A fast input/output library for high-resolution climate models

We describe the design and implementation of climate fast input/output (CFIO), a fast input/output (I/O) library for high-resolution climate models. CFIO provides a simple method for modelers to overlap the I/O phase with the computing phase automatically, so as to shorten the running time of numerical simulations. To minimize the code modifications required for porting, CFIO provides similar interfaces and features to parallel Network Common Data Form (PnetCDF), which is one of the most widely used I/O libraries in climate models. We deployed CFIO in three high-resolution climate models, including two ocean models (POP and LICOM) and one sea ice model (CICE). The experimental results show that CFIO improves the performance of climate models significantly versus the original serial I/O approach. When running with CFIO at 0.1° resolution with about 1000 CPU cores, we managed to reduce the running time by factors of 7.9, 4.6 and 2.0 for POP, CICE, and LICOM, respectively. We also compared the performance of CFIO against two existing libraries, PnetCDF and parallel I/O (PIO), in different scenarios. For scenarios with both data output and computations, CFIO decreases the I/O overhead compared to PnetCDF and PIO

ParaView + Alya + D8tree: Integrating high performance computing and high performance data analytics

Large scale time-dependent particle simulations can generate massive amounts of data, making it so that storing the results is often the slowest phase and the primary time bottleneck of the simulation. Furthermore, analysing this amount of data with traditional tools has become increasingly challenging, and it is often virtually impossible to have a visual representation of the full set. We propose a novel architecture that integrates an HPC-based multi-physics simulation code, a NoSQL database, and a data analysis and visualisation application. The goals are two: On the one hand, we aim to speed up the simulations taking advantage of the scalability of key-value data stores, while at the same time enabling real-time approximated data visualisation and interactive exploration. On the other hand, we want to make it efficient to explore and analyse the large data base of results produced. Therefore, this work represents a clear example of integrating High Performance Computing with High Performance Data Analytics. Our prototype proves the validity of our approach and shows great performance improvements. Indeed, we reduced by 67.5% the time to store the simulation while we made real-time queries run 52 times faster than alternative solutions.This work has received funding from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No 720270 (HBP SGA1). It is also partially supported by the grant SEV-2011-00067 of Severo Ochoa Program, the TIN2015-65316-P project, with funding from the Spanish Ministry of Economy and Competitivity, the European Union FEDER funds, and the SGR 2014-SGR-1051.Peer ReviewedPostprint (published version

An Implementation and Evaluation of Client-Side File Caching for MPI-IO

Client-side file caching has long been recognized as a file system enhancement to reduce the amount of data transfer between application processes and I/O servers. However, caching also introduces cache coherence problems when a file is simultaneously accessed by multiple processes. Ex-isting coherence controls tend to treat the client processes independently and ignore the aggregate I/O access pattern. This causes a serious performance degradation for paral-lel I/O applications. In our earlier work, we proposed a caching system that enables cooperation among applica-tion processes in performing client-side file caching. The caching system has since been integrated into the MPI-IO library. In this paper we discuss our new implementation and present an extended performance evaluation on GPFS and Lustre parallel file systems. In addition to compar-ing our methods to traditional approaches, we examine the performance of MPI-IO caching under direct I/O mode to bypass the underlying file system cache. We also investi-gate the performance impact of two file domain partition-ing methods to MPI collective I/O operations: one which creates a balanced workload and the other which aligns accesses to the file system stripe size. In our experiments, alignment results in better performance by reducing file lock contention. When the cache page size is set to a multiple of the stripe size, MPI-IO caching inherits the same advantage and produces significantly improved I/O bandwidth. 1

MPI-IO GPFS, an optimized implementation of MPI-IO on top of GPFS

MPI-IO/GPFS is an optimized prototype implementation of the I/O chapter of the Message Passing Interface (MPI) 2 standard. It uses the IBM General Parallel File System (GPFS) Release 3 as the underlying file system. This paper describes optimization features of the prototype that take advantage of new GPFS programming interfaces. It also details how collective data access operations have been optimized by minimizing the number of messages exchanged in sparse accesses and by increasing the overlap of communication with file access. Experimental results show a performance gain. A study of the impact of varying the number of tasks running on the same node is also presented. Keywords: MPI-IO, GPFS, file hints, prefetching, data shipping, double buffering, performance, optimization, benchmark, SMP node

Simulation-Aided Performance Evaluation of Input/Output Optimizations for Distributed Systems

