RELEASE: A High-level Paradigm for Reliable Large-scale Server Software

Erlang is a functional language with a much-emulated model for building reliable distributed systems. This paper outlines the RELEASE project, and describes the progress in the first six months. The project aim is to scale the Erlang’s radical concurrency-oriented programming paradigm to build reliable general-purpose software, such as server-based systems, on massively parallel machines. Currently Erlang has inherently scalable computation and reliability models, but in practice scalability is constrained by aspects of the language and virtual machine. We are working at three levels to address these challenges: evolving the Erlang virtual machine so that it can work effectively on large scale multicore systems; evolving the language to Scalable Distributed (SD) Erlang; developing a scalable Erlang infrastructure to integrate multiple, heterogeneous clusters. We are also developing state of the art tools that allow programmers to understand the behaviour of massively parallel SD Erlang programs. We will demonstrate the effectiveness of the RELEASE approach using demonstrators and two large case studies on a Blue Gene

OmpSs-2 and OpenACC interoperation

We propose an interoperation mechanism to enable novel composability across pragma-based programming models. We study and propose a clear separation of duties and implement our approach by augmenting the OmpSs-2 programming model, compiler and runtime system to support OmpSs-2 + OpenACC programming. To validate our proposal we port ZPIC, a kinetic plasma simulator, to leverage our hybrid OmpSs-2 + OpenACC implementation. We compare our approach against OpenACC versions of ZPIC on a multi-GPU HPC system. We show that our approach manages to provide automatic asynchronous and multi-GPU execution, removing significant burden from the application’s developer, while also being able to outperform manually programmed versions, thanks to a better utilization of the hardware.This work has been part of the EPEEC project. The EPEEC project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No 801051. This paper was also partially funded by the Ministerio de Ciencia e Innovación Agencia Estatal de Investigación (PID2019-107255GB-C21/AEI/10.13039/501100011033). We gratefully acknowledge the support of NVIDIA AI Technology Center (NVAITC) Europe who provided us the remote access to NVIDIA DGX-1Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Methodology for malleable applications on distributed memory systems

A la portada logo BSC(English) The dominant programming approach for scientific and industrial computing on clusters is MPI+X. While there are a variety of approaches within the node, denoted by the ``X'', Message Passing interface (MPI) is the standard for programming multiple nodes with distributed memory. This thesis argues that the OmpSs-2 tasking model can be extended beyond the node to naturally support distributed memory, with three benefits: First, at small to medium scale the tasking model is a simpler and more productive alternative to MPI. It eliminates the need to distribute the data explicitly and convert all dependencies into explicit message passing. It also avoids the complexity of hybrid programming using MPI+X. Second, the ability to offload parts of the computation among the nodes enables the runtime to automatically balance the loads in a full-scale MPI+X program. This approach does not require a cost model, and it is able to transparently balance the computational loads across the whole program, on all its nodes. Third, because the runtime handles all low-level aspects of data distribution and communication, it can change the resource allocation dynamically, in a way that is transparent to the application. This thesis describes the design, development and evaluation of OmpSs-2@Cluster, a programming model and runtime system that extends the OmpSs-2 model to allow a virtually unmodified OmpSs-2 program to run across multiple distributed memory nodes. For well-balanced applications it provides similar performance to MPI+OpenMP on up to 16 nodes, and it improves performance by up to 2x for irregular and unbalanced applications like Cholesky factorization. This work also extended OmpSs-2@Cluster for interoperability with MPI and Barcelona Supercomputing Center (BSC)'s state-of-the-art Dynamic Load Balance (DLB) library in order to dynamically balance MPI+OmpSs-2 applications by transparently offloading tasks among nodes. This approach reduces the execution time of a microscale solid mechanics application by 46% on 64 nodes and on a synthetic benchmark, it is within 10% of perfect load balancing on up to 8 