Evaluation of an efficient etack-RLE clustering concept for dynamically adaptive grids

This is the author accepted manuscript. The final version is available from the Society for Industrial and Applied Mathematics via the DOI in this record.Abstract. One approach to tackle the challenge of efficient implementations for parallel PDE simulations on dynamically changing grids is the usage of space-filling curves (SFC). While SFC algorithms possess advantageous properties such as low memory requirements and close-to-optimal partitioning approaches with linear complexity, they require efficient communication strategies for keeping and utilizing the connectivity information, in particular for dynamically changing grids. Our approach is to use a sparse communication graph to store the connectivity information and to transfer data block-wise. This permits efficient generation of multiple partitions per memory context (denoted by clustering) which - in combination with a run-length encoding (RLE) - directly leads to elegant solutions for shared, distributed and hybrid parallelization and allows cluster-based optimizations. While previous work focused on specific aspects, we present in this paper an overall compact summary of the stack-RLE clustering approach completed by aspects on the vertex-based communication that ease up understanding the approach. The central contribution of this work is the proof of suitability of the stack-RLE clustering approach for an efficient realization of different, relevant building blocks of Scientific Computing methodology and real-life CSE applications: We show 95% strong scalability for small-scale scalability benchmarks on 512 cores and weak scalability of over 90% on 8192 cores for finite-volume solvers and changing grid structure in every time step; optimizations of simulation data backends by writer tasks; comparisons of analytical benchmarks to analyze the adaptivity criteria; and a Tsunami simulation as a representative real-world showcase of a wave propagation for our approach which reduces the overall workload by 95% for parallel fully-adaptive mesh refinement and, based on a comparison with SFC-ordered regular grid cells, reduces the computation time by a factor of 7.6 with improved results and a factor of 62.2 with results of similar accuracy of buoy station dataThis work was partly supported by the German Research Foundation (DFG) as part of the Transregional Collaborative Research Centre “Invasive Computing” (SFB/TR 89)

Proactive Adaptation in Self-Organizing Task-based Runtime Systems for Different Computing Classes

