GRID superscalar: a programming model for the Grid

Durant els darrers anys el Grid ha sorgit com una nova plataforma per la computació distribuïda. La tecnologia Gris permet unir diferents recursos de diferents dominis administratius i formar un superordinador virtual amb tots ells. Molts grups de recerca han dedicat els seus esforços a desenvolupar un conjunt de serveis bàsics per oferir un middleware de Grid: una capa que permet l'ús del Grid. De tota manera, utilitzar aquests serveis no és una tasca fácil per molts usuaris finals, cosa que empitjora si l'expertesa d'aquests usuaris no està relacionada amb la informàtica.Això té una influència negativa a l'hora de que la comunitat científica adopti la tecnologia Grid. Es veu com una tecnologia potent però molt difícil de fer servir. Per facilitar l'ús del Grid és necessària una capa extra que amagui la complexitat d'aquest i permeti als usuaris programar o portar les seves aplicacions de manera senzilla.Existeixen moltes propostes d'eines de programació pel Grid. En aquesta tesi fem un resum d'algunes d'elles, i podem veure que existeixen eines conscients i no-conscients del Grid (es programen especificant o no els detalls del Grid, respectivament). A més, molt poques d'aquestes eines poden explotar el paral·lelisme implícit de l'aplicació, i en la majoria d'elles, l'usuari ha de definir aquest paral·lelisme de manera explícita. Una altra característica que considerem important és si es basen en llenguatges de programació molt populars (com C++ o Java), cosa que facilita l'adopció per part dels usuaris finals.En aquesta tesi, el nostre objectiu principal ha estat crear un model de programació pel Grid basat en la programació seqüencial i els llenguatges més coneguts de la programació imperativa, capaç d'explotar el paral·lelisme implícit de les aplicacions i d'accelerar-les fent servir els recursos del Grid de manera concurrent. A més, com el Grid és de naturalesa distribuïda, heterogènia i dinàmica i degut també a que el nombre de recursos que pot formar un Grid pot ser molt gran, la probabilitat de que es produeixi una errada durant l'execució d'una aplicació és elevada. Per tant, un altre dels nostres objectius ha estat tractar qualsevol tipus d'error que pugui sorgir durant l'execució d'una aplicació de manera automàtica (ja siguin errors relacionats amb l'aplicació o amb el Grid). GRID superscalar (GRIDSs), la principal contribució d'aquesta tesi, és un model de programació que assoleix elsobjectius mencionats proporcionant una interfície molt petita i simple i un entorn d'execució que és capaç d'executar en paral·lel el codi proporcionat fent servir el Grid. La nostra interfície de programació permet a un usuari programar una aplicació no-conscient del Grid, amb llenguatges imperatius coneguts i populars (com C/C++, Java, Perl o Shell script) i de manera seqüencial, per tant dóna un pas important per ajudar als usuaris a adoptar la tecnologia Grid.Hem aplicat el nostre coneixement de l'arquitectura de computadors i el disseny de microprocessadors a l'entorn d'execució de GRIDSs. Tal com es fa a un processador superescalar, l'entorn d'execució de GRIDSs és capaç de realitzar un anàlisi de dependències entre les tasques que formen l'aplicació, i d'aplicar tècniques de renombrament per incrementar el seu paral·lelisme. GRIDSs genera automàticament a partir del codi principal de l'usuari un graf que descriu les dependències de dades en l'aplicació. També presentem casos d'ús reals del model de programació en els camps de la química computacional i la bioinformàtica, que demostren que els nostres objectius han estat assolits.Finalment, hem estudiat l'aplicació de diferents tècniques per detectar i tractar fallades: checkpoint, reintent i replicació de tasques. La nostra proposta és proporcionar un entorn capaç de tractar qualsevol tipus d'errors, de manera transparent a l'usuari sempre que sigui possible. El principal avantatge d'implementar aquests mecanismos al nivell del model de programació és que el coneixement a nivell de l'aplicació