing GPU sockets to dynamically optimize their individual interconnect and cache policies, minimizing the impact of NUMA effects. Our NUMA-aware GPU outperforms a single GPU by 1.5×, 2.3×, and 3.2× while achieving 89%, 84%, and 76% of theoretical application scalability in 2, 4, and 8 sockets designs respectively. Implementable today, NUMA-aware multi-socket GPUs may be a promising candidate for performance scaling of future compute nodes used in HPC.Empezando por CPUs de un solo procesador, y pasando por aceleradores discretos, los supercomputadores han avanzado enormemente utilizando todos los transistores disponibles en el chip, y especializando los diseños para cada tipo de cálculo. Actualmente, los nodos de cálculo de un sistema de Computación de Altas Prestaciones (CAP) utilizan CPUs de múltiples procesadores, optimizados para el cálculo serial de instrucciones, y múltiples aceleradores (aceleradores gráficos, o many-core), optimizados para el cálculo paralelo. El diseño de un sistema CAP de nueva generación requiere no solo mejorar el rendimiento de cálculo, sino también mejorar la eficiencia energética. La siguiente generación de sistemas requiere mejorar un orden de magnitud en ambas métricas simultáneamente. Esta tesis doctoral explora optimizaciones específicas para sistemas CAP para hacer un mejor uso de los transistores, y para mejorar las prestaciones de forma transparente ejecutando las aplicaciones en múltiples aceleradores en paralelo. Primero, analizamos varios conjuntos de aplicaciones CAP, y las comparamos con aplicaciones para servidores y escritorio, identificando las principales diferencias que nos indican cómo ajustar la arquitectura para CAP. En las aplicaciones CAP, también analizamos la parte secuencial del código y la parte paralela de forma separada, . El resultado de este análisis nos lleva a proponer una arquitectura multiprocesador asimétrica (ACMP) , con un procesador optimizado para el código secuencial, y múltiples procesadores, más pequeños, optimizados para el procesamiento paralelo. Nuestros resultados muestran que reducir el tamaño de las estructuras del front-end (fetch, y predicción de saltos) en los procesadores paralelos nos proporciona un 16% extra de área en el chip, y una reducción de consumo del 7%. Como mejora a nuestra arquitectura ACMP, proponemos explotar el hecho de que todos los procesadores paralelos ejecutan el mismo código al mismo tiempo. Evaluamos una propuesta en que los procesadores paralelos comparten la caché de instrucciones, con la intención de que uno de ellos precargue las instrucciones para los demás procesadores (prefetching), sin aumentar la latencia media de acceso. Nuestra exploración de los distintos parámetros determina que el punto óptimo requiere una interconexión de alto ancho de banda para acceder a la caché compartida, y el uso de unos pocos line buffers para mantener el ancho de banda y la latencia necesarios. Nuestras proyecciones muestran un ahorro adicional del 11% en área y el 5% en energía, sin impacto en el rendimiento. Estos ahorros de área y energía permiten a un multiprocesador incrementar la eficiencia energética, o aumentar el rendimiento añadiendo procesador adicionales. Por último, estudiamos el efecto de usar múltiples aceleradores (GPU) en una arquitectura con tiempo de acceso a memoria no uniforme (NUMA). Una vez alcanzado el límite de número de transistores y tamaño máximo por chip, la siguiente generación de aceleradores deberá utilizar múltiples chips para aumentar el número de procesadores y el ancho de banda de acceso a memoria. Sin embargo, es muy difícil mantener la ilusión de un tiempo de acceso a memoria uniforme en un sistema multi-GPU sin reescribir el código de la aplicación. Nuestra investigación sobre sistemas multi-GPU muestra retos significativos en el diseño de la interconexión entre las GPU y la jerarquía de memorias cache. Nuestros resultados muestran que se puede explotar el comportamiento en fases de las aplicaciones para optimizar la configuración de la interconexión y las cachés de forma dinámica, minimizando el impacto de la arquitectura NUMA. Nuestro diseño mejora el rendimiento de un sistema con una única GPU en 1.5x, 2.3x y 3.2x (el 89%, 84%, y 76% del máximo teórico) usando 2, 4, y 8 GPUs en paralelo. Siendo su implementación posible hoy en dia, los nodos de cálculo con múltiples aceleradores son una alternativa atractiva para futuros sistemas CAP

Multicore architecture optimizations for HPC applications