Moderne Computersysteme bieten Anwendern und Anwendungsentwicklern ein hohes Maß an Parallelität und Heterogenität. Die effiziente Nutzung dieser Systeme erfordert jedoch tiefgreifende Kenntnisse, z.B. der darunterliegenden Hardware-Plattform und den notwendigen Programmiermodellen, und umfangreiche Arbeit des Entwicklers. In dieser Thesis bezieht sich die effiziente Nutzung auf die Gesamtausführungszeit der Anwendungen, den Energieverbrauch des Systems, die maximale Temperatur der Verarbeitungseinheiten und die Zuverlässigkeit des Systems. Neben den verschiedenen Optimierungszielen muss ein Anwendungsentwickler auch die spezifischen Einschränkungen und Randbedingungen des Systems berücksichtigen, wie z. B. Deadlines oder Sicherheitsgarantien, die mit bestimmten Anwendungsbereichen einhergehen. Diese Komplexität heterogener Systeme macht es unmöglich, alle potenziellen Systemzustände und Umwelteinflüsse, die zur Laufzeit auftreten können, vorherzusagen. Die System- und Anwendungsentwickler sind somit nicht in der Lage, zur Entwurfszeit festzulegen, wie das System und die Anwendungen in allen möglichen Situationen reagieren sollen. Daher ist es notwendig, die Systeme zur Laufzeit der aktuellen Situation anzupassen, um ihr Verhalten entsprechend zu optimieren. In eingebetteten Systemen mit begrenzten Kühlkapazitäten muss z.B. bei Erreichen einer bestimmten Temperaturschwelle eine Lastverteilung vorgenommen, die Frequenz verringert oder Verarbeitungseinheiten abgeschaltet werden, um die Wärmeentwicklung zu reduzieren. Normalerweise reicht es aber nicht aus, einfach nur auf einen ungünstigen Systemzustand zu reagieren. Das Ziel sollte darin bestehen, ungünstige oder fehlerhafte Systemzustände vor dem Auftreten zu vermeiden, um die Notwendigkeit des Aufrufs von Notfallfunktionen zu verringern und die Benutzerfreundlichkeit zu verbessern. Anstatt beispielsweise die Wärmeentwicklung durch eine Neuverteilung der Anwendungen zu reduzieren, könnten proaktive Mechanismen kritische Temperaturen bereits im Vorfeld vermeiden, indem sie bestimmte unkritische Aufgaben verzögern oder deren Genauigkeit oder QoS verringern. Auf diese Weise wird die Systemlast reduziert, bevor ein kritischer Punkt erreicht wird. Lösungen des aktuellen Stands der Technik wie einheitliche Programmiersprachen oder Laufzeitsysteme adressieren einige der oben genannten Herausforderungen, jedoch existiert kein Ansatz, der in der Lage ist, eine Optimierung mehrerer sich widersprechender Zielfunktionen dynamisch und vor allem proaktiv durchzuführen. Ein Konzept, das diese komplexe Aufgabe für den Entwickler übernimmt und eine Möglichkeit zur dynamischen und proaktiven Anpassung an Veränderungen bietet, ist die Selbstorganisation. Selbstorganisation ist jedoch definiert als ein Prozess ohne externe Kontrolle oder Steuerung. Im Kontext der Systemoptimierung kann dies leicht zu unerwünschten Ergebnissen führen. Ein Ansatz, der Selbstorganisation mit einem Kontrollmechanismus kombiniert, welcher auf Robustheit und Widerstandsfähigkeit gegenüber äußeren Störungen abzielt, ist Organic Computing. Das bestimmende Merkmal von Organic Computing ist eine Observer/Controller-Architektur. Das Konzept dieser Architektur besteht darin, den aktuellen Zustand des Systems und der Umgebung zu überwachen, diese Daten zu analysieren und auf der Grundlage dieser Analyse Entscheidungen über das zukünftige Systemverhalten zu treffen. Organic Computing ermöglicht es also auf der Grundlage der vergangenen und des aktuellen Zustands proaktiv Mechanismen auszuwählen und auszulösen, die das System optimieren und unerwünschte Zustände vermeiden. Um die Vorteile des Organic Computings auf moderne heterogene Systeme zu übertragen, kombiniere ich den Organic Computing-Ansatz mit einem Laufzeitsystem. Laufzeitsysteme sind ein vielversprechender Kandidat für die Umsetzung des Organic Computing-Ansatzes, da sie bereits die Ausführung von Anwendungen überwachen und steuern. Insbesondere betrachte und bearbeite ich in dieser Dissertation die folgenden Forschungsthemen, indem ich die Konzepte des Organic Computings und der Laufzeitsysteme kombiniere: • Erfassen des aktuellen Systemzustands durch Überwachung von Sensoren und Performance Countern • Vorhersage zukünftiger Systemzustände durch Analyse des vergangenen Verhaltens • Nutzung von Zustandsinformationen zur proaktiven Anpassung des Systems Ich erweitere das Thema der Erfassung von Systemzuständen auf zwei Arten. Zunächst führe ich eine neuartige heuristische Metrik zur Berechnung der Zuverlässigkeit einer Verarbeitungseinheit ein, die auf symptombasierter Fehlererkennung basiert. Symptombasierte