pot ser explotat per crear dinàmicament una estratègia de tolerància a fallades per cada aplicació, i evitar introduir sobrecàrrega en entorns lliures d'errors.During last years, the Grid has emerged as a new platform for distributed computing. The Grid technology allows joining different resources from different administrative domains and forming a virtual supercomputer with all of them.Many research groups have dedicated their efforts to develop a set of basic services to offer a Grid middleware: a layer that enables the use of the Grid. Anyway, using these services is not an easy task for many end users, even more if their expertise is not related to computer science. This has a negative influence in the adoption of the Grid technology by the scientific community. They see it as a powerful technology but very difficult to exploit. In order to ease the way the Grid must be used, there is a need for an extra layer which hides all the complexity of the Grid, and allows users to program or port their applications in an easy way.There has been many proposals of programming tools for the Grid. In this thesis we give an overview on some of them, and we can see that there exist both Grid-aware and Grid-unaware environments (programmed with or without specifying details of the Grid respectively). Besides, very few existing tools can exploit the implicit parallelism of the application and in the majority of them, the user must define the parallelism explicitly. Another important feature we consider is if they are based in widely used programming languages (as C++ or Java), so the adoption is easier for end users.In this thesis, our main objective has been to create a programming model for the Grid based on sequential programming and well-known imperative programming languages, able to exploit the implicit parallelism of applications and to speed them up by using the Grid resources concurrently. Moreover, because the Grid has a distributed, heterogeneous and dynamic nature and also because the number of resources that form a Grid can be very big, the probability that an error arises during an application's execution is big. Thus, another of our objectives has been to automatically deal with any type of errors which may arise during the execution of the application (application related or Grid related).GRID superscalar (GRIDSs), the main contribution of this thesis, is a programming model that achieves these mentioned objectives by providing a very small and simple interface and a runtime that is able to execute in parallel the code provided using the Grid. Our programming interface allows a user to program a Grid-unaware application with already known and popular imperative languages (such as C/C++, Java, Perl or Shell script) and in a sequential fashion, therefore giving an important step to assist end users in the adoption of the Grid technology.We have applied our knowledge from computer architecture and microprocessor design to the GRIDSs runtime. As it is done in a superscalar processor, the GRIDSs runtime system is able to perform a data dependence analysis between the tasks that form an application, and to apply renaming techniques in order to increase its parallelism. GRIDSs generates automatically from user's main code a graph describing the data dependencies in the application.We present real use cases of the programming model in the fields of computational chemistry and bioinformatics, which demonstrate that our objectives have been achieved.Finally, we have studied the application of several fault detection and treatment techniques: checkpointing, task retry and task replication. Our proposal is to provide an environment able to deal with all types of failures, transparently for the user whenever possible. The main advantage in implementing these mechanisms at the programming model level is that application-level knowledge can be exploited in order to dynamically create a fault tolerance strategy for each application, and avoiding to introduce overhead in error-free environments

