Teadusarvutuse algoritmide taandamine hajusarvutuse raamistikele

Teadusarvutuses kasutatakse arvuteid ja algoritme selleks, et lahendada probleeme erinevates reaalteadustes nagu geneetika, bioloogia ja keemia. Tihti on eesmärgiks selliste loodusnähtuste modelleerimine ja simuleerimine, mida päris keskkonnas oleks väga raske uurida. Näiteks on võimalik luua päikesetormi või meteoriiditabamuse mudel ning arvutisimulatsioonide abil hinnata katastroofi mõju keskkonnale. Mida keerulisemad ja täpsemad on sellised simulatsioonid, seda rohkem arvutusvõimsust on vaja. Tihti kasutatakse selleks suurt hulka arvuteid, mis kõik samaaegselt töötavad ühe probleemi kallal. Selliseid arvutusi nimetatakse paralleel- või hajusarvutusteks. Hajusarvutuse programmide loomine on aga keeruline ning nõuab palju rohkem aega ja ressursse, kuna vaja on sünkroniseerida erinevates arvutites samaaegselt tehtavat tööd. On loodud mitmeid tarkvararaamistikke, mis lihtsustavad seda tööd automatiseerides osa hajusprogrammeerimisest. Selle teadustöö eesmärk oli uurida selliste hajusarvutusraamistike sobivust keerulisemate teadusarvutuse algoritmide jaoks. Tulemused näitasid, et olemasolevad raamistikud on üksteisest väga erinevad ning neist ükski ei ole sobiv kõigi erinevat tüüpi algoritmide jaoks. Mõni raamistik on sobiv ainult lihtsamate algoritmide jaoks; mõni ei sobi olukorras, kus andmed ei mahu arvutite mällu. Algoritmi jaoks kõige sobivama hajusarvutisraamistiku valimine võib olla väga keeruline ülesanne, kuna see nõuab olemasolevate raamistike uurimist ja rakendamist. Sellele probleemile lahendust otsides otsustati luua dünaamiline algoritmide modelleerimise rakendus (DAMR), mis oskab simuleerida algoritmi implementatsioone erinevates hajusarvutusraamistikes. DAMR aitab hinnata milline hajusraamistik on kõige sobivam ette antud algoritmi jaoks, ilma algoritmi reaalselt ühegi hajusraamistiku peale implementeerimata. Selle uurimustöö peamine panus on hajusarvutusraamistike kasutuselevõtu lihtsamaks tegemine teadlastele, kes ei ole varem nende kasutamisega kokku puutunud. See peaks märkimisväärselt aega ja ressursse kokku hoidma, kuna ei pea ükshaaval kõiki olemasolevaid hajusraamistikke tundma õppima ja rakendama.Scientific computing uses computers and algorithms to solve problems in various sciences such as genetics, biology and chemistry. Often the goal is to model and simulate different natural phenomena which would otherwise be very difficult to study in real environments. For example, it is possible to create a model of a solar storm or a meteor hit and run computer simulations to assess the impact of the disaster on the environment. The more sophisticated and accurate the simulations are the more computing power is required. It is often necessary to use a large number of computers, all working simultaneously on a single problem. These kind of computations are called parallel or distributed computing. However, creating distributed computing programs is complicated and requires a lot more time and resources, because it is necessary to synchronize different computers working at the same time. A number of software frameworks have been created to simplify this process by automating part of a distributed programming. The goal of this research was to assess the suitability of such distributed computing frameworks for complex scientific computing algorithms. The results showed that existing frameworks are very different from each other and none of them are suitable for all different types of algorithms. Some frameworks are only suitable for simple algorithms; others are not suitable when data does not fit into the computer memory. Choosing the most appropriate distributed computing framework for an algorithm can be a very complex task, because it requires studying and applying the existing frameworks. While searching for a solution to this problem, it was decided to create a Dynamic Algorithms Modelling Application (DAMA), which is able to simulate the implementation of the algorithm in different distributed computing frameworks. DAMA helps to estimate which distributed framework is the most appropriate for a given algorithm, without actually implementing it in any of the available frameworks. This main contribution of this study is simplifying the adoption of distributed computing frameworks for researchers who are not yet familiar with using them. It should save significant time and resources as it is not necessary to study each of the available distributed computing frameworks in detail

Design and Evaluation of Low-Latency Communication Middleware on High Performance Computing Systems