From single-core CPUs to detachable compute accelerators, supercomputers made a tremendous progress by using available transistors on chip and specializing hardware for a given type of computation. Today, compute nodes used in HPC employ multi-core CPUs tailored for serial execution and multiple accelerators (many-core devices or GPUs) for throughput computing. However, designing next-generation HPC system requires not only the performance improvement but also better energy efficiency. Current trend of reaching exascale level of computation asks for at least an order of magnitude increase in both of these metrics. This thesis explores HPC-specific optimizations in order to make better utilization of the available transistors and to improve performance by transparently executing parallel code across multiple GPU accelerators. First, we analyze several HPC benchmark suites, compare them against typical desktop applications, and identify the differences which advocate for proper core tailoring. Moreover, within the HPC applications, we evaluate serial and parallel code sections separately, resulting in an Asymmetric Chip Multiprocessor (ACMP) design with one core optimized for single-thread performance and many lean cores for parallel execution. Our results presented here suggests downsizing of core front-end structures providing an HPC-tailored lean core which saves 16% of the core area and 7% of power, without performance loss. Further improving an ACMP design, we identify that multiple lean cores run the same code during parallel regions. This motivated us to evaluate the idea where lean cores share the I-cache with the intent of benefiting from mutual prefetching, without increasing the average access latency. Our exploration of the multiple parameters finds the sweet spot on a wide interconnect to access the shared I-cache and the inclusion of a few line buffers to provide the required bandwidth and latency to sustain performance. The projections presented in this thesis show additional 11% area savings with a 5% energy reduction at no performance cost. These area and power savings might be attractive for many-core accelerators either for increasing the performance per area and power unit, or adding additional cores and thus improving the performance for the same hardware budget. Finally, in this thesis we study the effects of future NUMA accelerators comprised of multiple GPU devices. Reaching the limits of a single-GPU die size, next-generation GPU compute accelerators will likely embrace multi-socket designs increasing the core count and memory bandwidth. However, maintaining the UMA behavior of a single-GPU in multi-GPU systems without code rewriting stands as a challenge. We investigate multi-socket NUMA GPU designs and show that significant changes are needed to both the GPU interconnect and cache architectures to achieve performance scalability. We show that application phase effects can be exploited allowing GPU sockets to dynamically optimize their individual interconnect and cache policies, minimizing the impact of NUMA effects. Our NUMA-aware GPU outperforms a single GPU by 1.5×, 2.3×, and 3.2× while achieving 89%, 84%, and 76% of theoretical application scalability in 2, 4, and 8 sockets designs respectively. Implementable today, NUMA-aware multi-socket GPUs may be a promising candidate for performance scaling of future compute nodes used in HPC.Empezando por CPUs de un solo procesador, y pasando por aceleradores discretos, los supercomputadores han avanzado enormemente utilizando todos los transistores disponibles en el chip, y especializando los diseños para cada tipo de cálculo. Actualmente, los nodos de cálculo de un sistema de Computación de Altas Prestaciones (CAP) utilizan CPUs de múltiples procesadores, optimizados para el cálculo serial de instrucciones, y múltiples aceleradores (aceleradores gráficos, o many-core), optimizados para el cálculo paralelo. El diseño de un sistema CAP de nueva generación requiere no solo mejorar el rendimiento de cálculo, sino también mejorar la eficiencia energética. La siguiente generación de sistemas requiere mejorar un orden de magnitud en ambas métricas simultáneamente. Esta tesis doctoral explora optimizaciones específicas para sistemas CAP para hacer un mejor uso de los transistores, y para mejorar las prestaciones de forma transparente ejecutando las aplicaciones en múltiples aceleradores en paralelo. Primero, analizamos varios conjuntos de aplicaciones CAP, y las comparamos con aplicaciones para servidores y escritorio, identificando las principales diferencias que nos indican cómo ajustar la arquitectura para CAP. En las aplicaciones CAP, también analizamos la parte secuencial del código y la parte paralela de forma separada, . El resultado de este análisis nos lleva a proponer una arquitectura multiprocesador asimétrica (ACMP) , con