Dagstuhl News January - December 2006

"Dagstuhl News" is a publication edited especially for the members of the Foundation "Informatikzentrum Schloss Dagstuhl" to thank them for their support. The News give a summary of the scientific work being done in Dagstuhl. Each Dagstuhl Seminar is presented by a small abstract describing the contents and scientific highlights of the seminar as well as the perspectives or challenges of the research topic

Embedded electronic systems driven by run-time reconfigurable hardware

Abstract This doctoral thesis addresses the design of embedded electronic systems based on run-time reconfigurable hardware technology –available through SRAM-based FPGA/SoC devices– aimed at contributing to enhance the life quality of the human beings. This work does research on the conception of the system architecture and the reconfiguration engine that provides to the FPGA the capability of dynamic partial reconfiguration in order to synthesize, by means of hardware/software co-design, a given application partitioned in processing tasks which are multiplexed in time and space, optimizing thus its physical implementation –silicon area, processing time, complexity, flexibility, functional density, cost and power consumption– in comparison with other alternatives based on static hardware (MCU, DSP, GPU, ASSP, ASIC, etc.). The design flow of such technology is evaluated through the prototyping of several engineering applications (control systems, mathematical coprocessors, complex image processors, etc.), showing a high enough level of maturity for its exploitation in the industry.Resumen Esta tesis doctoral abarca el diseño de sistemas electrónicos embebidos basados en tecnología hardware dinámicamente reconfigurable –disponible a través de dispositivos lógicos programables SRAM FPGA/SoC– que contribuyan a la mejora de la calidad de vida de la sociedad. Se investiga la arquitectura del sistema y del motor de reconfiguración que proporcione a la FPGA la capacidad de reconfiguración dinámica parcial de sus recursos programables, con objeto de sintetizar, mediante codiseño hardware/software, una determinada aplicación particionada en tareas multiplexadas en tiempo y en espacio, optimizando así su implementación física –área de silicio, tiempo de procesado, complejidad, flexibilidad, densidad funcional, coste y potencia disipada– comparada con otras alternativas basadas en hardware estático (MCU, DSP, GPU, ASSP, ASIC, etc.). Se evalúa el flujo de diseño de dicha tecnología a través del prototipado de varias aplicaciones de ingeniería (sistemas de control, coprocesadores aritméticos, procesadores de imagen, etc.), evidenciando un nivel de madurez viable ya para su explotación en la industria.Resum Aquesta tesi doctoral està orientada al disseny de sistemes electrònics empotrats basats en tecnologia hardware dinàmicament reconfigurable –disponible mitjançant dispositius lògics programables SRAM FPGA/SoC– que contribueixin a la millora de la qualitat de vida de la societat. S’investiga l’arquitectura del sistema i del motor de reconfiguració que proporcioni a la FPGA la capacitat de reconfiguració dinàmica parcial dels seus recursos programables, amb l’objectiu de sintetitzar, mitjançant codisseny hardware/software, una determinada aplicació particionada en tasques multiplexades en temps i en espai, optimizant així la seva implementació física –àrea de silici, temps de processat, complexitat, flexibilitat, densitat funcional, cost i potència dissipada– comparada amb altres alternatives basades en hardware estàtic (MCU, DSP, GPU, ASSP, ASIC, etc.). S’evalúa el fluxe de disseny d’aquesta tecnologia a través del prototipat de varies aplicacions d’enginyeria (sistemes de control, coprocessadors aritmètics, processadors d’imatge, etc.), demostrant un nivell de maduresa viable ja per a la seva explotació a la indústria

Iowa State University, Courses and Programs Catalog 2014–2015

The Iowa State University Catalog is a one-year publication which lists all academic policies, and procedures. The catalog also includes the following: information for fees; curriculum requirements; first-year courses of study for over 100 undergraduate majors; course descriptions for nearly 5000 undergraduate and graduate courses; and a listing of faculty members at Iowa State University.https://lib.dr.iastate.edu/catalog/1025/thumbnail.jp

Towards instantaneous performance analysis using coarse-grain sampled and instrumented data