nodes. Finally, the runtime was extended to transparently support malleability for pure OmpSs-2@Cluster programs and interoperate with the Resources Management System (RMS). The only change to the application is to explicitly call an API function to control the addition or removal of nodes. In this regard we additionally provide the runtime with the ability to semi-transparently save and recover part of the application status to perform checkpoint and restart. Such a feature hides the complexity of data redistribution and parallel IO from the user while allowing the program to recover and continue previous executions. Our work is a starting point for future research on fault tolerance. In summary, OmpSs-2@Cluster expands the OmpSs-2 programming model to encompass distributed memory clusters. It allows an existing OmpSs-2 program, with few if any changes, to run across multiple nodes. OmpSs-2@Cluster supports transparent multi-node dynamic load balancing for MPI+OmpSs-2 programs, and enables semi-transparent malleability for OmpSs-2@Cluster programs. The runtime system has a high level of stability and performance, and it opens several avenues for future work.(Español) El modelo de programación dominante para clusters tanto en ciencia como industria es actualmente MPI+X. A pesar de que hay alguna variedad de alternativas para programar dentro de un nodo (indicado por la "X"), el estandar para programar múltiples nodos con memoria distribuida sigue siendo Message Passing Interface (MPI). Esta tesis propone la extensión del modelo de programación basado en tareas OmpSs-2 para su funcionamiento en sistemas de memoria distribuida, destacando 3 beneficios principales: En primer lugar; a pequeña y mediana escala, un modelo basado en tareas es más simple y productivo que MPI y elimina la necesidad de distribuir los datos explícitamente y convertir todas las dependencias en mensajes. Además, evita la complejidad de la programacion híbrida MPI+X. En segundo lugar; la capacidad de enviar partes del cálculo entre los nodos permite a la librería balancear la carga de trabajo en programas MPI+X a gran escala. Este enfoque no necesita un modelo de coste y permite equilibrar cargas transversalmente en todo el programa y todos los nodos. En tercer lugar; teniendo en cuenta que es la librería quien maneja todos los aspectos relacionados con distribución y transferencia de datos, es posible la modificación dinámica y transparente de los recursos que utiliza la aplicación. Esta tesis describe el diseño, desarrollo y evaluación de OmpSs-2@Cluster; un modelo de programación y librería que extiende OmpSs-2 permitiendo la ejecución de programas OmpSs-2 existentes en múltiples nodos sin prácticamente necesidad de modificarlos. Para aplicaciones balanceadas, este modelo proporciona un rendimiento similar a MPI+OpenMP hasta 16 nodos y duplica el rendimiento en aplicaciones irregulares o desbalanceadas como la factorización de Cholesky. Este trabajo incluye la extensión de OmpSs-2@Cluster para interactuar con MPI y la librería de balanceo de carga Dynamic Load Balancing (DLB) desarrollada en el Barcelona Supercomputing Center (BSC). De este modo es posible equilibrar aplicaciones MPI+OmpSs-2 mediante la transferencia transparente de tareas entre nodos. Este enfoque reduce el tiempo de ejecución de una aplicación de mecánica de sólidos a micro-escala en un 46% en 64 nodos; en algunos experimentos hasta 8 nodos se pudo equilibrar perfectamente la carga con una diferencia inferior al 10% del equilibrio perfecto. Finalmente, se implementó otra extensión de la librería para realizar operaciones de maleabilidad en programas OmpSs-2@Cluster e interactuar con el Sistema de Manejo de Recursos (RMS). El único cambio requerido en la aplicación es la llamada explicita a una función de la interfaz que controla la adición o eliminación de nodos. Además, se agregó la funcionalidad de guardar y recuperar parte del estado de la aplicación de forma semitransparente con el objetivo de realizar operaciones de salva-reinicio. Dicha funcionalidad oculta al usuario la complejidad de la redistribución de datos y las operaciones de lectura-escritura en paralelo, mientras permite al programa recuperar y continuar ejecuciones previas. Este es un punto de partida para futuras investigaciones en tolerancia a fallos. En resumen, OmpSs-2@Cluster amplía el modelo de programación de OmpSs-2 para abarcar sistemas de memoria distribuida. El modelo permite la ejecución de programas OmpSs-2 en múltiples nodos prácticamente sin necesidad de modificarlos. OmpSs-2@Cluster permite además el balanceo dinámico de carga en aplicaciones híbridas MPI+OmpSs-2 ejecutadas en varios nodos y es capaz de realizar maleabilidad semi-transparente en programas OmpSs-2@Cluster puros. La librería tiene un niveles de rendimiento y estabilidad altos y abre varios caminos para trabajos futuro.Arquitectura de computador

