Exploiting a Parametrized Task Graph model for the parallelization of a sparse direct multifrontal solver

International audienceThe advent of multicore processors requires to reconsider the design of high performance computing libraries to embrace portable and effective techniques of parallel software engineering. One of the most promising approaches consists in abstracting an application as a directed acyclic graph (DAG) of tasks. While this approach has been popularized for shared memory environments by the OpenMP 4.0 standard where dependencies between tasks are automatically inferred, we investigate an alternative approach, capable of describing the DAG of task in a distributed setting, where task dependencies are explicitly encoded. So far this approach has been mostly used in the case of algorithms with a regular data access pattern and we show in this study that it can be efficiently applied to a higly irregular numerical algorithm such as a sparse multifrontal QR method. We present the resulting implementation and discuss the potential and limits of this approach in terms of productivity and effectiveness in comparison with more common parallelization techniques. Although at an early stage of development, preliminary results show the potential of the parallel programming model that we investigate in this work

Introduction of shared-memory parallelism in a distributed-memory multifrontal solver

We study the adaptation of a parallel distributed-memory solver towards a shared-memory code, targeting multi-core architectures. The advantage of adapting the code over a new design is to fully benefit from its numerical kernels, range of functionalities and internal features. Although the studied code is a direct solver for sparse systems of linear equations, the approaches described in this paper are general and could be useful to a wide range of applications. We show how existing parallel algorithms can be adapted to an OpenMP environment while, at the same time, also relying on third-party optimized multithreaded libraries. We propose simple approaches to take advantage of NUMA architectures, and original optimizations to limit thread synchronization costs. For each point, the performance gains are analyzed in detail on test problems from various application areas.Dans cet article, nous étudions l'adaptation d'un code parallèle à mémoire distribuée en un code visant les architectures à mémoire partagée de type multi-coeurs. L'intérêt d'adapter un code existant plutôt que d'en concevoir un nouveau est de pouvoir bénéficier directement de toute la richesse de ses fonctionnalités numériques ainsi que de ses caractéristiques internes. Même si le code sur lequel porte l'étude est un solveur direct multifrontale pour systèmes linéaires creux, les algorithmes et techniques discutés sont générales et peuvent s'appliquer à des domaines d'application plus généraux. Nous montrons comment des algorithmes parallèles existant peuvent être adaptés à un environnement OpenMP tout en exploitant au mieux des librairies existantes optimisées. Nous présentons des approches simples pour tirer parti des spécificités des architectures NUMA, ainsi que des optimisations originales permettant de limiter les coûts de synchronisation dans le modèle fork-join que l'on utilise. Pour chacun de ces points, les gains en performance sont analysés sur des cas tests provenant de domaines d'applications variés

Implementing multifrontal sparse solvers for multicore architectures with Sequential Task Flow runtime systems

International audienceTo face the advent of multicore processors and the ever increasing complexity of hardware architectures, programming models based on DAG parallelism regained popularity in the high performance, scientific computing community. Modern runtime systems offer a programming interface that complies with this paradigm and powerful engines for scheduling the tasks into which the application is decomposed. These tools have already proved their effectiveness on a number of dense linear algebra applications. This paper evaluates the usability and effectiveness of runtime systems based on the Sequential Task Flow model for complex applications , namely, sparse matrix multifrontal factorizations which feature extremely irregular workloads, with tasks of different granularities and characteristics and with a variable memory consumption. Most importantly, it shows how this parallel programming model eases the development of complex features that benefit the performance of sparse, direct solvers as well as their memory consumption. We illustrate our discussion with the multifrontal QR factorization running on top of the StarPU runtime system. ACM Reference Format: Emmanuel Agullo, Alfredo Buttari, Abdou Guermouche and Florent Lopez, 2014. Implementing multifrontal sparse solvers for multicore architectures with Sequential Task Flow runtime system