Fehlererkennung ist eine leichtgewichtige Methode zur dynamischen Erkennung von soften Hardware-Fehlern durch Überwachung des Ausführungsverhaltens mit Performance Countern. Die dynamische Erkennung von Fehlern ermöglicht dann die Berechnung einer heuristischen Fehlerrate einer Verarbeitungseinheit in einem bestimmten Zeitfenster. Die Fehlerrate wird verwendet, um die Anzahl der erforderlichen Ausführungen einer Anwendung zu berechnen, um eine bestimmte Ergebniszuverlässigkeit, also eine Mindestwahrscheinlichkeit für ein korrektes Ergebnis, zu gewährleisten. Ein wichtiger Aspekt der Zustandserfassung ist die Minimierung des entstehenden Overheads. Ich verringere die Anzahl der für OpenMP-Tasks notwendigen Profiling-Durchläufe durch Thread-Interpolation und Überprüfungen des Skalierungsverhaltens. Zusätzlich untersuche ich die Vorhersage von OpenCL Task-Ausführungszeiten. Die Prädiktoren der Ausführungszeiten werden mit verschiedenen maschinellen Lernalgorithmen trainiert. Als Input werden Profile der Kernel verwendet, die durch statische Codeanalyse erstellt wurden. Um in dieser Dissertation zukünftige Systemzustände vorherzusagen, sollen Anwendungen vorausgesagt werden, die in naher Zukunft im System vorkommen werden. In Kombination mit der Ausführungsdatenbank ermöglicht dies die Schätzung der anstehenden Kosten, die das System zu bewältigen hat. In dieser Arbeit werden zwei Mechanismen zur Vorhersage von Anwendungen/Tasks entwickelt. Der erste Prädiktor zielt darauf ab, neue Instanzen unabhängiger Tasks vorherzusagen. Der zweite Mechanismus betrachtet Ausführungsmuster abhängiger Anwendungen und sagt auf dieser Grundlage zukünftig auftretende Anwendungen vorher. Beide Mechanismen verwenden eine Vorhersagetabelle, die auf Markov-Prädiktoren und dem Abgleich von Mustern basiert. In dieser Arbeit wird das Wissen, das durch die Systemüberwachung und die Vorhersage zukünftiger Anwendungen gewonnen wird, verwendet, um die Optimierungsziele des Systems proaktiv in Einklang zu bringen und zu gewichten. Dies geschieht durch eine Reihe von Regeln, die eine Systemzustandsbeschreibung, bestehend aus dem aktuellen Zustand, Vorhersagen und Randbedingungen bzw. Beschränkungen, auf einen Vektor aus Gewichten abbilden. Zum Erlernen der Regelmenge wird ein Extended Classifer System (XCS) eingesetzt. Das XCS ist in eine hierarchische Architektur eingebettet, die nach den Prinzipien des Organic Computing entworfen wurde. Eine wichtige Designentscheidung ist dabei die Auslagerung der Erstellung neuer Regeln an einen Offline-Algorithmus, der einen Simulator nutzt und parallel zum normalen Systemablauf ausgeführt wird. Dadurch wird sichergestellt, dass keine ungetesteten Regeln, deren Auswirkungen noch nicht bekannt sind, dem laufenden System hinzugefügt werden. Die sich daraus ergebenden Gewichte werden schließlich verwendet, um eine Bewertungsfunktion für List Scheduling-Algorithmen zu erstellen. Diese Dissertation erweitert das Forschungsgebiet der Scheduling-Algorithmen durch zwei Mechanismen für dynamisches Scheduling. Die erste Erweiterung konzentriert sich auf nicht sicherheitskritische Systeme, die Prioritäten verwenden, um die unterschiedliche Wichtigkeit von Tasks auszudrücken. Da statische Prioritäten in stark ausgelasteten Systemen zu Starvation führen können, habe ich einen dynamischen Ageing-Mechanismus entwickelt, der dazu in der Lage ist, die Prioritäten der Tasks entsprechend der aktuellen Auslastung und ihrer Wartezeiten anzupassen. Dadurch reduziert der Mechanismus die Gesamtlaufzeit über alle Tasks und die Wartezeit für Tasks mit niedrigerer Priorität. Noch ist eine große Anzahl von Anwendungen nicht dazu bereit, den hohen Grad an Parallelität zu nutzen, den moderne Computersysteme bieten. Ein Konzept, das versucht dieses Problem zu lösen, indem es mehrere verschiedene Prozesse auf demselben Rechenknoten zur Ausführung bringt, ist das Co-Scheduling. In dieser Dissertation stelle ich einen neuartigen Co-Scheduling-Mechanismus vor, welcher die Task-Schedules mehrerer Laufzeitsysteminstanzen optimiert, die auf demselben Rechenknoten ausgeführt werden. Um die notwendigen Informationen zwischen den Laufzeitsysteminstanzen zu teilen, speichert der Mechanismus die Daten in Shared Memory. Sobald ein Laufzeitsystem neue Tasks in das System einfügt, prüft der Mechanismus, ob die Berechnung eines neuen Schedules sinnvoll ist. Wird die Entscheidung getroffen, einen neuen Schedule zu berechnen, setzt der Mechanismus Simulated Annealing ein, um alle Tasks, die bisher noch nicht mit ihrer Ausführung begonnen haben, neu auf Ausführungseinheiten abzubilden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass diese Arbeit neuartige Mechanismen und Algorithmen sowie Erweiterungen zu verschiedenen Forschungsgebieten anbietet, um ein proaktives selbst-organisierendes System zu implementieren, das sich an neue und unbekannte Situationen anpassen kann. Dabei wird die Komplexität für Benutzer und Anwendungsentwickler reduziert, indem die Entscheidungsfindung in das System selbst ausgelagert wird. Gleichzeitig sorgt dieser Ansatz für eine effiziente Nutzung der Ressourcen des Systems. Insgesamt leistet diese Arbeit die folgenden Beiträge zur Erweiterung des Stands der Forschung: • Einführung einer neuartigen heuristischen Metrik zur Messung der Zuverlässigkeit von Verarbeitungseinheiten. Die Metrik basiert auf einer leichtgewichtigen Methode zur Fehlererkennung, genannt symptombasierte Fehlererkennung. Mit der symptombasierten Fehlererkennung ist es möglich, mehrere injizierte Fehlerklassen und Interferenzen, die Soft-Hardware-Fehler simulieren, sowohl auf einer CPU als auch auf einer GPU zuverlässig zu erkennen. Darüber hinaus werden diese Ergebnisse durch Welch\u27s t-Test statistisch bestätigt. • Vorschlag eines Vorhersagemodells für die Ausführungszeit von OpenCL Kerneln, das auf statischer Code-Analyse basiert. Das Modell ist in der Lage, die schnellste Verarbeitungseinheit aus einer Menge von Verarbeitungseinheiten mit einer Genauigkeit von im schlechtesten Fall $69\,\%$ auszuwählen. Zum Vergleich: eine Referenzvariante, welche immer den Prozessor vorhersagt, der die meisten Kernel am schnellsten ausführt, erzielt eine Genauigkeit von $25\,\%$. Im besten Fall erreicht das Modell eine Genauigkeit von bis zu $83\,\%$. • Bereitstellung von zwei Prädiktoren für kommende Tasks/Anwendungen. Der erste Mechanismus betrachtet unabhängige Tasks, die ständig neue Task-Instanzen erstellen, der zweite abhängige Anwendungen, die Ausführungsmuster bilden. Dabei erzielt der erste Mechanismus bei der Vorhersage der Zeitspanne zwischen zwei aufeinanderfolgenden Task-Instanzen einen maximalen\\ $sMAPE$-Wert von $4,33\,\%$ für sporadische und $0,002 \,\%$ für periodische Tasks. Darüber hinaus werden Tasks mit einem aperiodischen Ausführungsschema zuverlässig erkannt. Der zweite Mechanismus erreicht eine Genauigkeit von $77,6 \,\%$ für die Vorhersage der nächsten anstehenden Anwendung und deren Startzeit. • Einführung einer Umsetzung eines hierarchischen Organic Computing Frameworks mit dem Anwendungsgebiet Task-Scheduling. Dieses Framework enthält u.a. ein modifiziertes XCS, für dessen Design und Implementierung ein neuartiger Reward-Mechanismus entwickelt wird. Der Mechanismus bedient sich dabei eines speziell für diesen Zweck entwickelten Simulators zur Berechnung von Task-Ausführungskosten. Das XCS bildet Beschreibungen des Systemzustands auf Gewichte zur Balancierung der Optimierungsziele des Systems ab. Diese Gewichte werden in einer Bewertungsfunktion für List Scheduling-Algorithmen verwendet. Damit wird in einem Evaluationsszenario, welches aus einem fünfmal wiederholten Muster aus Anwendungen besteht, eine Reduzierung der Gesamtlaufzeit um $10,4\,\%$ bzw. $26,7\,s$, des Energieverbrauchs um $4,7\,\%$ bzw. $2061,1\,J$ und der maximalen Temperatur der GPU um $3,6\,\%$ bzw. $2,7 K$ erzielt. Lediglich die maximale Temperatur über alle CPU-Kerne erhöht sich um $6\,\%$ bzw. $2,3\,K$. • Entwicklung von zwei Erweiterungen zur Verbesserung des dynamischen Task-Schedulings für einzelne und mehrere Prozesse, z.B. mehrere Laufzeitsysteminstanzen. Der erste Mechanismus, ein Ageing-Algorithmus, betrachtet nicht sicherheitskritische Systeme, welche Task-Prioritäten verwenden, um die unterschiedliche Bedeutung von Anwendungen darzustellen. Da es in solchen Anwendungsszenarien in Kombination mit hoher Systemauslastung zu Starvation kommen kann, passt der Mechanismus die Task-Prioritäten dynamisch an die aktuelle Auslastung und die Task-Wartezeiten an. Insgesamt erreicht dieser Mechanismus in zwei Bewertungsszenarien eine durchschnittliche Laufzeitverbesserung von $3,75\,\%$ und $3,16\,\%$ bei gleichzeitiger Reduzierung der Durchlaufzeit von Tasks mit niedrigerer Priorität um bis zu $25,67\,\%$. Der zweite Mechanismus ermöglicht die Optimierung von Schedules mehrerer Laufzeitsysteminstanzen, die parallel auf demselben Rechenknoten ausgeführt werden. Dieser Co-Scheduling-Ansatz verwendet Shared Memory zum Austausch von Informationen zwischen den Prozessen und Simulated Annealing zur Berechnung neuer Task-Schedules. In zwei Evaluierungsszenarien erzielt der Mechanismus durchschnittliche Laufzeitverbesserungen von $19,74\,\%$ und $20,91\,\%$ bzw. etwa $2,7\,s$ und $3\,s$