Exploiting data locality in cache-coherent NUMA systems

The end of Dennard scaling has caused a stagnation of the clock frequency in computers.To overcome this issue, in the last two decades vendors have been integrating larger numbers of processing elements in the systems, interconnecting many nodes, including multiple chips in the nodes and increasing the number of cores in each chip. The speed of main memory has not evolved at the same rate as processors, it is much slower and there is a need to provide more total bandwidth to the processors, especially with the increase in the number of cores and chips. Still keeping a shared address space, where all processors can access the whole memory, solutions have come by integrating more memories: by using newer technologies like high-bandwidth memories (HBM) and non-volatile memories (NVM), by giving groups cores (like sockets, for example) faster access to some subset of the DRAM, or by combining many of these solutions. This has caused some heterogeneity in the access speed to main memory, depending on the CPU requesting access to a memory address and the actual physical location of that address, causing non-uniform memory access (NUMA) behaviours. Moreover, many of these systems are cache-coherent (ccNUMA), meaning that changes in the memory done from one CPU must be visible by the other CPUs and transparent for the programmer. These NUMA behaviours reduce the performance of applications and can pose a challenge to the programmers. To tackle this issue, this thesis proposes solutions, at the software and hardware levels, to improve the data locality in NUMA systems and, therefore, the performance of applications in these computer systems. The first contribution shows how considering hardware prefetching simultaneously with thread and data placement in NUMA systems can find configurations with better performance than considering these aspects separately. The performance results combined with performance counters are then used to build a performance model to predict, both offline and online, the best configuration for new applications not in the model. The evaluation is done using two different high performance NUMA systems, and the performance counters collected in one machine are used to predict the best configurations in the other machine. The second contribution builds on the idea that prefetching can have a strong effect in NUMA systems and proposes a NUMA-aware hardware prefetching scheme. This scheme is generic and can be applied to multiple hardware prefetchers with a low hardware cost but giving very good results. The evaluation is done using a cycle-accurate architectural simulator and provides detailed results of the performance, the data transfer reduction and the energy costs. Finally, the third and last contribution consists in scheduling algorithms for task-based programming models. These programming models help improve the programmability of applications in parallel systems and also provide useful information to the underlying runtime system. This information is used to build a task dependency graph (TDG), a directed acyclic graph that models the application where the nodes are sequential pieces of code known as tasks and the edges are the data dependencies between the different tasks. The proposed scheduling algorithms use graph partitioning techniques and provide a scheduling for the tasks in the TDG that minimises the data transfers between the different NUMA regions of the system. The results have been evaluated in real ccNUMA systems with multiple NUMA regions.La fi de la llei de Dennard ha provocat un estancament de la freqüència de rellotge dels computadors. Amb l'objectiu de superar aquest fet, durant les darreres dues dècades els fabricants han integrat més quantitat d'unitats de còmput als sistemes mitjançant la interconnexió de nodes diferents, la inclusió de múltiples xips als nodes i l'increment de nuclis de processador a cada xip. La rapidesa de la memòria principal no ha evolucionat amb el mateix factor que els processadors; és molt més lenta i hi ha la necessitat de proporcionar més ample de banda als processadors, especialment amb l'increment del nombre de nuclis i xips. Tot mantenint un adreçament compartit en el qual tots els processadors poden accedir a la memòria sencera, les solucions han estat al voltant de la integració de més memòries: amb tecnologies modernes com HBM (high-bandwidth memories) i NVM (non-volatile memories), fent que grups de nuclis (com sòcols sencers) tinguin accés