[Resumen]El interés en Java para computación paralela está motivado por sus interesantes características, tales como su soporte multithread, portabilidad, facilidad de aprendizaje,alta productividad y el aumento significativo en su rendimiento omputacional. No obstante, las aplicaciones paralelas en Java carecen generalmente de mecanismos de comunicación eficientes, los cuales utilizan a menudo protocolos basados en sockets incapaces de obtener el máximo provecho de las redes de baja latencia, obstaculizando la adopción de Java en computación de altas prestaciones (High Per- formance Computing, HPC). Esta Tesis Doctoral presenta el diseño, implementación y evaluación de soluciones de comunicación en Java que superan esta limitación. En consecuencia, se desarrollaron múltiples dispositivos de comunicación a bajo nivel para paso de mensajes en Java (Message-Passing in Java, MPJ) que aprovechan al máximo el hardware de red subyacente mediante operaciones de acceso directo a memoria remota que proporcionan comunicaciones de baja latencia. También se incluye una biblioteca de paso de mensajes en Java totalmente funcional, FastMPJ, en la cual se integraron los dispositivos de comunicación. La evaluación experimental ha mostrado que las primitivas de comunicación de FastMPJ son competitivas en comparación con bibliotecas nativas, aumentando significativamente la escalabilidad de aplicaciones MPJ. Por otro lado, esta Tesis analiza el potencial de la computación en la nube (cloud computing) para HPC, donde el modelo de distribución de infraestructura como servicio (Infrastructure as a Service, IaaS) emerge como una alternativa viable a los sistemas HPC tradicionales. La evaluación del rendimiento de recursos cloud específicos para HPC del proveedor líder, Amazon EC2, ha puesto de manifiesto el impacto significativo que la virtualización impone en la red, impidiendo mover las aplicaciones intensivas en comunicaciones a la nube. La clave reside en un soporte de virtualización apropiado, como el acceso directo al hardware de red, junto con las directrices para la optimización del rendimiento sugeridas en esta Tesis.[Resumo]O interese en Java para computación paralela está motivado polas súas interesantes características, tales como o seu apoio multithread, portabilidade, facilidade de aprendizaxe, alta produtividade e o aumento signi cativo no seu rendemento computacional. No entanto, as aplicacións paralelas en Java carecen xeralmente de mecanismos de comunicación e cientes, os cales adoitan usar protocolos baseados en sockets que son incapaces de obter o máximo proveito das redes de baixa latencia, obstaculizando a adopción de Java na computación de altas prestacións (High Performance Computing, HPC). Esta Tese de Doutoramento presenta o deseño, implementaci ón e avaliación de solucións de comunicación en Java que superan esta limitación. En consecuencia, desenvolvéronse múltiples dispositivos de comunicación a baixo nivel para paso de mensaxes en Java (Message-Passing in Java, MPJ) que aproveitan ao máaximo o hardware de rede subxacente mediante operacións de acceso directo a memoria remota que proporcionan comunicacións de baixa latencia. Tamén se inclúe unha biblioteca de paso de mensaxes en Java totalmente funcional, FastMPJ, na cal foron integrados os dispositivos de comunicación. A avaliación experimental amosou que as primitivas de comunicación de FastMPJ son competitivas en comparación con bibliotecas nativas, aumentando signi cativamente a escalabilidade de aplicacións MPJ. Por outra banda, esta Tese analiza o potencial da computación na nube (cloud computing) para HPC, onde o modelo de distribución de infraestrutura como servizo (Infrastructure as a Service, IaaS) xorde como unha alternativa viable aos sistemas HPC tradicionais. A ampla avaliación do rendemento de recursos cloud específi cos para HPC do proveedor líder, Amazon EC2, puxo de manifesto o impacto signi ficativo que a virtualización impón na rede, impedindo mover as aplicacións intensivas en comunicacións á nube. A clave atópase no soporte de virtualización apropiado, como o acceso directo ao hardware de rede, xunto coas directrices para a optimización do rendemento suxeridas nesta Tese.[Abstract]The use of Java for parallel computing is becoming more promising owing to its appealing features, particularly its multithreading support, portability, easy-tolearn properties, high programming productivity and the noticeable improvement in its computational performance. However, parallel Java applications generally su er from inefficient communication middleware, most of which use socket-based protocols that are unable to take full advantage of high-speed networks, hindering the adoption of Java in the High Performance Computing (HPC) area. This PhD Thesis presents the design, development and evaluation of scalable Java communication solutions that overcome these constraints. Hence, we have implemented several lowlevel message-passing devices that fully exploit the underlying network hardware while taking advantage of Remote Direct Memory Access (RDMA) operations to provide low-latency communications. Moreover, we have developed a productionquality Java message-passing middleware, FastMPJ, in which the devices have been integrated seamlessly, thus allowing the productive development of Message-Passing in Java (MPJ) applications. The performance evaluation has shown that FastMPJ communication primitives are competitive with native message-passing libraries, improving signi cantly the scalability of MPJ applications. Furthermore, this Thesis has analyzed the potential of cloud computing towards spreading the outreach of HPC, where Infrastructure as a Service (IaaS) o erings have emerged as a feasible alternative to traditional HPC systems. Several cloud resources from the leading IaaS provider, Amazon EC2, which speci cally target HPC workloads, have been thoroughly assessed. The experimental results have shown the signi cant impact that virtualized environments still have on network performance, which hampers porting communication-intensive codes to the cloud. The key is the availability of the proper virtualization support, such as the direct access to the network hardware, along with the guidelines for performance optimization suggested in this Thesis

Extended mpiJava for distributed checkpointing and recovery

Abstract. In this paper we describe an mpiJava extension that implements a parallel checkpointing/recovery service. This checkpointing/recovery facility is transparent to applications, i.e. no instrumentation is needed. We use a distributed approach for taking the checkpoints, which means that the processes take their local checkpoints independently. This approach reduces communication between processes and there is not need for a central server for checkpoint storage. We present some experiments which suggest that the benefits of this extended MPI functionality do not have a significant performance penalty as a side effect, apart from the well-known penalties related to the local checkpoint generation.