Exascale Algorithms for Generalized MPI_Comm_split

Abstract not provide

Un modèle hièrarchique pour la gestion de la topologie dans les applications MPI

The MPI standard is a major contribution in the landscape of parallel programming. Since its inception in the mid 90's it has ensured portability and performance for parallel applications on a wide spectrum of machines and architectures. With the advent of multicore machines, understanding and taking into account the underlying physical topology and memory hierarchy as become of paramount importance. The MPI standard in its current state, however, and despite recent evolutions is still unable to offer mechanisms to achieve this. In this paper, we detail several additions to the standard that give the user tools to address the hardware topology and data locality issues while improving application performance.Le standard MPI est une contribution importante dans le domaine de la programmation parallèle. Il est destiné à l'écriture d'applications parallèles pour un large éventail d'architectures parallèles. L'arrivée des machines multicœur implique une compréhension plus fine de la topologie matérielle sous-jacente, notamment en ce qui concerne les hiérarchies mémoire et réseau. Or, dans son statut actuel, MPI ne permet pas de prendre ces aspects en compte. Nous détaillons dans cet article des modifications à MPI pour permettre la prise en compte de ces aspects afind'améliorer les performances applicatives

Robust Scalable Sorting

Sortieren ist eines der wichtigsten algorithmischen Grundlagenprobleme. Es ist daher nicht verwunderlich, dass Sortieralgorithmen in einer Vielzahl von Anwendungen benötigt werden. Diese Anwendungen werden auf den unterschiedlichsten Geräten ausgeführt -- angefangen bei Smartphones mit leistungseffizienten Multi-Core-Prozessoren bis hin zu Supercomputern mit Tausenden von Maschinen, die über ein Hochleistungsnetzwerk miteinander verbunden sind. Spätestens seitdem die Single-Core-Leistung nicht mehr signifikant steigt, sind parallele Anwendungen in unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Daher sind effiziente und skalierbare Algorithmen essentiell, um diese immense Verfügbarkeit von (paralleler) Rechenleistung auszunutzen. Diese Arbeit befasst sich damit, wie sequentielle und parallele Sortieralgorithmen auf möglichst robuste Art maximale Leistung erzielen können. Dabei betrachten wir einen großen Parameterbereich von Eingabegrößen, Eingabeverteilungen, Maschinen sowie Datentypen. Im ersten Teil dieser Arbeit untersuchen wir sowohl sequentielles Sortieren als auch paralleles Sortieren auf Shared-Memory-Maschinen. Wir präsentieren In-place Parallel Super Scalar Samplesort (IPS⁴o), einen neuen vergleichsbasierten Algorithmus, der mit beschränkt viel Zusatzspeicher auskommt (die sogenannte „in-place” Eigenschaft). Eine wesentliche Erkenntnis ist, dass unsere in-place-Technik die Sortiergeschwindigkeit von IPS⁴o im Vergleich zu ähnlichen Algorithmen ohne in-place-Eigenschaft verbessert. Bisher wurde die Eigenschaft, mit beschränkt viel Zusatzspeicher auszukommen, eher mit Leistungseinbußen verbunden. IPS⁴o ist außerdem cache-effizient und führt $O(n/t\log n)$ Arbeitsschritte pro Thread aus, um ein Array der Größe $n$ mit $t$ Threads zu sortieren. Zusätzlich berücksichtigt IPS⁴o Speicherlokalität, nutzt einen Entscheidungsbaum ohne Sprungvorhersagen und verwendet spezielle Partitionen für Elemente mit gleichem Schlüssel. Für den Spezialfall, dass ausschließlich ganzzahlige Schlüssel sortiert werden sollen, haben wir das algorithmische Konzept von IPS⁴o wiederverwendet, um In-place Parallel Super Scalar Radix Sort (IPS²Ra) zu implementieren. Wir bestätigen die Performance unserer Algorithmen in einer umfangreichen experimentellen Studie mit 21 State-of-the-Art-Sortieralgorithmen, sechs Datentypen, zehn Eingabeverteilungen, vier Maschinen, vier Speicherzuordnungsstrategien und Eingabegrößen, die über sieben Größenordnungen variieren. Einerseits zeigt die Studie die robuste Leistungsfähigkeit unserer Algorithmen. Andererseits deckt sie auf, dass viele konkurrierende Algorithmen Performance-Probleme haben: Mit IPS⁴o erhalten wir einen robusten vergleichsbasierten Sortieralgorithmus, der andere parallele in-place vergleichsbasierte Sortieralgorithmen fast um den Faktor drei übertrifft. In der überwiegenden Mehrheit der Fälle ist IPS⁴o der schnellste vergleichsbasierte Algorithmus. Dabei ist es nicht von Bedeutung, ob wir