més ràpid a una part de la DRAM o amb la combinació de solucions. Això ha provocat una heterogeneïtat en la velocitat d'accés a la memòria principal, en funció del nucli que sol·licita l'accés a una adreça en particular i la seva localització física, fet que provoca uns comportaments no uniformes en l'accés a la memòria (non-uniform memory access, NUMA). A més, sovint tenen memòries cau coherents (cache-coherent NUMA, ccNUMA), que implica que qualsevol canvi fet a la memòria des d'un nucli d'un processador ha de ser visible la resta de manera transparent. Aquests comportaments redueixen el rendiment de les aplicacions i suposen un repte. Per abordar el problema, a la tesi s'hi proposen solucions, a nivell de programari i maquinari, que milloren la localitat de dades als sistemes NUMA i, en conseqüència, el rendiment de les aplicacions en aquests sistemes. La primera contribució mostra que, quan es tenen en compte alhora la precàrrega d'adreces de memòria amb maquinari (hardware prefetching) i les decisions d'ubicació dels fils d'execució i les dades als sistemes NUMA, es poden trobar millors configuracions que quan es condieren per separat. Una combinació dels resultats de rendiment i dels comptadors disponibles al sistema s'utilitza per construir un model de rendiment per fer la predicció, tant per avançat com també en temps d'execució, de la millor configuració per aplicacions que no es troben al model. L'avaluació es du a terme a dos sistemes NUMA d'alt rendiment, i els comptadors mesurats en un sistema s'usen per predir les millors configuracions a l'altre sistema. La segona contribució es basa en la idea que el prefetching pot tenir un efecte considerable als sistemes NUMA i proposa un esquema de precàrrega a nivell de maquinari que té en compte els efectes NUMA. L'esquema és genèric i es pot aplicar als algorismes de precàrrega existents amb un cost de maquinari molt baix però amb molt bons resultats. S'avalua amb un simulador arquitectural acurat a nivell de cicle i proporciona resultats detallats del rendiment, la reducció de les comunicacions de dades i els costos energètics. La tercera i darrera contribució consisteix en algorismes de planificació per models de programació basats en tasques. Aquests simplifiquen la programabilitat de les aplicacions paral·leles i proveeixen informació molt útil al sistema en temps d'execució (runtime system) que en controla el funcionament. Amb aquesta informació es construeix un graf de dependències entre tasques (task dependency graph, TDG), un graf dirigit i acíclic que modela l'aplicació i en el qual els nodes són fragments de codi seqüencial (o tasques) i els arcs són les dependències de dades entre les tasques. Els algorismes de planificació proposats fan servir tècniques de particionat de grafs i proporcionen una planificació de les tasques del TDG que minimitza la comunicació de dades entre les diferents regions NUMA del sistema. Els resultats han estat avaluats en sistemes ccNUMA reals amb múltiples regions NUMA.El final de la ley de Dennard ha provocado un estancamiento de la frecuencia de reloj de los computadores. Con el objetivo de superar este problema, durante las últimas dos décadas los fabricantes han integrado más unidades de cómputo en los sistemas mediante la interconexión de nodos diferentes, la inclusión de múltiples chips en los nodos y el incremento de núcleos de procesador en cada chip. La rapidez de la memoria principal no ha evolucionado con el mismo factor que los procesadores; es mucho más lenta y hay la necesidad de proporcionar más ancho de banda a los procesadores, especialmente con el incremento del número de núcleos y chips. Aun manteniendo un sistema de direccionamiento compartido en el que todos los procesadores pueden acceder al conjunto de la memoria, las soluciones han oscilado alrededor de la integración de más memorias: usando tecnologías modernas como las memorias de alto ancho de banda (highbandwidth memories, HBM) y memorias no volátiles (non-volatile memories, NVM), haciendo que grupos de núcleos (como zócalos completos) tengan acceso más veloz a un subconjunto de la DRAM, o con la combinación de soluciones. Esto ha provocado una heterogeneidad en la velocidad de acceso a la memoria principal, en función del núcleo que solicita el acceso a una dirección de memoria en particular y la ubicación física de esta dirección, lo que provoca unos comportamientos no uniformes en el acceso a la memoria (non-uniform memory access, NUMA). Además, muchos de estos sistemas tienen memorias caché coherentes (cache-coherent NUMA, ccNUMA), lo que implica que cualquier cambio hecho en la memoria desde un núcleo de un procesador debe ser visible por el resto de procesadores de