Nowadays, supercomputers deliver an enormous amount of computation power; however, it is well-known that applications only reach a fraction of it. One limiting factor is the single processor performance because it ultimately dictates the overall achieved performance. Performance analysis tools help locating performance inefficiencies and their nature to ultimately improve the application performance. Performance tools rely on two collection techniques to invoke their performance monitors: instrumentation and sampling. Instrumentation refers to inject performance monitors into concrete application locations whereas sampling invokes the installed monitors to external events. Each technique has its advantages. The measurements obtained through instrumentation are directly associated to the application structure while sampling allows a simple way to determine the volume of measurements captured. However, the granularity of the measurements that provides valuable insight cannot be determined a priori. Should analysts study the performance of an application for the first time, they may consider using a performance tool and instrument every routine or use high-frequency sampling rates to provide the most detailed results. These approaches frequently lead to large overheads that impact the application performance and thus alter the measurements gathered and, therefore, mislead the analyst. This thesis introduces the folding mechanism that takes advantage of the repetitiveness found in many applications. The mechanism smartly combines metrics captured through coarse-grain sampling and instrumentation mechanisms to provide instantaneous metric reports within instrumented regions and without perturbing the application execution. To produce these reports, the folding processes metrics from different type of sources: performance and energy counters, source code and memory references. The process depends on their nature. While performance and energy counters represent continuous metrics, the source code and memory references refer to discrete values that point out locations within the application code or address space. This thesis evaluates and validates two fitting algorithms used in different areas to report continuous metrics: a Gaussian interpolation process known as Kriging and piece-wise linear regressions. The folding also takes benefit of analytical performance models to focus on a small set of performance metrics instead of exploring a myriad of performance counters. The folding also correlates the metrics with the source-code using two alternatives: using the outcome of the piece-wise linear regressions and a mechanism inspired by Multi-Sequence Alignment techniques. Finally, this thesis explores the applicability of the folding mechanism to captured memory references to detail which and how data objects are accessed. This thesis proposes an analysis methodology for parallel applications that focus on describing the most time-consuming computing regions. It is implemented on top of a framework that relies on a previously existing clustering tool and the folding mechanism. To show the usefulness of the methodology and the framework, this thesis includes the discussion of multiple first-time seen in-production applications. The discussions include high level of detail regarding the application performance bottlenecks and their responsible code. Despite many analyzed applications have been compiled using aggressive compiler optimization flags, the insight obtained from the folding mechanism has turned into small code transformations based on widely-known optimization techniques that have improved the performance in some cases. Additionally, this work also depicts power monitoring capabilities of recent processors and discusses the simultaneous performance and energy behavior on a selection of benchmarks and in-production applications.Actualment, els supercomputadors ofereixen una àmplia potència de càlcul però les aplicacions només en fan servir una petita fracció. Un dels factors limitants és el rendiment d'un processador, el qual dicta el rendiment en general. Les eines d'anàlisi de rendiment ajuden a localitzar els colls d'ampolla i la seva natura per a, eventualment, millorar el rendiment de l'aplicació. Les eines d'anàlisi de rendiment empren dues tècniques de recol·lecció de dades: instrumentació i mostreig. La instrumentació es refereix a la capacitat d'injectar monitors en llocs específics del codi mentre que el mostreig invoca els monitors quan ocórren esdeveniments externs. Cadascuna d'aquestes tècniques té les seves avantatges. Les mesures obtingudes per instrumentació s'associen directament a l'estructura de l'aplicació mentre que les obtingudes per mostreig permeten una forma senzilla de determinar-ne el volum capturat. Sigui com sigui, la granularitat de les mesures no es pot determinar a priori. Conseqüentment, si un analista vol estudiar el rendiment d'una aplicació sense saber-ne res, hauria de considerar emprar una eina d'anàlisi i instrumentar cadascuna de les rutines o bé emprar freqüències de mostreig altes per a proveir resultats detallats. En qualsevol cas, aquestes alternatives impacten en el rendiment de l'aplicació i per tant alterar les mètriques capturades, i conseqüentment, confondre a l'analista. Aquesta tesi introdueix el mecanisme anomenat folding, el qual aprofita la repetitibilitat existent en moltes aplicacions. El mecanisme combina intel·ligentment mètriques obtingudes mitjançant mostreig de gra gruixut i instrumentació per a proveir informes de mètriques instantànies dins de regions instrumentades sense pertorbar-ne l'execució. Per a produir aquests informes, el mecanisme processa les mètriques de diferents fonts: comptadors de rendiment i energia, codi font i referències de memoria. El procés depen de la natura de les dades. Mentre que les mètriques de rendiment i energia són valors continus, el codi font i les referències de memòria representen valors discrets que apunten ubicacions dins el codi font o l'espai d'adreces. Aquesta tesi evalua i valida dos algorismes d'ajust: un procés d'interpolació anomenat Kriging i una interpolació basada en regressions lineals segmentades. El mecanisme de folding també s'aprofita de models analítics de rendiment basats en comptadors hardware per a proveir un conjunt reduït de mètriques enlloc d'haver d'explorar una multitud de comptadors. El mecanisme també correlaciona les mètriques amb el codi font emprant dues alternatives: per un costat s'aprofita dels resultats obtinguts per les regressions lineals segmentades i per l'altre defineix un mecanisme basat en tècniques d'alineament de multiples seqüències. Aquesta tesi també explora l'aplicabilitat del mecanisme per a referències de memoria per a informar quines i com s'accessedeixen les dades de l'aplicació. Aquesta tesi proposa una metodología d'anàlisi per a aplicacions paral·leles centrant-se en descriure les regions de càlcul que consumeixen més temps. La metodología s'implementa en un entorn de treball que usa un mecanisme de clustering preexistent i el mecanisme de folding. Per a demostrar-ne la seva utilitat, aquesta tesi inclou la discussió de múltiples aplicacions analitzades per primera vegada. Les discussions inclouen un alt nivel de detall en referencia als colls d'ampolla de les aplicacions i de la seva natura. Tot i que moltes d'aquestes aplicacions s'han compilat amb opcions d'optimització agressives, la informació obtinguda per l'entorn de treball es tradueix en petites modificacions basades en tècniques d'optimització que permeten millorar-ne el rendiment en alguns casos. Addicionalment, aquesta tesi també reporta informació sobre el consum energètic reportat per processadors recents i discuteix el comportament simultani d'energia i rendiment en una selecció d'aplicacions sintètiques i aplicacions en producció