Task-based multifrontal QR solver for heterogeneous architectures

Afin de s'adapter aux architectures multicoeurs et aux machines de plus en plus complexes, les modèles de programmations basés sur un parallélisme de tâche ont gagné en popularité dans la communauté du calcul scientifique haute performance. Les moteurs d'exécution fournissent une interface de programmation qui correspond à ce paradigme ainsi que des outils pour l'ordonnancement des tâches qui définissent l'application. Dans cette étude, nous explorons la conception de solveurs directes creux à base de tâches, qui représentent une charge de travail extrêmement irrégulière, avec des tâches de granularités et de caractéristiques différentes ainsi qu'une consommation mémoire variable, au-dessus d'un moteur d'exécution. Dans le cadre du solveur qr mumps, nous montrons dans un premier temps la viabilité et l'efficacité de notre approche avec l'implémentation d'une méthode multifrontale pour la factorisation de matrices creuses, en se basant sur le modèle de programmation parallèle appelé "flux de tâches séquentielles" (Sequential Task Flow). Cette approche, nous a ensuite permis de développer des fonctionnalités telles que l'intégration de noyaux dense de factorisation de type "minimisation de cAfin de s'adapter aux architectures multicoeurs et aux machines de plus en plus complexes, les modèles de programmations basés sur un parallélisme de tâche ont gagné en popularité dans la communauté du calcul scientifique haute performance. Les moteurs d'exécution fournissent une interface de programmation qui correspond à ce paradigme ainsi que des outils pour l'ordonnancement des tâches qui définissent l'application. Dans cette étude, nous explorons la conception de solveurs directes creux à base de tâches, qui représentent une charge de travail extrêmement irrégulière, avec des tâches de granularités et de caractéristiques différentes ainsi qu'une consommation mémoire variable, au-dessus d'un moteur d'exécution. Dans le cadre du solveur qr mumps, nous montrons dans un premier temps la viabilité et l'efficacité de notre approche avec l'implémentation d'une méthode multifrontale pour la factorisation de matrices creuses, en se basant sur le modèle de programmation parallèle appelé "flux de tâches séquentielles" (Sequential Task Flow). Cette approche, nous a ensuite permis de développer des fonctionnalités telles que l'intégration de noyaux dense de factorisation de type "minimisation de cAfin de s'adapter aux architectures multicoeurs et aux machines de plus en plus complexes, les modèles de programmations basés sur un parallélisme de tâche ont gagné en popularité dans la communauté du calcul scientifique haute performance. Les moteurs d'exécution fournissent une interface de programmation qui correspond à ce paradigme ainsi que des outils pour l'ordonnancement des tâches qui définissent l'application. !!br0ken!!ommunications" (Communication Avoiding) dans la méthode multifrontale, permettant d'améliorer considérablement la scalabilité du solveur par rapport a l'approche original utilisée dans qr mumps. Nous introduisons également un algorithme d'ordonnancement sous contraintes mémoire au sein de notre solveur, exploitable dans le cas des architectures multicoeur, réduisant largement la consommation mémoire de la méthode multifrontale QR avec un impacte négligeable sur les performances. En