un procesador optimizado para el código secuencial, y múltiples procesadores, más pequeños, optimizados para el procesamiento paralelo. Nuestros resultados muestran que reducir el tamaño de las estructuras del front-end (fetch, y predicción de saltos) en los procesadores paralelos nos proporciona un 16% extra de área en el chip, y una reducción de consumo del 7%. Como mejora a nuestra arquitectura ACMP, proponemos explotar el hecho de que todos los procesadores paralelos ejecutan el mismo código al mismo tiempo. Evaluamos una propuesta en que los procesadores paralelos comparten la caché de instrucciones, con la intención de que uno de ellos precargue las instrucciones para los demás procesadores (prefetching), sin aumentar la latencia media de acceso. Nuestra exploración de los distintos parámetros determina que el punto óptimo requiere una interconexión de alto ancho de banda para acceder a la caché compartida, y el uso de unos pocos line buffers para mantener el ancho de banda y la latencia necesarios. Nuestras proyecciones muestran un ahorro adicional del 11% en área y el 5% en energía, sin impacto en el rendimiento. Estos ahorros de área y energía permiten a un multiprocesador incrementar la eficiencia energética, o aumentar el rendimiento añadiendo procesador adicionales. Por último, estudiamos el efecto de usar múltiples aceleradores (GPU) en una arquitectura con tiempo de acceso a memoria no uniforme (NUMA). Una vez alcanzado el límite de número de transistores y tamaño máximo por chip, la siguiente generación de aceleradores deberá utilizar múltiples chips para aumentar el número de procesadores y el ancho de banda de acceso a memoria. Sin embargo, es muy difícil mantener la ilusión de un tiempo de acceso a memoria uniforme en un sistema multi-GPU sin reescribir el código de la aplicación. Nuestra investigación sobre sistemas multi-GPU muestra retos significativos en el diseño de la interconexión entre las GPU y la jerarquía de memorias cache. Nuestros resultados muestran que se puede explotar el comportamiento en fases de las aplicaciones para optimizar la configuración de la interconexión y las cachés de forma dinámica, minimizando el impacto de la arquitectura NUMA. Nuestro diseño mejora el rendimiento de un sistema con una única GPU en 1.5x, 2.3x y 3.2x (el 89%, 84%, y 76% del máximo teórico) usando 2, 4, y 8 GPUs en paralelo. Siendo su implementación posible hoy en dia, los nodos de cálculo con múltiples aceleradores son una alternativa atractiva para futuros sistemas CAP.Postprint (published version

On the Enhancement of Remote GPU Virtualization in High Performance Clusters

Graphics Processing Units (GPUs) are being adopted in many computing facilities given their extraordinary computing power, which makes it possible to accelerate many general purpose applications from different domains. However, GPUs also present several side effects, such as increased acquisition costs as well as larger space requirements. They also require more powerful energy supplies. Furthermore, GPUs still consume some amount of energy while idle and their utilization is usually low for most workloads. In a similar way to virtual machines, the use of virtual GPUs may address the aforementioned concerns. In this regard, the remote GPU virtualization mechanism allows an application being executed in a node of the cluster to transparently use the GPUs installed at other nodes. Moreover, this technique allows to share the GPUs present in the computing facility among the applications being executed in the cluster. In this way, several applications being executed in different (or the same) cluster nodes can share one or more GPUs located in other nodes of the cluster. Sharing GPUs should increase overall GPU utilization, thus reducing the negative impact of the side effects mentioned before. Reducing the total amount of GPUs installed in the cluster may also be possible. In this dissertation we enhance one framework offering remote GPU virtualization capabilities, referred to as rCUDA, for its use in high-performance clusters. While the initial prototype version of rCUDA demonstrated its functionality, it also revealed concerns with respect to usability, performance, and support for new GPU features, which prevented its used in production environments. These issues motivated this thesis, in which all the research is primarily conducted with the aim of turning rCUDA into a production-ready solution for eventually transferring it to industry. The new version of rCUDA resulting from this work presents a reduction of up to 35% in execution time of the applications analyzed with respect to the initial version. Compared to the