The performance of parallel cluster file systems suffers from many clients executing a large number of operations in parallel, because the I/O subsystem can be easily overwhelmed by the sheer amount of incoming I/O operations. This, in turn, can slow down the whole distributed system. Many optimizations exist that try to alleviate this problem. Client-side optimizations do preprocessing to minimize the amount of work the file servers have to do. Server-side optimizations use server-internal knowledge to improve performance. The PIOsimHD framework contains components to simulate, trace and visualize applications. It is used as a testbed to implement optimizations that could later be implemented in real-life projects. The main focus of this thesis lies on comparing existing client-side optimizations and newly implemented server-side optimizations like Server-Directed I/O, which provides server-side optimizations for both read and write operations. It chooses the order of I/O operations and tries to aggregate as many operations as possible to decrease the load on the I/O subsystem and improve overall performance. The Interleaved Two-Phase protocol is a modification of ROMIO's Two-Phase protocol, which only accesses contiguous file regions. HDSunshot is used to visualize and analyze some of the results. It is also used to evaluate different optimization techniques by analyzing the resulting traces. The results show that client-side optimizations do not necessarily beat server-side optimizations in terms of performance, but suggest that even simple server-side optimizations are good enough for many use cases. Integrating such optimizations into parallel cluster file systems could alleviate the need for sophisticated client-side optimizations. Due to their additional knowledge of internal workflows server-side optimizations may be better suited to provide high performance in general

Temporal Lossy In-Situ Compression for Computational Fluid Dynamics Simulations

Während CFD Simulationen für Metallschmelze im Rahmen des SFB920 fallen auf dem Taurus HPC Cluster in Dresden sehr große Datenmengen an, deren Handhabung den wissenschaftlichen Arbeitsablauf stark verlangsamen. Zum einen ist der Transfer in Visualisierungssysteme nur unter hohem Zeitaufwand möglich. Zum anderen ist interaktive Analyse von zeitlich abhängigen Prozessen auf Grund des Speicherflaschenhalses nahezu unmöglich. Aus diesen Gründen beschäftigt sich die vorliegende Dissertation mit der Entwicklung sog. Temporaler In-Situ Kompression für wissenschaftliche Daten direkt innerhalb von CFD Simulationen. Dabei werden mittels neuer Quantisierungsverfahren die Daten auf ~10% komprimiert, wobei dekomprimierte Daten einen Fehler von maximal 1% aufweisen. Im Gegensatz zu nicht-temporaler Kompression, wird bei temporaler Kompression der Unterschied zwischen Zeitschritten komprimiert, um den Kompressionsgrad zu erhöhen. Da die Datenmenge um ein Vielfaches kleiner ist, werden Kosten für die Speicherung und die Übertragung gesenkt. Da Kompression, Transfer und Dekompression bis zu 4 mal schneller ablaufen als der Transfer von unkomprimierten Daten, wird der wissenschaftliche Arbeitsablauf beschleunigt

A framework for multidimensional indexes on distributed and highly-available data stores