forma transparente para los programadores. Estos comportamientos NUMA reducen el rendimiento de las aplicaciones y pueden suponer un reto para los programadores. Para abordar dicho problema, en esta tesis se proponen soluciones, a nivel de software y hardware, que mejoran la localidad de datos en los sistemas NUMA y, en consecuencia, el rendimiento de las aplicaciones en estos sistemas informáticos. La primera contribución muestra que, cuando se tienen en cuenta a la vez la precarga de direcciones de memoria mediante hardware (o hardware prefetching ) y las decisiones de la ubicación de los hilos de ejecución y los datos en los sistemas NUMA, se pueden hallar mejores configuraciones que cuando se consideran ambos aspectos por separado. Con una combinación de los resultados de rendimiento y de los contadores disponibles en el sistema se construye un modelo de rendimiento, tanto por avanzado como en en tiempo de ejecución, de la mejor configuración para aplicaciones que no están incluidas en el modelo. La evaluación se realiza en dos sistemas NUMA de alto rendimiento, y los contadores medidos en uno de los sistemas se usan para predecir las mejores configuraciones en el otro sistema. La segunda contribución se basa en la idea de que el prefetching puede tener un efecto considerable en los sistemas NUMA y propone un esquema de precarga a nivel hardware que tiene en cuenta los efectos NUMA. Este esquema es genérico y se puede aplicar a diferentes algoritmos de precarga existentes con un coste de hardware muy bajo pero que proporciona muy buenos resultados. Dichos resultados se obtienen y evalúan mediante un simulador arquitectural preciso a nivel de ciclo y proporciona resultados detallados del rendimiento, la reducción de las comunicaciones de datos y los costes energéticos. Finalmente, la tercera y última contribución consiste en algoritmos de planificación para modelos de programación basados en tareas. Estos modelos simplifican la programabilidad de las aplicaciones paralelas y proveen información muy útil al sistema en tiempo de ejecución (runtime system) que controla su funcionamiento. Esta información se utiliza para construir un grafo de dependencias entre tareas (task dependency graph, TDG), un grafo dirigido y acíclico que modela la aplicación y en el ue los nodos son fragmentos de código secuencial, conocidos como tareas, y los arcos son las dependencias de datos entre las distintas tareas. Los algoritmos de planificación que se proponen usan técnicas e particionado de grafos y proporcionan una planificación de las tareas del TDG que minimiza la comunicación de datos entre las distintas regiones NUMA del sistema. Los resultados se han evaluado en sistemas ccNUMA reales con múltiples regiones NUMA.Postprint (published version

Multicore architecture optimizations for HPC applications

From single-core CPUs to detachable compute accelerators, supercomputers made a tremendous progress by using available transistors on chip and specializing hardware for a given type of computation. Today, compute nodes used in HPC employ multi-core CPUs tailored for serial execution and multiple accelerators (many-core devices or GPUs) for throughput computing. However, designing next-generation HPC system requires not only the performance improvement but also better energy efficiency. Current trend of reaching exascale level of computation asks for at least an order of magnitude increase in both of these metrics. This thesis explores HPC-specific optimizations in order to make better utilization of the available transistors and to improve performance by transparently executing parallel code across multiple GPU accelerators. First, we analyze several HPC benchmark suites, compare them against typical desktop applications, and identify the differences which advocate for proper core tailoring. Moreover, within the HPC applications, we evaluate serial and parallel code sections separately, resulting in an Asymmetric Chip Multiprocessor (ACMP) design with one core optimized for single-thread performance and many lean cores for parallel execution. Our results presented here suggests downsizing of core front-end structures providing an HPC-tailored lean core which saves 16% of the core area and 7% of power, without performance loss. Further improving an ACMP design, we identify that multiple lean cores run the same code during parallel regions. This motivated us to evaluate the idea where lean cores share the I-cache with the intent of benefiting from mutual prefetching, without increasing the average access latency. Our exploration of the multiple parameters finds the sweet spot on a wide interconnect to access the shared I-cache and the inclusion of a few line buffers