Efficient I/O for Computational Grid Applications

High-performance computing increasingly occurs on computational grids composed of heterogeneous and geographically distributed systems of computers, networks, and storage devices that collectively act as a single virtual computer. A key challenge in this environment is to provide efficient access to data distributed across remote data servers. This dissertation explores some of the issues associated with I/O for wide-area distributed computing and describes an I/O system, called Armada, with the following features: a framework to allow application and dataset providers to flexibly compose graphs of processing modules that describe the distribution, application interfaces, and processing required of the dataset before or after computation; an algorithm to restructure application graphs to increase parallelism and to improve network performance in a wide-area network; and a hierarchical graph-partitioning scheme that deploys components of the application graph in a way that is both beneficial to the application and sensitive to the administrative policies of the different administrative domains. Experiments show that applications using Armada perform well in both low- and high-bandwidth environments, and that our approach does an exceptional job of hiding the network latency inherent in grid computing

Enhancing reliability with Latin Square redundancy on desktop grids.

Computational grids are some of the largest computer systems in existence today. Unfortunately they are also, in many cases, the least reliable. This research examines the use of redundancy with permutation as a method of improving reliability in computational grid applications. Three primary avenues are explored - development of a new redundancy model, the Replication and Permutation Paradigm (RPP) for computational grids, development of grid simulation software for testing RPP against other redundancy methods and, finally, running a program on a live grid using RPP. An important part of RPP involves distributing data and tasks across the grid in Latin Square fashion. Two theorems and subsequent proofs regarding Latin Squares are developed. The theorems describe the changing position of symbols between the rows of a standard Latin Square. When a symbol is missing because a column is removed the theorems provide a basis for determining the next row and column where the missing symbol can be found. Interesting in their own right, the theorems have implications for redundancy. In terms of the redundancy model, the theorems allow one to state the maximum makespan in the face of missing computational hosts when using Latin Square redundancy. The simulator software was developed and used to compare different data and task distribution schemes on a simulated grid. The software clearly showed the advantage of running RPP, which resulted in faster completion times in the face of computational host failures. The Latin Square method also fails gracefully in that jobs complete with massive node failure while increasing makespan. Finally an Inductive Logic Program (ILP) for pharmacophore search was executed, using a Latin Square redundancy methodology, on a Condor grid in the Dahlem Lab at the University of Louisville Speed School of Engineering. All jobs completed, even in the face of large numbers of randomly generated computational host failures