Spatial Big Data is considered an essential trend in future scientific and business applications. Indeed, research instruments, medical devices, and social networks generate hundreds of peta bytes of spatial data per year. However, as many authors have pointed out, the lack of specialized frameworks dealing with such kind of data is limiting possible applications and probably precluding many scientific breakthroughs. In this thesis, we describe three HPC scientific applications, ranging from molecular dynamics, neuroscience analysis, and physics simulations, where we experience first hand the limits of the existing technologies. Thanks to our experience, we define the desirable missing functionalities, and we focus on two features that when combined significantly improve the way scientific data is analyzed. On one side, scientific simulations generate complex datasets where multiple correlated characteristics describe each item. For instance, a particle might have a space position (x,y,z) at a given time (t). If we want to find all elements within the same area and period, we either have to scan the whole dataset, or we must organize the data so that all items in the same space and time are stored together. The second approach is called Multidimensional Indexing (MI), and it uses different techniques to cluster and to organize similar data together. On the other side, approximate analytics has been often indicated as a smart and flexible way to explore large datasets in a short period. Approximate analytics includes a broad family of algorithms which aims to speed up analytical workloads by relaxing the precision of the results within a specific interval of confidence. For instance, if we want to know the average age in a group with 1-year precision, we can consider just a random fraction of all the people, thus reducing the amount of calculation. But if we also want less I/O operations, we need efficient data sampling, which means organizing data in a way that we do not need to scan the whole data set to generate a random sample of it. According to our analysis, combining Multidimensional Indexing with efficient data Sampling (MIS) is a vital missing feature not available in the current distributed data management solutions. This thesis aims to solve such a shortcoming and it provides novel scalable solutions. At first, we describe the existing data management alternatives; then we motivate our preference for NoSQL key-value databases. Secondly, we propose an analytical model to study the influence of data models on the scalability and performance of this kind of distributed database. Thirdly, we use the analytical model to design two novel multidimensional indexes with efficient data sampling: the D8tree and the AOTree. Our first solution, the D8tree, improves state of the art for approximate spatial queries on static and mostly read dataset. Later, we enhanced the data ingestion capability or our approach by introducing the AOTree, an algorithm that enables the query performance of the D8tree even for HPC write-intensive applications. We compared our solution with PostgreSQL and plain storage, and we demonstrate that our proposal has better performance and scalability. Finally, we describe Qbeast, the novel distributed system that implements the D8tree and the AOTree using NoSQL technologies, and we illustrate how Qbeast simplifies the workflow of scientists in various HPC applications providing a scalable and integrated solution for data analysis and management.La gestión de BigData con información espacial está considerada como una tendencia esencial en el futuro de las aplicaciones científicas y de negocio. De hecho, se generan cientos de petabytes de datos espaciales por año mediante instrumentos de investigación, dispositivos médicos y redes sociales. Sin embargo, tal y como muchos autores han señalado, la falta de entornos especializados en manejar este tipo de datos está limitando sus posibles aplicaciones y está impidiendo muchos avances científicos. En esta tesis, describimos 3 aplicaciones científicas HPC, que cubren los ámbitos de dinámica molecular, análisis neurocientífico y simulaciones físicas, donde hemos experimentado en primera mano las limitaciones de las tecnologías existentes. Gracias a nuestras experiencias, hemos podido definir qué funcionalidades serían deseables y no existen, y nos hemos centrado en dos características que, al combinarlas, mejoran significativamente la manera en la que se analizan los datos científicos. Por un lado, las simulaciones científicas generan conjuntos de datos complejos, en los que cada elemento es descrito por múltiples características correlacionadas. Por ejemplo, una partícula puede tener una posición espacial (x, y, z) en un momento dado (t). Si queremos encontrar todos los elementos dentro de la misma área y periodo, o bien recorremos y analizamos todo el conjunto de datos, o bien organizamos los datos de manera que se almacenen juntos todos los elementos que comparten área en un momento dado. Esta segunda opción se conoce como Indexación Multidimensional (IM) y usa diferentes técnicas para agrupar y organizar datos similares. Por otro lado, se suele señalar que las analíticas aproximadas son una manera inteligente y flexible de explorar grandes conjuntos de datos en poco tiempo. Este tipo de analíticas incluyen una amplia familia de algoritmos que acelera el tiempo de procesado, relajando la precisión de los resultados dentro de un determinado intervalo de confianza. Por ejemplo, si queremos saber la edad media de un grupo con precisión de un año, podemos considerar sólo un subconjunto aleatorio de todas las personas, reduciendo así la cantidad de cálculo. Pero si además queremos menos operaciones de entrada/salida, necesitamos un muestreo eficiente de datos, que implica organizar los datos de manera que no necesitemos recorrerlos todos para generar una muestra aleatoria. De acuerdo con nuestros análisis, la combinación de Indexación Multidimensional con Muestreo eficiente de datos (IMM) es una característica vital que no está disponible en las soluciones actuales de gestión distribuida de datos. Esta tesis pretende resolver esta limitación y proporciona unas soluciones novedosas que son escalables. En primer lugar, describimos las alternativas de gestión de datos que existen y motivamos nuestra preferencia por las bases de datos NoSQL basadas en clave-valor. En segundo lugar, proponemos un modelo analítico para estudiar la influencia que tienen los modelos de datos sobre la escalabilidad y el rendimiento de este tipo de bases de datos distribuidas. En tercer lugar, usamos el modelo analítico para diseñar dos novedosos algoritmos IMM: el D8tree y el AOTree. Nuestra primera solución, el D8tree, mejora el estado del arte actual para consultas espaciales aproximadas, cuando el conjunto de datos es estático y mayoritariamente de lectura. Después, mejoramos la capacidad de ingestión introduciendo el AOTree, un algoritmo que conserva el rendimiento del D8tree incluso para aplicaciones HPC intensivas en escritura. Hemos comparado nuestra solución con PostgreSQL y almacenamiento plano demostrando que nuestra propuesta mejora tanto el rendimiento como la escalabilidad. Finalmente, describimos Qbeast, el sistema que implementa los algoritmos D8tree y AOTree, e ilustramos cómo Qbeast simplifica el flujo de trabajo de los científicos ofreciendo una solución escalable e integraPostprint (published version