use of local GPUs, the overhead of this new version of rCUDA is below 5% for the applications studied when using the latest high-performance computing networks available.Las unidades de procesamiento gráfico (Graphics Processing Units, GPUs) están siendo utilizadas en muchas instalaciones de computación dada su extraordinaria capacidad de cálculo, la cual hace posible acelerar muchas aplicaciones de propósito general de diferentes dominios. Sin embargo, las GPUs también presentan algunas desventajas, como el aumento de los costos de adquisición, así como mayores requerimientos de espacio. Asimismo, también requieren un suministro de energía más potente. Además, las GPUs consumen una cierta cantidad de energía aún estando inactivas, y su utilización suele ser baja para la mayoría de las cargas de trabajo. De manera similar a las máquinas virtuales, el uso de GPUs virtuales podría hacer frente a los inconvenientes mencionados. En este sentido, el mecanismo de virtualización remota de GPUs permite que una aplicación que se ejecuta en un nodo de un clúster utilice de forma transparente las GPUs instaladas en otros nodos de dicho clúster. Además, esta técnica permite compartir las GPUs presentes en el clúster entre las aplicaciones que se ejecutan en el mismo. De esta manera, varias aplicaciones que se ejecutan en diferentes nodos de clúster (o los mismos) pueden compartir una o más GPUs ubicadas en otros nodos del clúster. Compartir GPUs aumenta la utilización general de la GPU, reduciendo así el impacto negativo de las desventajas anteriormente mencionadas. De igual forma, este mecanismo también permite reducir la cantidad total de GPUs instaladas en el clúster. En esta tesis mejoramos un entorno de trabajo llamado rCUDA, el cual ofrece funcionalidades de virtualización remota de GPUs para su uso en clusters de altas prestaciones. Si bien la versión inicial del prototipo de rCUDA demostró su funcionalidad, también reveló dificultades con respecto a la usabilidad, el rendimiento y el soporte para nuevas características de las GPUs, lo cual impedía su uso en entornos de producción. Estas consideraciones motivaron la presente tesis, en la que toda la investigación llevada a cabo tiene como objetivo principal convertir rCUDA en una solución lista para su uso entornos de producción, con la finalidad de transferirla eventualmente a la industria. La nueva versión de rCUDA resultante de este trabajo presenta una reducción de hasta el 35% en el tiempo de ejecución de las aplicaciones analizadas con respecto a la versión inicial. En comparación con el uso de GPUs locales, la sobrecarga de esta nueva versión de rCUDA es inferior al 5% para las aplicaciones estudiadas cuando se utilizan las últimas redes de computación de altas prestaciones disponibles.Les unitats de processament gràfic (Graphics Processing Units, GPUs) estan sent utilitzades en moltes instal·lacions de computació donada la seva extraordinària capacitat de càlcul, la qual fa possible accelerar moltes aplicacions de propòsit general de diferents dominis. No obstant això, les GPUs també presenten alguns desavantatges, com l'augment dels costos d'adquisició, així com major requeriment d'espai. Així mateix, també requereixen un subministrament d'energia més potent. A més, les GPUs consumeixen una certa quantitat d'energia encara estant inactives, i la seua utilització sol ser baixa per a la majoria de les càrregues de treball. D'una manera semblant a les màquines virtuals, l'ús de GPUs virtuals podria fer front als inconvenients esmentats. En aquest sentit, el mecanisme de virtualització remota de GPUs permet que una aplicació que s'executa en un node d'un clúster utilitze de forma transparent les GPUs instal·lades en altres nodes d'aquest clúster. A més, aquesta tècnica permet compartir les GPUs presents al clúster entre les aplicacions que s'executen en el mateix. D'aquesta manera, diverses aplicacions que s'executen en diferents nodes de clúster (o els mateixos) poden compartir una o més GPUs ubicades en altres nodes del clúster. Compartir GPUs augmenta la utilització general de la GPU, reduint així l'impacte negatiu dels desavantatges anteriorment esmentades. A més a més, aquest mecanisme també permet reduir la quantitat total de GPUs instal·lades al clúster. En aquesta tesi millorem un entorn de treball anomenat rCUDA, el qual ofereix funcionalitats de virtualització remota de GPUs per al seu ús en clústers d'altes prestacions. Si bé la versió inicial del prototip de rCUDA va demostrar la seua funcionalitat, també va revelar dificultats pel que fa a la usabilitat, el rendiment i el suport per a noves característiques de les GPUs, la qual cosa impedia el seu