Macroservers: An Execution Model for DRAM Processor-In-Memory Arrays

The emergence of semiconductor fabrication technology allowing a tight coupling between high-density DRAM and CMOS logic on the same chip has led to the important new class of Processor-In-Memory (PIM) architectures. Newer developments provide powerful parallel processing capabilities on the chip, exploiting the facility to load wide words in single memory accesses and supporting complex address manipulations in the memory. Furthermore, large arrays of PIMs can be arranged into a massively parallel architecture. In this report, we describe an object-based programming model based on the notion of a macroserver. Macroservers encapsulate a set of variables and methods; threads, spawned by the activation of methods, operate asynchronously on the variables' state space. Data distributions provide a mechanism for mapping large data structures across the memory region of a macroserver, while work distributions allow explicit control of bindings between threads and data. Both data and work distributuions are first-class objects of the model, supporting the dynamic management of data and threads in memory. This offers the flexibility required for fully exploiting the processing power and memory bandwidth of a PIM array, in particular for irregular and adaptive applications. Thread synchronization is based on atomic methods, condition variables, and futures. A special type of lightweight macroserver allows the formulation of flexible scheduling strategies for the access to resources, using a monitor-like mechanism

Workshop on programming languages for high performance computing (HPCWPL): final report.

This report summarizes the deliberations and conclusions of the Workshop on Programming Languages for High Performance Computing (HPCWPL) held at the Sandia CSRI facility in Albuquerque, NM on December 12-13, 2006

Memory Hierarchy Design for Next Generation Scalable Many-core Platforms

Performance and energy consumption in modern computing platforms is largely dominated by the memory hierarchy. The increasing computational power in the multiprocessors and accelerators, and the emergence of the data-intensive workloads (e.g. large-scale graph traversal and scientific algorithms) requiring fast transfer of large volumes of data, are two main trends which intensify this problem by putting even higher pressure on the memory hierarchy. This increasing gap between computation speed and data transfer speed is commonly referred as the “memory wall” problem. With the emergence of heterogeneous Three Dimensional (3D) Integration based on through-silicon-vias (TSV), this situation has started to recover in the past years. On one hand, it is now possible to improve memory access bandwidth and/or latency by either stacking memories directly on top of processors or through abstracted memory interfaces such as Micron’s Hybrid Memory Cube (HMC). On the other hand, near memory computation has become worthy of revisiting due to the cost-effective integration of logic and memory in 3D stacks. These two directions bring about several interesting opportunities including performance improvement, energy and cost reduction, product miniaturization, and modular design for improved time to market. In this research, we study the effectiveness of the 3D integration technology and the optimization opportunities which it can provide in the different layers of the memory hierarchy in cluster-based many-core platforms ranging from intra-cluster L1 to inter-cluster L2 scratchpad memories (SPMs), as well as the main memory. In addition, by moving a part of the computation to where data resides, in the 3D-stacked memory context, we demonstrate further energy and performance improvement opportunities

A cross-stack, network-centric architectural design for next-generation datacenters

This thesis proposes a full-stack, cross-layer datacenter architecture based on in-network computing and near-memory processing paradigms. The proposed datacenter architecture is built atop two principles: (1) utilizing commodity, off-the-shelf hardware (i.e., processor, DRAM, and network devices) with minimal changes to their architecture, and (2) providing a standard interface to the programmers for using the novel hardware. More specifically, the proposed datacenter architecture enables a smart network adapter to collectively compress/decompress data exchange between distributed DNN training nodes and assist the operating system in performing aggressive processor power management. It also deploys specialized memory modules in the servers, capable of performing general-purpose computation and network connectivity. This thesis unlocks the potentials of hardware and operating system co-design in architecting application-transparent, near-data processing hardware for improving datacenter's performance, energy efficiency, and scalability. We evaluate the proposed datacenter architecture using a combination of full-system simulation, FPGA prototyping, and real-system experiments

A Process Model for the Integrated Reasoning about Quantitative IT Infrastructure Attributes