Optimización de la Entrada Salida mediante librerías y lenguajes paralelos

Uno de los grandes retos de la HPC (High Performance Computing) consiste en optimizar el subsistema de Entrada/Salida, (E/S), o I/O (Input/Output). Ken Batcher resume este hecho en la siguiente frase: "Un supercomputador es un dispositivo que convierte los problemas limitados por la potencia de cálculo en problemas limitados por la E/S" ("A Supercomputer is a device for turning compute-bound problems into I/O-bound problems") . En otras palabras, el cuello de botella ya no reside tanto en el procesamiento de los datos como en la disponibilidad de los mismos. Además, este problema se exacerbará con la llegada del Exascale y la popularización de las aplicaciones Big Data. En este contexto, esta tesis contribuye a mejorar el rendimiento y la facilidad de uso del subsistema de E/S de los sistemas de supercomputación. Principalmente se proponen dos contribuciones al respecto: i) una interfaz de E/S desarrollada para el lenguaje Chapel que mejora la productividad del programador a la hora de codificar las operaciones de E/S; y ii) una implementación optimizada del almacenamiento de datos de secuencias genéticas. Con más detalle, la primera contribución estudia y analiza distintas optimizaciones de la E/S en Chapel, al tiempo que provee a los usuarios de una interfaz simple para el acceso paralelo y distribuido a los datos contenidos en ficheros. Por tanto, contribuimos tanto a aumentar la productividad de los desarrolladores, como a que la implementación sea lo más óptima posible. La segunda contribución también se enmarca dentro de los problemas de E/S, pero en este caso se centra en mejorar el almacenamiento de los datos de secuencias genéticas, incluyendo su compresión, y en permitir un uso eficiente de esos datos por parte de las aplicaciones existentes, permitiendo una recuperación eficiente tanto de forma secuencial como aleatoria. Adicionalmente, proponemos una implementación paralela basada en Chapel

A framework for multidimensional indexes on distributed and highly-available data stores