3D visualisation of oil reservoirs

This research introduces a novel approach to storing compressed 3D grid information by applying octree compression techniques. This new data structure stores the octree in a pruned flattened fashion where only header and active leaf nodes are stored in a linear array. This generates high levels of lossless compression when applied to 3D geometry where clusters of homogeneous information exist. This data structure yields fast, log(n) look-up times and initial results show that when coupled with bespoke scanning methods searching times can surpass that of direct access. Hierarchical pyramid visualisations techniques are also presented using the information stored at each level in the tree structure. Integrating with this are face culling algorithms developed in this research, which eliminate hidden face and inner leaf node cells which eases the burden placed on the CPU and GPU. By integrating these pyramid scaling and face culling algorithms, grid models can be shown at various levels of resolution incorporating sub-regions, "regions of interest" displayed at full resolution. This further lightens the load on the GPU generating quicker loading times and higher refresh rates. This can potentially allow larger models to be visualised than would otherwise have been possible. This research was sponsored by Sciencesoft an oil reservoir visualisation company and the algorithms developed in this research have been applied to compressing oil reservoir information. Oil companies require accurate 3D computer-generated models of oil reservoirs in order to make oil and gas extraction as cost effective as possible. Advances in computing power has meant that it is now possible to run multi-million cell oil reservoir grid models, increasing the level of accuracy and precision available to engineers. This thesis applies 3D octree compression techniques to these computer models and compares these with industry standard storage and cell searching algorithms as industry benchmarks. This thesis suggests that octree compression techniques may prove to be a more efficient data structure for storing and searching active cell information within oil reservoirs than existing procedures

An application specific low bit-rate video compression system geared towards vehicle tracking.

Thesis (M.Sc.Eng.)-University of Natal, Durban, 2003.The ability to communicate over a low bit-rate transmission channel has become the order of the day. In the past, transmitted data over a low bit-rate transmission channel, such as a wireless link, has typically been reserved for speech and data. However, there is currently a great deal of interest being shown in the ability to transmit streaming video over such a link. These transmission channels are generally bandwidth limited hence bit-rates need to be low. Video on the other hand requires large amounts of bandwidth for real-time streaming applications. Existing Video Compression standards such as MPEG-l/2 have succeeded in reducing the bandwidth required for transmission by exploiting redundant video information in both the spatial and temporal domains. However such compression systems are geared towards general applications hence they tend not to be suitable for low bit-rate applications. The objective of this work is to implement such a system. Following an investigation in the field of video compression, existing techniques have been adapted and integrated into an application specific low bit-rate video compression system. The implemented system is application specific as it has been designed to track vehicles of reasonable size within an otherwise static scene. Low bit-rate video is achieved by separating a video scene into two areas of interest, namely the background scene and objects that move with reference to this background. Once the background has been compressed and transmitted to the decoder, the only data that is subsequently transmitted is that that has resulted from the segmentation and tracking of vehicles within the scene. This data is normally small in comparison with that of the background scene and therefore by only updating the background periodically, the resulting average output bit-rate is low. The implemented system is divided into two parts, namely a still image encoder and decoder based on a Variable Block-Size Discrete Cosine Transform, and a context-specific encoder and decoder that tracks vehicles in motion within a video scene. The encoder system has been implemented on the Philips TriMedia TM-1300 digital signal processor (DSP). The encoder is able to capture streaming video, compress individual video frames as well as track objects in motion within a video scene. The decoder on the other hand has been implemented on the host PC in which the TriMedia DSP is plugged. A graphic user interface allows a system operator to control the compression system by configuring various compression variables. For demonstration purposes, the host PC displays the decoded video stream as well as calculated rate metrics such as peak signal to noise ratio and resultant bit-rate. The implementation of the compression system is described whilst incorporating application examples and results. Conclusions are drawn and suggestions for further improvement are offered

Multi-dimensional volume rendering for PC- based medical simulation

Ph.DDOCTOR OF PHILOSOPH