IT infrastructures can be quantitatively described by attributes, like performance or energy efficiency. Ever-changing user demands and economic attempts require varying short-term and long-term decisions regarding the alignment of an IT infrastructure and particularly its attributes to this dynamic surrounding. Potentially conflicting attribute goals and the central role of IT infrastructures presuppose decision making based upon reasoning, the process of forming inferences from facts or premises. The focus on specific IT infrastructure parts or a fixed (small) attribute set disqualify existing reasoning approaches for this intent, as they neither cover the (complex) interplay of all IT infrastructure components simultaneously, nor do they address inter- and intra-attribute correlations sufficiently. This thesis presents a process model for the integrated reasoning about quantitative IT infrastructure attributes. The process model’s main idea is to formalize the compilation of an individual reasoning function, a mathematical mapping of parametric influencing factors and modifications on an attribute vector. Compilation bases upon model integration to benefit from the multitude of existing specialized, elaborated, and well-established attribute models. The achieved reasoning function consumes an individual tuple of IT infrastructure components, attributes, and external influencing factors to expose a broad applicability. The process model formalizes a reasoning intent in three phases. First, reasoning goals and parameters are collected in a reasoning suite, and formalized in a reasoning function skeleton. Second, the skeleton is iteratively refined, guided by the reasoning suite. Third, the achieved reasoning function is employed for What-if analyses, optimization, or descriptive statistics to conduct the concrete reasoning. The process model provides five template classes that collectively formalize all phases in order to foster reproducibility and to reduce error-proneness. Process model validation is threefold. A controlled experiment reasons about a Raspberry Pi cluster’s performance and energy efficiency to illustrate feasibility. Besides, a requirements analysis on a world-class supercomputer and on the European-wide execution of hydro meteorology simulations as well as a related work examination disclose the process model’s level of innovation. Potential future work employs prepared automation capabilities, integrates human factors, and uses reasoning results for the automatic generation of modification recommendations.IT-Infrastrukturen können mit Attributen, wie Leistung und Energieeffizienz, quantitativ beschrieben werden. Nutzungsbedarfsänderungen und ökonomische Bestrebungen erfordern Kurz- und Langfristentscheidungen zur Anpassung einer IT-Infrastruktur und insbesondere ihre Attribute an dieses dynamische Umfeld. Potentielle Attribut-Zielkonflikte sowie die zentrale Rolle von IT-Infrastrukturen erfordern eine Entscheidungsfindung mittels Reasoning, einem Prozess, der Rückschlüsse (rein) aus Fakten und Prämissen zieht. Die Fokussierung auf spezifische Teile einer IT-Infrastruktur sowie die Beschränkung auf (sehr) wenige Attribute disqualifizieren bestehende Reasoning-Ansätze für dieses Vorhaben, da sie weder das komplexe Zusammenspiel von IT-Infrastruktur-Komponenten, noch Abhängigkeiten zwischen und innerhalb einzelner Attribute ausreichend berücksichtigen können. Diese Arbeit präsentiert ein Prozessmodell für das integrierte Reasoning über quantitative IT-Infrastruktur-Attribute. Die grundlegende Idee des Prozessmodells ist die Herleitung einer individuellen Reasoning-Funktion, einer mathematischen Abbildung von Einfluss- und Modifikationsparametern auf einen Attributvektor. Die Herleitung basiert auf der Integration bestehender (Attribut-)Modelle, um von deren Spezialisierung, Reife und Verbreitung profitieren zu können. Die erzielte Reasoning-Funktion verarbeitet ein individuelles Tupel aus IT-Infrastruktur-Komponenten, Attributen und externen Einflussfaktoren, um eine breite Anwendbarkeit zu gewährleisten. Das Prozessmodell formalisiert ein Reasoning-Vorhaben in drei Phasen. Zunächst werden die Reasoning-Ziele und -Parameter in einer Reasoning-Suite gesammelt und in einem Reasoning-Funktions-Gerüst formalisiert. Anschließend wird das Gerüst entsprechend den Vorgaben der Reasoning-Suite iterativ verfeinert. Abschließend wird die hergeleitete Reasoning-Funktion verwendet, um mittels “What-if”–Analysen, Optimierungsverfahren oder deskriptiver Statistik das Reasoning durchzuführen. Das Prozessmodell enthält fünf Template-Klassen, die den Prozess formalisieren, um Reproduzierbarkeit zu gewährleisten und Fehleranfälligkeit zu reduzieren. Das Prozessmodell wird auf drei Arten validiert. Ein kontrolliertes Experiment zeigt die Durchführbarkeit des Prozessmodells anhand des Reasonings zur Leistung und Energieeffizienz eines Raspberry Pi Clusters. Eine Anforderungsanalyse an einem Superrechner und an der europaweiten Ausführung von Hydro-Meteorologie-Modellen erläutert gemeinsam mit der Betrachtung verwandter Arbeiten den Innovationsgrad des Prozessmodells. Potentielle Erweiterungen nutzen die vorbereiteten Automatisierungsansätze, integrieren menschliche Faktoren, und generieren Modifikationsempfehlungen basierend auf Reasoning-Ergebnissen