utilisant le modèle présenté ci-dessus, nous visons ensuite l'exploitation des architectures hétérogènes pour lesquelles la granularité des tâches ainsi les stratégies l'ordonnancement sont cruciales pour profiter de la puissance de ces architectures. Nous proposons, dans le cadre de la méthode multifrontale, un partitionnement hiérarchique des données ainsi qu'un algorithme d'ordonnancement capable d'exploiter l'hétérogénéité des ressources. Enfin, nous présentons une étude sur la reproductibilité de l'exécution parallèle de notre problème et nous montrons également l'utilisation d'un modèle de programmation alternatif pour l'implémentation de la méthode multifrontale. L'ensemble des résultats expérimentaux présentés dans cette étude sont évalués avec une analyse détaillée des performance que nous proposons au début de cette étude. Cette analyse de performance permet de mesurer l'impacte de plusieurs effets identifiés sur la scalabilité et la performance de nos algorithmes et nous aide ainsi à comprendre pleinement les résultats obtenu lors des tests effectués avec notre solveur.To face the advent of multicore processors and the ever increasing complexity of hardware architectures, programming models based on DAG parallelism regained popularity in the high performance, scientific computing community. Modern runtime systems offer a programming interface that complies with this paradigm and powerful engines for scheduling the tasks into which the application is decomposed. These tools have already proved their effectiveness on a number of dense linear algebra applications. In this study we investigate the design of task-based sparse direct solvers which constitute extremely irregular workloads, with tasks of different granularities and characteristics with variable memory consumption on top of runtime systems. In the context of the qr mumps solver, we prove the usability and effectiveness of our approach with the implementation of a sparse matrix multifrontal factorization based on a Sequential Task Flow parallel programming model. Using this programming model, we developed features such as the integration of dense 2D Communication Avoiding algorithms in the multifrontal method allowing for better scalability compared to the original approach used in qr mumps. In addition we introduced a memory-aware algorithm to control the memory behaviour of our solver and show, in the context of multicore architectures, an important reduction of the memory footprint for the multifrontal QR factorization with a small impact on performance. Following this approach, we move to heterogeneous architectures where task granularity and scheduling strategies are critical to achieve performance. We present, for the multifrontal method, a hierarchical strategy for data partitioning and a scheduling algorithm capable of handling the heterogeneity of resources. Finally we present a study on the reproducibility of executions and the use of alternative programming models for the implementation of the multifrontal method. All the experimental results presented in this study are evaluated with a detailed performance analysis measuring the impact of several identified effects on the performance and scalability. Thanks to this original analysis, presented in the first part of this study, we are capable of fully understanding the results obtained with our solver