to provide the required bandwidth and latency to sustain performance. The projections presented in this thesis show additional 11% area savings with a 5% energy reduction at no performance cost. These area and power savings might be attractive for many-core accelerators either for increasing the performance per area and power unit, or adding additional cores and thus improving the performance for the same hardware budget. Finally, in this thesis we study the effects of future NUMA accelerators comprised of multiple GPU devices. Reaching the limits of a single-GPU die size, next-generation GPU compute accelerators will likely embrace multi-socket designs increasing the core count and memory bandwidth. However, maintaining the UMA behavior of a single-GPU in multi-GPU systems without code rewriting stands as a challenge. We investigate multi-socket NUMA GPU designs and show that significant changes are needed to both the GPU interconnect and cache architectures to achieve performance scalability. We show that application phase effects can be exploited allowing GPU sockets to dynamically optimize their individual interconnect and cache policies, minimizing the impact of NUMA effects. Our NUMA-aware GPU outperforms a single GPU by 1.5×, 2.3×, and 3.2× while achieving 89%, 84%, and 76% of theoretical application scalability in 2, 4, and 8 sockets designs respectively. Implementable today, NUMA-aware multi-socket GPUs may be a promising candidate for performance scaling of future compute nodes used in HPC.Empezando por CPUs de un solo procesador, y pasando por aceleradores discretos, los supercomputadores han avanzado enormemente utilizando todos los transistores disponibles en el chip, y especializando los diseños para cada tipo de cálculo. Actualmente, los nodos de cálculo de un sistema de Computación de Altas Prestaciones (CAP) utilizan CPUs de múltiples procesadores, optimizados para el cálculo serial de instrucciones, y múltiples aceleradores (aceleradores gráficos, o many-core), optimizados para el cálculo paralelo. El diseño de un sistema CAP de nueva generación requiere no solo mejorar el rendimiento de cálculo, sino también mejorar la eficiencia energética. La siguiente generación de sistemas requiere mejorar un orden de magnitud en ambas métricas simultáneamente. Esta tesis doctoral explora optimizaciones específicas para sistemas CAP para hacer un mejor uso de los transistores, y para mejorar las prestaciones de forma transparente ejecutando las aplicaciones en múltiples aceleradores en paralelo. Primero, analizamos varios conjuntos de aplicaciones CAP, y las comparamos con aplicaciones para servidores y escritorio, identificando las principales diferencias que nos indican cómo ajustar la arquitectura para CAP. En las aplicaciones CAP, también analizamos la parte secuencial del código y la parte paralela de forma separada, . El resultado de este análisis nos lleva a proponer una arquitectura multiprocesador asimétrica (ACMP) , con un procesador optimizado para el código secuencial, y múltiples procesadores, más pequeños, optimizados para el procesamiento paralelo. Nuestros resultados muestran que reducir el tamaño de las estructuras del front-end (fetch, y predicción de saltos) en los procesadores paralelos nos proporciona un 16% extra de área en el chip, y una reducción de consumo del 7%. Como mejora a nuestra arquitectura ACMP, proponemos explotar el hecho de que todos los procesadores paralelos ejecutan el mismo código al mismo tiempo. Evaluamos una propuesta en que los procesadores paralelos comparten la caché de instrucciones, con la intención de que uno de ellos precargue las instrucciones para los demás procesadores (prefetching), sin aumentar la latencia media de acceso. Nuestra exploración de los distintos parámetros determina que el punto óptimo requiere una interconexión de alto ancho de banda para acceder a la caché compartida, y el uso de unos pocos line buffers para mantener el ancho de banda y la latencia necesarios. Nuestras proyecciones muestran un ahorro adicional del 11% en área y el 5% en energía, sin impacto en el rendimiento. Estos ahorros de área y energía permiten a un multiprocesador incrementar la eficiencia energética, o aumentar el rendimiento añadiendo procesador adicionales. Por último, estudiamos el efecto de usar múltiples aceleradores (GPU) en una arquitectura con tiempo de acceso a memoria no uniforme (NUMA). Una vez alcanzado el límite de número de transistores y tamaño máximo por chip, la siguiente generación de aceleradores deberá utilizar múltiples chips para aumentar el número de procesadores y el ancho de banda de acceso a memoria. Sin embargo, es muy difícil mantener la ilusión de un tiempo de acceso a