Runtime-assisted optimizations in the on-chip memory hierarchy

Following Moore's Law, the number of transistors on chip has been increasing exponentially, which has led to the increasing complexity of modern processors. As a result, the efficient programming of such systems has become more difficult. Many programming models have been developed to answer this issue. Of particular interest are task-based programming models that employ simple annotations to define parallel work in an application. The information available at the level of the runtime systems associated with these programming models offers great potential for improving hardware design. Moreover, due to technological limitations, Moore's Law is predicted to eventually come to an end, so novel paradigms are necessary to maintain the current performance improvement trends. The main goal of this thesis is to exploit the knowledge about a parallel application available at the runtime system level to improve the design of the on-chip memory hierarchy. The coupling of the runtime system and the microprocessor enables a better hardware design without hurting the programmability. The first contribution is a set of insertion policies for shared last-level caches that exploit information about tasks and task data dependencies. The intuition behind this proposal revolves around the observation that parallel threads exhibit different memory access patterns. Even within the same thread, accesses to different variables often follow distinct patterns. The proposed policies insert cache lines into different logical positions depending on the dependency type and task type to which the corresponding memory request belongs. The second proposal optimizes the execution of reductions, defined as a programming pattern that combines input data to form the resulting reduction variable. This is achieved with a runtime-assisted technique for performing reductions in the processor's cache hierarchy. The proposal's goal is to be a universally applicable solution regardless of the reduction variable type, size and access pattern. On the software level, the programming model is extended to let a programmer specify the reduction variables for tasks, as well as the desired cache level where a certain reduction will be performed. The source-to-source compiler and the runtime system are extended to translate and forward this information to the underlying hardware. On the hardware level, private and shared caches are equipped with functional units and the accompanying logic to perform reductions at the cache level. This design avoids unnecessary data movements to the core and back as the data is operated at the place where it resides. The third contribution is a runtime-assisted prioritization scheme for memory requests inside the on-chip memory hierarchy. The proposal is based on the notion of a critical path in the context of parallel codes and a known fact that accelerating critical tasks reduces the execution time of the whole application. In the context of this work, task criticality is observed at a level of a task type as it enables simple annotation by the programmer. The acceleration of critical tasks is achieved by the prioritization of corresponding memory requests in the microprocessor.Siguiendo la ley de Moore, el número de transistores en los chips ha crecido exponencialmente, lo que ha comportado una mayor complejidad en los procesadores modernos y, como resultado, de la dificultad de la programación eficiente de estos sistemas. Se han desarrollado muchos modelos de programación para resolver este problema; un ejemplo particular son los modelos de programación basados en tareas, que emplean anotaciones sencillas para definir los Trabajos paralelos de una aplicación. La información de que disponen los sistemas en tiempo de ejecución (runtime systems) asociada con estos modelos de programación ofrece un enorme potencial para la mejora del diseño del hardware. Por otro lado, las limitaciones tecnológicas hacen que la ley de Moore pueda dejar de cumplirse próximamente, por lo que se necesitan paradigmas nuevos para mantener las tendencias actuales de mejora de rendimiento. El objetivo principal de esta tesis es aprovechar el conocimiento de las aplicaciones paral·leles de que dispone el runtime system para mejorar el diseño de la jerarquía de memoria del chip. El acoplamiento del runtime system junto con el microprocesador permite realizar mejores diseños hardware sin afectar Negativamente en la programabilidad de dichos sistemas. La primera contribución de esta tesis consiste en un conjunto de políticas de inserción para las memorias caché compartidas de último nivel que aprovecha la información de las tareas y las dependencias de datos entre estas. La intuición tras esta propuesta se basa en la observación de que los hilos de ejecución paralelos muestran distintos patrones de acceso a memoria e, incluso dentro del mismo hilo, los accesos a diferentes variables a menudo siguen patrones distintos. Las políticas que se proponen insertan líneas de caché en posiciones lógicas diferentes en función de los tipos de dependencia y tarea a los que corresponde la petición de memoria. La segunda propuesta optimiza la ejecución de las reducciones, que se definen como un patrón de programación que combina datos de entrada para conseguir