A distributed-memory package for dense Hierarchically Semi-Separable matrix computations using randomization

We present a distributed-memory library for computations with dense structured matrices. A matrix is considered structured if its off-diagonal blocks can be approximated by a rank-deficient matrix with low numerical rank. Here, we use Hierarchically Semi-Separable representations (HSS). Such matrices appear in many applications, e.g., finite element methods, boundary element methods, etc. Exploiting this structure allows for fast solution of linear systems and/or fast computation of matrix-vector products, which are the two main building blocks of matrix computations. The compression algorithm that we use, that computes the HSS form of an input dense matrix, relies on randomized sampling with a novel adaptive sampling mechanism. We discuss the parallelization of this algorithm and also present the parallelization of structured matrix-vector product, structured factorization and solution routines. The efficiency of the approach is demonstrated on large problems from different academic and industrial applications, on up to 8,000 cores. This work is part of a more global effort, the STRUMPACK (STRUctured Matrices PACKage) software package for computations with sparse and dense structured matrices. Hence, although useful on their own right, the routines also represent a step in the direction of a distributed-memory sparse solver

Solveur multifrontal QR à base de tâches pour architectures hétérogènes

To face the advent of multicore processors and the ever increasing complexity of hardware architectures, programming models based on DAG parallelism regained popularity in the high performance, scientific computing community. Modern runtime systems offer a programming interface that complies with this paradigm and powerful engines for scheduling the tasks into which the application is decomposed. These tools have already proved their effectiveness on a number of dense linear algebra applications. In this study we investigate the design of task-based sparse direct solvers which constitute extremely irregular workloads, with tasks of different granularities and characteristics with variable memory consumption on top of runtime systems. In the context of the qr mumps solver, we prove the usability and effectiveness of our approach with the implementation of a sparse matrix multifrontal factorization based on a Sequential Task Flow parallel programming model. Using this programming model, we developed features such as the integration of dense 2D Communication Avoiding algorithms in the multifrontal method allowing for better scalability compared to the original approach used in qr mumps. In addition we introduced a memory-aware algorithm to control the memory behaviour of our solver and show, in the context of multicore architectures, an important reduction of the memory footprint for the multifrontal QR factorization with a small impact on performance. Following this approach, we move to heterogeneous architectures where task granularity and scheduling strategies are critical to achieve performance. We present, for the multifrontal method, a hierarchical strategy for data partitioning and a scheduling algorithm capable of handling the heterogeneity of resources. Finally we present a study on the reproducibility of executions and the use of alternative programming models for the implementation of the multifrontal method. All the experimental results presented in this study are evaluated with a detailed performance analysis measuring the impact of several identified effects on the performance and scalability. Thanks to this original analysis, presented in the first part of this study, we are capable of fully understanding the results obtained with our solver.Afin de s'adapter aux architectures multicoeurs et aux machines de plus en plus complexes, les modèles de programmations basés sur un parallélisme de tâche ont gagné en popularité dans la communauté du calcul scientifique haute performance. Les moteurs d'exécution fournissent une interface de programmation qui correspond à ce paradigme ainsi que des outils pour l'ordonnancement des tâches qui définissent l'application. Dans cette étude, nous explorons la conception de solveurs directes creux à base de tâches, qui représentent une charge de travail extrêmement irrégulière, avec des tâches de granularités et de caractéristiques différentes ainsi qu'une consommation mémoire variable, au-dessus d'un moteur d'exécution. Dans le cadre du solveur qr mumps, nous montrons dans un premier temps la viabilité et l'efficacité de notre approche avec l'implémentation d'une méthode multifrontale pour la factorisation de matrices creuses, en se basant sur le modèle de programmation parallèle appelé "flux de tâches séquentielles" (Sequential Task Flow). Cette approche, nous a ensuite permis de développer des fonctionnalités telles que l'intégration de noyaux dense de factorisation de type "minimisation de cAfin de s'adapter aux architectures multicoeurs et aux machines de plus en plus complexes, les modèles de programmations basés sur un parallélisme de tâche ont gagné en popularité dans la communauté du calcul scientifique haute performance. Les moteurs d'exécution fournissent une interface de programmation qui correspond à ce paradigme ainsi que des outils pour l'ordonnancement des tâches qui définissent l'application. Dans cette étude, nous explorons la conception de solveurs directes creux à base de tâches, qui représentent une charge de travail extrêmement irrégulière, avec des tâches de granularités et de caractéristiques différentes ainsi qu'une consommation mémoire variable, au-dessus d'un moteur d'exécution. Dans le cadre du solveur qr mumps, nous montrons dans un premier temps la viabilité et l'efficacité de notre approche avec l'implémentation d'une méthode multifrontale pour la factorisation de matrices creuses, en se basant sur le modèle de programmation parallèle appelé "flux de tâches séquentielles" (Sequential Task Flow). Cette approche, nous a ensuite permis de développer des fonctionnalités telles que l'intégration de noyaux dense de factorisation de type "minimisation de cAfin de s'adapter aux architectures multicoeurs et aux machines de plus en plus complexes, les modèles de programmations basés sur un parallélisme de tâche ont gagné en popularité dans la communauté du calcul scientifique haute performance. Les moteurs d'exécution fournissent une interface de programmation qui correspond à ce paradigme ainsi que des outils pour l'ordonnancement des tâches qui définissent l'application

Introduction of shared-memory parallelism in a distributed-memory multifrontal solver