memoria uniforme en un sistema multi-GPU sin reescribir el código de la aplicación. Nuestra investigación sobre sistemas multi-GPU muestra retos significativos en el diseño de la interconexión entre las GPU y la jerarquía de memorias cache. Nuestros resultados muestran que se puede explotar el comportamiento en fases de las aplicaciones para optimizar la configuración de la interconexión y las cachés de forma dinámica, minimizando el impacto de la arquitectura NUMA. Nuestro diseño mejora el rendimiento de un sistema con una única GPU en 1.5x, 2.3x y 3.2x (el 89%, 84%, y 76% del máximo teórico) usando 2, 4, y 8 GPUs en paralelo. Siendo su implementación posible hoy en dia, los nodos de cálculo con múltiples aceleradores son una alternativa atractiva para futuros sistemas CAP

Resiliency in numerical algorithm design for extreme scale simulations

This work is based on the seminar titled ‘Resiliency in Numerical Algorithm Design for Extreme Scale Simulations’ held March 1–6, 2020, at Schloss Dagstuhl, that was attended by all the authors. Advanced supercomputing is characterized by very high computation speeds at the cost of involving an enormous amount of resources and costs. A typical large-scale computation running for 48 h on a system consuming 20 MW, as predicted for exascale systems, would consume a million kWh, corresponding to about 100k Euro in energy cost for executing 1023 floating-point operations. It is clearly unacceptable to lose the whole computation if any of the several million parallel processes fails during the execution. Moreover, if a single operation suffers from a bit-flip error, should the whole computation be declared invalid? What about the notion of reproducibility itself: should this core paradigm of science be revised and refined for results that are obtained by large-scale simulation? Naive versions of conventional resilience techniques will not scale to the exascale regime: with a main memory footprint of tens of Petabytes, synchronously writing checkpoint data all the way to background storage at frequent intervals will create intolerable overheads in runtime and energy consumption. Forecasts show that the mean time between failures could be lower than the time to recover from such a checkpoint, so that large calculations at scale might not make any progress if robust alternatives are not investigated. More advanced resilience techniques must be devised. The key may lie in exploiting both advanced system features as well as specific application knowledge. Research will face two essential questions: (1) what are the reliability requirements for a particular computation and (2) how do we best design the algorithms and software to meet these requirements? While the analysis of use cases can help understand the particular reliability requirements, the construction of remedies is currently wide open. One avenue would be to refine and improve on system- or application-level checkpointing and rollback strategies in the case an error is detected. Developers might use fault notification interfaces and flexible runtime systems to respond to node failures in an application-dependent fashion. Novel numerical algorithms or more stochastic computational approaches may be required to meet accuracy requirements in the face of undetectable soft errors. These ideas constituted an essential topic of the seminar. The goal of this Dagstuhl Seminar was to bring together a diverse group of scientists with expertise in exascale computing to discuss novel ways to make applications resilient against detected and undetected faults. In particular, participants explored the role that algorithms and applications play in the holistic approach needed to tackle this challenge. This article gathers a broad range of perspectives on the role of algorithms, applications and systems in achieving resilience for extreme scale simulations. The ultimate goal is to spark novel ideas and encourage the development of concrete solutions for achieving such resilience holistically.Peer Reviewed"Article signat per 36 autors/es: Emmanuel Agullo, Mirco Altenbernd, Hartwig Anzt, Leonardo Bautista-Gomez, Tommaso Benacchio, Luca Bonaventura, Hans-Joachim Bungartz, Sanjay Chatterjee, Florina M. Ciorba, Nathan DeBardeleben, Daniel Drzisga, Sebastian Eibl, Christian Engelmann, Wilfried N. Gansterer, Luc Giraud, Dominik G ̈oddeke, Marco Heisig, Fabienne Jezequel, Nils Kohl, Xiaoye Sherry Li, Romain Lion, Miriam Mehl, Paul Mycek, Michael Obersteiner, Enrique S. Quintana-Ortiz, Francesco Rizzi, Ulrich Rude, Martin Schulz, Fred Fung, Robert Speck, Linda Stals, Keita Teranishi, Samuel Thibault, Dominik Thonnes, Andreas Wagner and Barbara Wohlmuth"Postprint (author's final draft