la variable de reducción como resultado. Esto se consigue mediante una técnica asistida por el runtime system para la realización de reducciones en la jerarquía de la caché del procesador, con el objetivo de ser una solución aplicable de forma universal sin depender del tipo de la variable de la reducción, su tamaño o el patrón de acceso. A nivel de software, el modelo de programación se extiende para que el programador especifique las variables de reducción de las tareas, así como el nivel de caché escogido para que se realice una determinada reducción. El compilador fuente a Fuente (compilador source-to-source) y el runtime ssytem se modifican para que traduzcan y pasen esta información al hardware subyacente, evitando así movimientos de datos innecesarios hacia y desde el núcleo del procesador, al realizarse la operación donde se encuentran los datos de la misma. La tercera contribución proporciona un esquema de priorización asistido por el runtime system para peticiones de memoria dentro de la jerarquía de memoria del chip. La propuesta se basa en la noción de camino crítico en el contexto de los códigos paralelos y en el hecho conocido de que acelerar tareas críticas reduce el tiempo de ejecución de la aplicación completa. En el contexto de este trabajo, la criticidad de las tareas se considera a nivel del tipo de tarea ya que permite que el programador las indique mediante anotaciones sencillas. La aceleración de las tareas críticas se consigue priorizando las correspondientes peticiones de memoria en el microprocesador.Seguint la llei de Moore, el nombre de transistors que contenen els xips ha patit un creixement exponencial, fet que ha provocat un augment de la complexitat dels processadors moderns i, per tant, de la dificultat de la programació eficient d’aquests sistemes. Per intentar solucionar-ho, s’han desenvolupat diversos models de programació; un exemple particular en són els models basats en tasques, que fan servir anotacions senzilles per definir treballs paral·lels dins d’una aplicació. La informació que hi ha al nivell dels sistemes en temps d’execució (runtime systems) associada amb aquests models de programació ofereix un gran potencial a l’hora de millorar el disseny del maquinari. D’altra banda, les limitacions tecnològiques fan que la llei de Moore pugui deixar de complir-se properament, per la qual cosa calen nous paradigmes per mantenir les tendències actuals en la millora de rendiment. L’objectiu principal d’aquesta tesi és aprofitar els coneixements que el runtime System té d’una aplicació paral·lela per millorar el disseny de la jerarquia de memòria dins el xip. L’acoblament del runtime system i el microprocessador permet millorar el disseny del maquinari sense malmetre la programabilitat d’aquests sistemes. La primera contribució d’aquesta tesi consisteix en un conjunt de polítiques d’inserció a les memòries cau (cache memories) compartides d’últim nivell que aprofita informació sobre tasques i les dependències de dades entre aquestes. La intuïció que hi ha al darrere d’aquesta proposta es basa en el fet que els fils d’execució paral·lels mostren diferents patrons d’accés a la memòria; fins i tot dins el mateix fil, els accessos a variables diferents sovint segueixen patrons diferents. Les polítiques que s’hi proposen insereixen línies de la memòria cau a diferents ubicacions lògiques en funció dels tipus de dependència i de tasca als quals correspon la petició de memòria. La segona proposta optimitza l’execució de les reduccions, que es defineixen com un patró de programació que combina dades d’entrada per aconseguir la variable de reducció com a resultat. Això s’aconsegueix mitjançant una tècnica assistida pel runtime system per dur a terme reduccions en la jerarquia de la memòria cau del processador, amb l’objectiu que la proposta sigui aplicable de manera universal, sense dependre del tipus de la variable a la qual es realitza la reducció, la seva mida o el patró d’accés. A nivell de programari, es realitza una extensió del model de programació per facilitar que el programador especifiqui les variables de les reduccions que usaran les tasques, així com el nivell de memòria cau desitjat on s’hauria de realitzar una certa reducció. El compilador font a font (compilador source-to-source) i el runtime system s’amplien per traduir i passar aquesta informació al maquinari subjacent. A nivell de maquinari, les memòries cau privades i compartides s’equipen amb unitats funcionals i la lògica corresponent per poder dur a terme les reduccions a la pròpia memòria cau, evitant així moviments de dades innecessaris entre el nucli del processador i la jerarquia de memòria. La tercera contribució proporciona un esquema de priorització assistit pel runtime System per peticions de memòria dins de la jerarquia de memòria del xip. La proposta es basa en la noció de camí crític en el context dels codis paral·lels i en el fet conegut que l’acceleració de les tasques que formen part del camí crític redueix el temps d’execució de l’aplicació sencera. En el context d’aquest treball, la criticitat de les tasques s’observa al nivell del seu tipus ja que permet que el programador les indiqui mitjançant anotacions senzilles. L’acceleració de les tasques crítiques s’aconsegueix prioritzant les corresponents peticions de memòria dins el microprocessador