Efficient processor management strategies for multicomputer systems

Multicomputers are cost-effective alternatives to the conventional supercomputers. Contemporary processor management schemes tend to underutilize the processors and leave many of the processors in the system idle while jobs are waiting for execution;Instead of designing faster processors or interconnection networks, a substantial performance improvement can be obtained by implementing better processor management strategies. This dissertation studies the performance issues related to the processor management schemes and proposes several ways to enhance the multicomputer systems by means of processor management. The proposed schemes incorporate the concepts of size-reduction, non-contiguous allocation, as well as job migration. Job scheduling using a bypass-queue is also studied. All the proposed schemes are proven effective in improving the system performance via extensive simulations. Each proposed scheme has different implementation cost and constraints. In order to take advantage of these schemes, judicious selection of system parameters is important and is discussed

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

Parallel solution of power system linear equations

At the heart of many power system computations lies the solution of a large sparse set of linear equations. These equations arise from the modelling of the network and are the cause of a computational bottleneck in power system analysis applications. Efficient sequential techniques have been developed to solve these equations but the solution is still too slow for applications such as real-time dynamic simulation and on-line security analysis. Parallel computing techniques have been explored in the attempt to find faster solutions but the methods developed to date have not efficiently exploited the full power of parallel processing. This thesis considers the solution of the linear network equations encountered in power system computations. Based on the insight provided by the elimination tree, it is proposed that a novel matrix structure is adopted to allow the exploitation of parallelism which exists within the cutset of a typical parallel solution. Using this matrix structure it is possible to reduce the size of the sequential part of the problem and to increase the speed and efficiency of typical LU-based parallel solution. A method for transforming the admittance matrix into the required form is presented along with network partitioning and load balancing techniques. Sequential solution techniques are considered and existing parallel methods are surveyed to determine their strengths and weaknesses. Combining the benefits of existing solutions with the new matrix structure allows an improved LU-based parallel solution to be derived. A simulation of the improved LU solution is used to show the improvements in performance over a standard LU-based solution that result from the adoption of the new techniques. The results of a multiprocessor implementation of the method are presented and the new method is shown to have a better performance than existing methods for distributed memory multiprocessors

Dynamic Scheduling, Allocation, and Compaction Scheme for Real-Time Tasks on FPGAs

Run-time reconfiguration (RTR) is a method of computing on reconfigurable logic, typically FPGAs, changing hardware configurations from phase to phase of a computation at run-time. Recent research has expanded from a focus on a single application at a time to encompass a view of the reconfigurable logic as a resource shared among multiple applications or users. In real-time system design, task deadlines play an important role. Real-time multi-tasking systems not only need to support sharing of the resources in space, but also need to guarantee execution of the tasks. At the operating system level, sharing logic gates, wires, and I/O pins among multiple tasks needs to be managed. From the high level standpoint, access to the resources needs to be scheduled according to task deadlines. This thesis describes a task allocator for scheduling, placing, and compacting tasks on a shared FPGA under real-time constraints. Our consideration of task deadlines is novel in the setting of handling multiple simultaneous tasks in RTR. Software simulations have been conducted to evaluate the performance of the proposed scheme. The results indicate significant improvement by decreasing the number of tasks rejected

Anonymous, authentic, and accountable resource management based on the E-cash paradigm

The prevalence of digital information management in an open network has driven the need to maintain balance between anonymity, authenticity and accountability (AAA). Anonymity allows a principal to hide its identity from strangers before trust relationship is established. Authenticity ensures the correct identity is engaged in the transaction even though it is hidden. Accountability uncovers the hidden identity when misbehavior of the principal is detected. The objective of this research is to develop an AAA management framework for secure resource allocations. Most existing resource management schemes are designed to manage one or two of the AAA attributes. How to provide high strength protection to all attributes is an extremely challenging undertaking. Our study shows that the electronic cash (E-cash) paradigm provides some important knowledge bases for this purpose. Based on Chaum-Pederson’s general transferable E-cash model, we propose a timed-zero-knowledge proof (TZKP) protocol, which greatly reduces storage spaces and communication overheads for resource transfers, without compromising anonymity and accountability. Based on Eng-Okamoto’s general divisible E-cash model, we propose a hypercube-based divisibility framework, which provides a sophisticated and flexible way to partition a chunk of resources, with different trade-offs in anonymity protection and computational costs, when it is integrated with different sub-cube allocation schemes. Based on the E-cash based resource management framework, we propose a privacy preserving service oriented architecture (SOA), which allows the service providers and consumers to exchange services without leaking their sensitive data. Simulation results show that the secure resource management framework is highly practical for missioncritical applications in large scale distributed information systems

Technology 2000, volume 1

The purpose of the conference was to increase awareness of existing NASA developed technologies that are available for immediate use in the development of new products and processes, and to lay the groundwork for the effective utilization of emerging technologies. There were sessions on the following: Computer technology and software engineering; Human factors engineering and life sciences; Information and data management; Material sciences; Manufacturing and fabrication technology; Power, energy, and control systems; Robotics; Sensors and measurement technology; Artificial intelligence; Environmental technology; Optics and communications; and Superconductivity

Applied Metaheuristic Computing

For decades, Applied Metaheuristic Computing (AMC) has been a prevailing optimization technique for tackling perplexing engineering and business problems, such as scheduling, routing, ordering, bin packing, assignment, facility layout planning, among others. This is partly because the classic exact methods are constrained with prior assumptions, and partly due to the heuristics being problem-dependent and lacking generalization. AMC, on the contrary, guides the course of low-level heuristics to search beyond the local optimality, which impairs the capability of traditional computation methods. This topic series has collected quality papers proposing cutting-edge methodology and innovative applications which drive the advances of AMC