Spatial Big Data is considered an essential trend in future scientific and business applications. Indeed, research instruments, medical devices, and social networks generate hundreds of peta bytes of spatial data per year. However, as many authors have pointed out, the lack of specialized frameworks dealing with such kind of data is limiting possible applications and probably precluding many scientific breakthroughs. In this thesis, we describe three HPC scientific applications, ranging from molecular dynamics, neuroscience analysis, and physics simulations, where we experience first hand the limits of the existing technologies. Thanks to our experience, we define the desirable missing functionalities, and we focus on two features that when combined significantly improve the way scientific data is analyzed. On one side, scientific simulations generate complex datasets where multiple correlated characteristics describe each item. For instance, a particle might have a space position (x,y,z) at a given time (t). If we want to find all elements within the same area and period, we either have to scan the whole dataset, or we must organize the data so that all items in the same space and time are stored together. The second approach is called Multidimensional Indexing (MI), and it uses different techniques to cluster and to organize similar data together. On the other side, approximate analytics has been often indicated as a smart and flexible way to explore large datasets in a short period. Approximate analytics includes a broad family of algorithms which aims to speed up analytical workloads by relaxing the precision of the results within a specific interval of confidence. For instance, if we want to know the average age in a group with 1-year precision, we can consider just a random fraction of all the people, thus reducing the amount of calculation. But if we also want less I/O operations, we need efficient data sampling, which means organizing data in a way that we do not need to scan the whole data set to generate a random sample of it. According to our analysis, combining Multidimensional Indexing with efficient data Sampling (MIS) is a vital missing feature not available in the current distributed data management solutions. This thesis aims to solve such a shortcoming and it provides novel scalable solutions. At first, we describe the existing data management alternatives; then we motivate our preference for NoSQL key-value databases. Secondly, we propose an analytical model to study the influence of data models on the scalability and performance of this kind of distributed database. Thirdly, we use the analytical model to design two novel multidimensional indexes with efficient data sampling: the D8tree and the AOTree. Our first solution, the D8tree, improves state of the art for approximate spatial queries on static and mostly read dataset. Later, we enhanced the data ingestion capability or our approach by introducing the AOTree, an algorithm that enables the query performance of the D8tree even for HPC write-intensive applications. We compared our solution with PostgreSQL and plain storage, and we demonstrate that our proposal has better performance and scalability. Finally, we describe Qbeast, the novel distributed system that implements the D8tree and the AOTree using NoSQL technologies, and we illustrate how Qbeast simplifies the workflow of scientists in various HPC applications providing a scalable and integrated solution for data analysis and management.La gestión de BigData con información espacial está considerada como una tendencia esencial en el futuro de las aplicaciones científicas y de negocio. De hecho, se generan cientos de petabytes de datos espaciales por año mediante instrumentos de investigación, dispositivos médicos y redes sociales. Sin embargo, tal y como muchos autores han señalado, la falta de entornos especializados en manejar este tipo de datos está limitando sus posibles aplicaciones y está impidiendo muchos avances científicos. En esta tesis, describimos 3 aplicaciones científicas HPC, que cubren los ámbitos de dinámica molecular, análisis neurocientífico y simulaciones físicas, donde hemos experimentado en primera mano las limitaciones de las tecnologías existentes. Gracias a nuestras experiencias, hemos podido definir qué funcionalidades serían deseables y no existen, y nos hemos centrado en dos características que, al combinarlas, mejoran significativamente la manera en la que se analizan los datos científicos. Por un lado, las simulaciones científicas generan conjuntos de datos complejos, en los que cada elemento es descrito por múltiples características correlacionadas. Por ejemplo, una partícula puede tener una posición espacial (x, y, z) en un momento dado (t). Si queremos encontrar todos los elementos dentro de la misma área y periodo, o bien recorremos y analizamos todo el conjunto de datos, o bien organizamos los datos de manera que se almacenen juntos todos los elementos que comparten área en un momento dado. Esta segunda opción se conoce como Indexación Multidimensional (IM) y usa diferentes técnicas para agrupar y organizar datos similares. Por otro lado, se suele señalar que las analíticas aproximadas son una manera inteligente y flexible de explorar grandes conjuntos de datos en poco tiempo. Este tipo de analíticas incluyen una amplia familia de algoritmos que acelera el tiempo de procesado, relajando la precisión de los resultados dentro de un determinado intervalo de confianza. Por ejemplo, si queremos saber la edad media de un grupo con precisión de un año, podemos considerar sólo un subconjunto aleatorio de todas las personas, reduciendo así la cantidad de cálculo. Pero si además queremos menos operaciones de entrada/salida, necesitamos un muestreo eficiente de datos, que implica organizar los datos de manera que no necesitemos recorrerlos todos para generar una muestra aleatoria. De acuerdo con nuestros análisis, la combinación de Indexación Multidimensional con Muestreo eficiente de datos (IMM) es una característica vital que no está disponible en las soluciones actuales de gestión distribuida de datos. Esta tesis pretende resolver esta limitación y proporciona unas soluciones novedosas que son escalables. En primer lugar, describimos las alternativas de gestión de datos que existen y motivamos nuestra preferencia por las bases de datos NoSQL basadas en clave-valor. En segundo lugar, proponemos un modelo analítico para estudiar la influencia que tienen los modelos de datos sobre la escalabilidad y el rendimiento de este tipo de bases de datos distribuidas. En tercer lugar, usamos el modelo analítico para diseñar dos novedosos algoritmos IMM: el D8tree y el AOTree. Nuestra primera solución, el D8tree, mejora el estado del arte actual para consultas espaciales aproximadas, cuando el conjunto de datos es estático y mayoritariamente de lectura. Después, mejoramos la capacidad de ingestión introduciendo el AOTree, un algoritmo que conserva el rendimiento del D8tree incluso para aplicaciones HPC intensivas en escritura. Hemos comparado nuestra solución con PostgreSQL y almacenamiento plano demostrando que nuestra propuesta mejora tanto el rendimiento como la escalabilidad. Finalmente, describimos Qbeast, el sistema que implementa los algoritmos D8tree y AOTree, e ilustramos cómo Qbeast simplifica el flujo de trabajo de los científicos ofreciendo una solución escalable e integr