IPS⁴o mit Algorithmen vergleichen, die mit beschränkt viel Zusatzspeicher auskommen, Zusatzspeicher in der Größenordnung der Eingabe benötigen, und parallel oder sequentiell ausgeführt werden. IPS⁴o übertrifft in vielen Fällen sogar konkurrierende Implementierungen von Integer-Sortieralgorithmen. Die verbleibenden Fälle umfassen hauptsächlich gleichmäßig verteilte Eingaben und Eingaben mit Schlüsseln, die nur wenige Bits enthalten. Diese Eingaben sind in der Regel „einfach” für Integer-Sortieralgorithmen. Unser Integer-Sorter IPS²Ra übertrifft andere Integer-Sortieralgorithmen für diese Eingaben in der überwiegenden Mehrheit der Fälle. Ausnahmen sind einige sehr kleine Eingaben, für die die meisten Algorithmen sehr ineffizient sind. Allerdings sind Algorithmen, die auf diese Eingabegrößen abzielen, in der Regel für alle anderen Eingaben deutlich langsamer. Im zweiten Teil dieser Arbeit untersuchen wir skalierbare Sortieralgorithmen für verteilte Systeme, welche robust in Hinblick auf die Eingabegröße, häufig vorkommende Sortierschlüssel, die Verteilung der Sortierschlüssel auf die Prozessoren und die Anzahl an Prozessoren sind. Das Resultat unserer Arbeit sind im Wesentlichen vier robuste skalierbare Sortieralgorithmen, mit denen wir den gesamten Bereich an Eingabegrößen abdecken können. Drei dieser vier Algorithmen sind neue, schnelle Algorithmen, welche so implementiert sind, dass sie nur einen geringen Zusatzaufwand benötigen und gleichzeitig unabhängig von „schwierigen” Eingaben robust skalieren. Es handelt sich z.B. um „schwierige” Eingaben, wenn viele gleiche Elemente vorkommen oder die Eingabeelemente in Hinblick auf ihre Sortierschlüssel ungünstig auf die Prozessoren verteilt sind. Bisherige Algorithmen für mittlere und größere Eingabegrößen weisen ein unzumutbar großes Kommunikationsvolumen auf oder tauschen unverhältnismäßig oft Nachrichten aus. Für diese Eingabegrößen beschreiben wir eine robuste, mehrstufige Verallgemeinerung von Samplesort, die einen brauchbaren Kompromiss zwischen dem Kommunikationsvolumen und der Anzahl ausgetauschter Nachrichten darstellt. Wir überwinden diese bisher unvereinbaren Ziele mittels einer skalierbaren approximativen Splitterauswahl sowie eines neuen Datenumverteilungsalgorithmus. Als eine Alternative stellen wir eine Verallgemeinerung von Mergesort vor, welche den Vorteil von perfekt ausbalancierter Ausgabe hat. Für kleine Eingaben entwerfen wir eine Variante von Quicksort. Mit wenig Zusatzaufwand vermeidet sie das Problem ungünstiger Elementverteilungen und häufig vorkommender Sortierschlüssel, indem sie schnell qualitativ hochwertige Splitter auswählt, die Elemente zufällig den Prozessoren zuweist und einer Duplikat-Behandlung unterzieht. Bisherige praktische Ansätze mit polylogarithmischer Latenz haben entweder einen logarithmischen Faktor mehr Kommunikationsvolumen oder berücksichtigen nur gleichverteilte Eingaben ohne mehrfach vorkommende Sortierschlüssel. Für sehr kleine Eingaben schlagen wir einen einfachen sowie schnellen, jedoch arbeitsineffizienten Algorithmus mit logarithmischer Latenzzeit vor. Für diese Eingaben sind bisherige effiziente Ansätze nur theoretische Algorithmen, die meist unverhältnismäßig große konstante Faktoren haben. Für die kleinsten Eingaben empfehlen wir die Daten zu sortieren, während sie an einen einzelnen Prozessor geschickt werden. Ein wichtiger Beitrag dieser Arbeit zu der praktischen Seite von Algorithm Engineering ist die Kommunikationsbibliothek RangeBasedComm (RBC). Mit RBC ermöglichen wir eine effiziente Umsetzung von rekursiven Algorithmen mit sublinearer Laufzeit, indem sie skalierbare und effiziente Kommunikationsfunktionen für Teilmengen von Prozessoren bereitstellt. Zuletzt präsentieren wir eine umfangreiche experimentelle Studie auf zwei Supercomputern mit bis zu 262144 Prozessorkernen, elf Algorithmen, zehn Eingabeverteilungen und Eingabegrößen variierend über neun Größenordnungen. Mit Ausnahme von den größten Eingabegrößen ist diese Arbeit die einzige, die überhaupt Sortierexperimente auf Maschinen dieser Größe durchführt. Die RBC-Bibliothek beschleunigt die Algorithmen teilweise drastisch – einen konkurrierenden Algorithmus sogar um mehr als zwei Größenordnungen. Die Studie legt dar, dass unsere Algorithmen robust sind und gleichzeitig konkurrierende Implementierungen leistungsmäßig deutlich übertreffen. Die Konkurrenten, die man normalerweise betrachtet hätte, stürzen bei „schwierigen” Eingaben sogar ab