We study the adaptation of a parallel distributed-memory solver towards a shared-memory code, targeting multi-core architectures. The advantage of adapting the code over a new design is to fully benefit from its numerical kernels, range of functionalities and internal features. Although the studied code is a direct solver for sparse systems of linear equations, the approaches described in this paper are general and could be useful to a wide range of applications. We show how existing parallel algorithms can be adapted to an OpenMP environment while, at the same time, also relying on third-party optimized multithreaded libraries. We propose simple approaches to take advantage of NUMA architectures, and original optimizations to limit thread synchronization costs. For each point, the performance gains are analyzed in detail on test problems from various application areas.Dans cet article, nous étudions l'adaptation d'un code parallèle à mémoire distribuée en un code visant les architectures à mémoire partagée de type multi-coeurs. L'intérêt d'adapter un code existant plutôt que d'en concevoir un nouveau est de pouvoir bénéficier directement de toute la richesse de ses fonctionnalités numériques ainsi que de ses caractéristiques internes. Même si le code sur lequel porte l'étude est un solveur direct multifrontale pour systèmes linéaires creux, les algorithmes et techniques discutés sont générales et peuvent s'appliquer à des domaines d'application plus généraux. Nous montrons comment des algorithmes parallèles existant peuvent être adaptés à un environnement OpenMP tout en exploitant au mieux des librairies existantes optimisées. Nous présentons des approches simples pour tirer parti des spécificités des architectures NUMA, ainsi que des optimisations originales permettant de limiter les coûts de synchronisation dans le modèle fork-join que l'on utilise. Pour chacun de ces points, les gains en performance sont analysés sur des cas tests provenant de domaines d'applications variés

Conception et réalisation d'un solveur pour les problèmes de dynamique des fluides pour les architectures many-core

Numerical simulation is nowadays an essential part of engineering analysis, be it to design anew plane, or to detect underground oil reservoirs. Numerical simulations have indeed become an important complement to theoretical and experimental investigation, allowing one to reduce the cost of engineering design processes. In order to achieve a high level of precision, one need to increase the resolution of his computational domain. So to keep getting results in reasonable time, one shall nd a way to speed-up computations. To do this, we use high performance computing, HPC, to exploit the complex architecture of modern supercomputers. Under these two constraints, and some other like the genericity of finite elements, or the mesh dimension, we developed a new platform AeroSol. In this thesis, we present the mathematical background, and the two types of schemes that are implemented in the platform, the continuous finite elements method, and the discontinuous one. Then, we present the design choices made in the platform,then, we study a sub-problem, the assembly operation, which can be found in linear algebra multi-frontal methods.La simulation numérique fait partie intégrante du processus d'analyse. Que l'on veuille concevoir le profil d'un véhicule, ou chercher à prévoir le résultat d'un forage pétrolier, la simulation numérique est devenue un outil complémentaire à la théorie et aux expérimentations. Cet outildoit produire des résultats précis en un minimum de temps. Pour cela, nous avons à disposition des méthodes numériques précises, et des machines de calcul aux performances importantes. Cet outil doit être générique sur les maillages, l'ordre de la solution, les méthodes numériques, et doitmaintenir ses performances sur les machines de calculs modernes avec une hiérarchie complexes d'unité de calculs. Nous présentons dans cette thèse le background mathématiques de deux classes de schémas numériques, les méthodes aux éléments finis continus et discontinus. Puis nous présentons les enjeux de la conception d'une plateforme en prenant en compte l'ensemble de ces contraintes. Ensuite nous nous intéressons au sous-problème de l'assemblage au dessus d'un support d'exécution. L'opération d'assemblage se retrouve en algèbre linéaire dans les méthodes multi-frontales ou dans les applications de simulations assemblant un système linéaire. Puis, nous concluons en dressant un bilan sur la plateforme AeroSol et donnons des pistes d'évolution possibles

Sur la conception de solveurs linéaires hybrides pour les architectures parallèles modernes