ús en entorns de producció. Aquestes consideracions van motivar la present tesi, en què tota la investigació duta a terme té com a objectiu principal convertir rCUDA en una solució preparada per al seu ús entorns de producció, amb la finalitat de transferir-la eventualment a la indústria. La nova versió de rCUDA resultant d'aquest treball presenta una reducció de fins al 35% en el temps d'execució de les aplicacions analitzades respecte a la versió inicial. En comparació amb l'ús de GPUs locals, la sobrecàrrega d'aquesta nova versió de rCUDA és inferior al 5% per a les aplicacions estudiades quan s'utilitzen les últimes xarxes de computació d'altes prestacions disponibles.Reaño González, C. (2017). On the Enhancement of Remote GPU Virtualization in High Performance Clusters [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/86219TESISPremios Extraordinarios de tesis doctorale

Proceedings of the Second International Workshop on HyperTransport Research and Applications (WHTRA2011)

Proceedings of the Second International Workshop on HyperTransport Research and Applications (WHTRA2011) which was held Feb. 9th 2011 in Mannheim, Germany. The Second International Workshop for Research on HyperTransport is an international high quality forum for scientists, researches and developers working in the area of HyperTransport. This includes not only developments and research in HyperTransport itself, but also work which is based on or enabled by HyperTransport. HyperTransport (HT) is an interconnection technology which is typically used as system interconnect in modern computer systems, connecting the CPUs among each other and with the I/O bridges. Primarily designed as interconnect between high performance CPUs it provides an extremely low latency, high bandwidth and excellent scalability. The definition of the HTX connector allows the use of HT even for add-in cards. In opposition to other peripheral interconnect technologies like PCI-Express no protocol conversion or intermediate bridging is necessary. HT is a direct connection between device and CPU with minimal latency. Another advantage is the possibility of cache coherent devices. Because of these properties HT is of high interest for high performance I/O like networking and storage, but also for co-processing and acceleration based on ASIC or FPGA technologies. In particular acceleration sees a resurgence of interest today. One reason is the possibility to reduce power consumption by the use of accelerators. In the area of parallel computing the low latency communication allows for fine grain communication schemes and is perfectly suited for scalable systems. Summing up, HT technology offers key advantages and great performance to any research aspect related to or based on interconnects. For more information please consult the workshop website (http://whtra.uni-hd.de)

An Analytical Model-based Capacity Planning Approach for Building CSD-based Storage Systems

The data movement in large-scale computing facilities (from compute nodes to data nodes) is categorized as one of the major contributors to high cost and energy utilization. To tackle it, in-storage processing (ISP) within storage devices, such as Solid-State Drives (SSDs), has been explored actively. The introduction of computational storage drives (CSDs) enabled ISP within the same form factor as regular SSDs and made it easy to replace SSDs within traditional compute nodes. With CSDs, host systems can offload various operations such as search, filter, and count. However, commercialized CSDs have different hardware resources and performance characteristics. Thus, it requires careful consideration of hardware, performance, and workload characteristics for building a CSD-based storage system within a compute node. Therefore, storage architects are hesitant to build a storage system based on CSDs as there are no tools to determine the benefits of CSD-based compute nodes to meet the performance requirements compared to traditional nodes based on SSDs. In this work, we proposed an analytical model-based storage capacity planner called CSDPlan for system architects to build performance-effective CSD-based compute nodes. Our model takes into account the performance characteristics of the host system, targeted workloads, and hardware and performance characteristics of CSDs to be deployed and provides optimal configuration based on the number of CSDs for a compute node. Furthermore, CSDPlan estimates and reduces the total cost of ownership (TCO) for building a CSD-based compute node. To evaluate the efficacy of CSDPlan, we selected two commercially available CSDs and 4 representative big data analysis workloads