Matrix-free finite-element computations at extreme scale and for challenging applications

For numerical computations based on finite element methods (FEM), it is common practice to assemble the system matrix related to the discretized system and to pass this matrix to an iterative solver. However, the assembly step can be costly and the matrix might become locally dense, e.g., in the context of high-order, high-dimensional, or strongly coupled multicomponent FEM, leading to high costs when applying the matrix due to limited bandwidth on modern CPU- and GPU-based hardware. Matrix-free algorithms are a means of accelerating FEM computations on HPC systems, by applying the effect of the system matrix without assembling it. Despite convincing arguments for matrix-free computations as a means of improving performance, their usage still tends to be an exception at the time of writing of this thesis, not least because they have not yet proven their applicability in all areas of computational science, e.g., solid mechanics. In this thesis, we further develop a state-of-the-art matrix-free framework for high-order FEM computations with focus on the preconditioning and adopt it in novel application fields. In the context of high-order FEM, we develop means of improving cache efficiency by interleaving cell loops with vector updates, which we use to increase the throughput of preconditioned conjugate gradient methods and of block smoothers based on additive Schwarz methods; we also propose an algorithm for the fast application of hanging-node constraints in 3D for up to 137 refinement configurations. We develop efficient geometric and polynomial multigrid solvers with optimized transfer operators, whose performance is experimentally investigated in detail in the context of locally refined meshes, indicating the superiority of global-coarsening algorithms. We apply the developed solvers in the context of novel stage-parallel implicit Runge–Kutta methods and demonstrate the benefit of stage–parallel solvers in decreasing the time to solution at the scaling limit. Novel challenging application fields of matrix-free computations include high-dimensional computational plasma physics, solid-state-sintering simulations with a high and dynamically changing number of strongly coupled components, and coupled multiphysics problems with evaluation and integration at arbitrary points. In the context of these fields, we detail computational challenges, propose modified versions of the standard matrix-free algorithms for high-performance computing, and discuss preconditioning-related topics. The efficiency of the derived algorithms on the node level and at extreme scales is demonstrated experimentally on SuperMUC-NG, one of Germany’s leading supercomputers, with up to 150k processes and by solving systems of up to 5 × 1012 unknowns. Such problem sizes would not be conceivable for equivalent matrix-based algorithms. The major achievements of this thesis allow to run larger simulations faster and more efficiently, enabling progress and new possibilities for a range of application fields in computational science

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

XcalableMP PGAS Programming Language

XcalableMP is a directive-based parallel programming language based on Fortran and C, supporting a Partitioned Global Address Space (PGAS) model for distributed memory parallel systems. This open access book presents XcalableMP language from its programming model and basic concept to the experience and performance of applications described in XcalableMP.　 XcalableMP was taken as a parallel programming language project in the FLAGSHIP 2020 project, which was to develop the Japanese flagship supercomputer, Fugaku, for improving the productivity of parallel programing. XcalableMP is now available on Fugaku and its performance is enhanced by the Fugaku interconnect, Tofu-D. The global-view programming model of XcalableMP, inherited from High-Performance Fortran (HPF), provides an easy and useful solution to parallelize data-parallel programs with directives for distributed global array and work distribution and shadow communication. The local-view programming adopts coarray notation from Coarray Fortran (CAF) to describe explicit communication in a PGAS model. The language specification was designed and proposed by the XcalableMP Specification Working Group organized in the PC Consortium, Japan. The Omni XcalableMP compiler is a production-level reference implementation of XcalableMP compiler for C and Fortran 2008, developed by RIKEN CCS and the University of Tsukuba. The performance of the XcalableMP program was used in the Fugaku as well as the K computer. A performance study showed that XcalableMP enables a scalable performance comparable to the message passing interface (MPI) version with a clean and easy-to-understand programming style requiring little effort

XXV Congreso Argentino de Ciencias de la Computación - CACIC 2019: libro de actas

Trabajos presentados en el XXV Congreso Argentino de Ciencias de la Computación (CACIC), celebrado en la ciudad de Río Cuarto los días 14 al 18 de octubre de 2019 organizado por la Red de Universidades con Carreras en Informática (RedUNCI) y Facultad de Ciencias Exactas, Físico-Químicas y Naturales - Universidad Nacional de Río CuartoRed de Universidades con Carreras en Informátic

XXV Congreso Argentino de Ciencias de la Computación - CACIC 2019: libro de actas

Trabajos presentados en el XXV Congreso Argentino de Ciencias de la Computación (CACIC), celebrado en la ciudad de Río Cuarto los días 14 al 18 de octubre de 2019 organizado por la Red de Universidades con Carreras en Informática (RedUNCI) y Facultad de Ciencias Exactas, Físico-Químicas y Naturales - Universidad Nacional de Río CuartoRed de Universidades con Carreras en Informátic