In the context of this thesis, our focus is on numerical linear algebra, more precisely on solution of large sparse systems of linear equations. We focus on designing efficient parallel implementations of MaPHyS, an hybrid linear solver based on domain decomposition techniques. First we investigate the MPI+threads approach. In MaPHyS, the first level of parallelism arises from the independent treatment of the various subdomains. The second level is exploited thanks to the use of multi-threaded dense and sparse linear algebra kernels involved at the subdomain level. Such an hybrid implementation of an hybrid linear solver suitably matches the hierarchical structure of modern supercomputers and enables a trade-off between the numerical and parallel performances of the solver. We demonstrate the flexibility of our parallel implementation on a set of test examples. Secondly, we follow a more disruptive approach where the algorithms are described as sets of tasks with data inter-dependencies that leads to a directed acyclic graph (DAG) representation. The tasks are handled by a runtime system. We illustrate how a first task-based parallel implementation can be obtained by composing task-based parallel libraries within MPI processes throught a preliminary prototype implementation of our hybrid solver. We then show how a task-based approach fully abstracting the hardware architecture can successfully exploit a wide range of modern hardware architectures. We implemented a full task-based Conjugate Gradient algorithm and showed that the proposed approach leads to very high performance on multi-GPU, multicore and heterogeneous architectures.Dans le contexte de cette thèse, nous nous focalisons sur des algorithmes pour l’algèbre linéaire numérique, plus précisément sur la résolution de grands systèmes linéaires creux. Nous mettons au point des méthodes de parallélisation pour le solveur linéaire hybride MaPHyS. Premièrement nous considerons l'aproche MPI+threads. Dans MaPHyS, le premier niveau de parallélisme consiste au traitement indépendant des sous-domaines. Le second niveau est exploité grâce à l’utilisation de noyaux multithreadés denses et creux au sein des sous-domaines. Une telle implémentation correspond bien à la structure hiérarchique des supercalculateurs modernes et permet un compromis entre les performances numériques et parallèles du solveur. Nous démontrons la flexibilité de notre implémentation parallèle sur un ensemble de cas tests. Deuxièmement nous considérons un approche plus innovante, où les algorithmes sont décrits comme des ensembles de tâches avec des inter-dépendances, i.e., un graphe de tâches orienté sans cycle (DAG). Nous illustrons d’abord comment une première parallélisation à base de tâches peut être obtenue en composant des librairies à base de tâches au sein des processus MPI illustrer par un prototype d’implémentation préliminaire de notre solveur hybride. Nous montrons ensuite comment une approche à base de tâches abstrayant entièrement le matériel peut exploiter avec succès une large gamme d’architectures matérielles. À cet effet, nous avons implanté une version à base de tâches de l’algorithme du Gradient Conjugué et nous montrons que l’approche proposée permet d’atteindre une très haute performance sur des architectures multi-GPU, multicoeur ainsi qu’hétérogène

Programmation parallèle à base de tâches pour algorithmes passant à l'échelle : application au produit de matrices

Task-based programming models have succeeded in gaining the interest of the high-performance mathematical software community thanks to how they relieve part of the burden of developing and implementing distributed-memory parallel algorithms in an efficient and portable way. In increasingly larger, more heterogeneous clusters of computers, these models appear as a way to maintain and enhance more complex algorithms. However, task-based programming models lack the flexibility and the features that are necessary to express in an elegant and compact way scalable algorithms that rely on advanced communication patterns. We show that the Sequential Task Flow paradigm can be extended to write a compact yet efficient and scalable General Matrix Multiplication. This extension required few modifications to the StarPU runtime system. The final implementation is shown to be competitive up to 32,768 cores with state-of-the-art libraries and may outperform them on some specific problem configurations.Les modèles de programmation à base de tâches ont réussi à susciter l'intérêt de la communauté des logiciels mathématiques de haute performance grâce à la manière dont ils soulagent une partie du fardeau que représentent le développement et la mise en œuvre efficace et portable d'algorithmes parallèles à mémoire distribuée. Dans des grappes d'ordinateurs de plus en plus grandes et hétérogènes, ces modèles apparaissent comme un moyen de développer et maintenir des algorithmes plus complexes. Cependant, les modèles de programmation basés sur les tâches manquent de flexibilité et les caractéristiques nécessaires pour exprimer de manière élégante et compacte des algorithmes passant à l'échelle se basant sur des schémas de communication avancés. Nous montrons que le paradigme de flot de tâches séquentiel (STF) peut être étendu pour écrire une multiplication matricielle passant à l'échelle. Cette extension a nécessité peu de modifications au système d'exécution StarPU. L'implantation finale est compétitive jusqu'à 32 768 cœurs avec les bibliothèques de pointe et peut même les surpasser dans certaines configurations spécifiques