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

A Scalable and Adaptive Network on Chip for Many-Core Architectures

In this work, a scalable network on chip (NoC) for future many-core architectures is proposed and investigated. It supports different QoS mechanisms to ensure predictable communication. Self-optimization is introduced to adapt the energy footprint and the performance of the network to the communication requirements. A fault tolerance concept allows to deal with permanent errors. Moreover, a template-based automated evaluation and design methodology and a synthesis flow for NoCs is introduced

Aspects of Code Generation and Data Transfer Techniques for Modern Parallel Architectures

Im Bereich der Prozessorarchitekturen hat sich der Fokus neuer Entwicklungen von immer höheren Taktfrequenzen hin zu immer mehr Kernen auf einem Chip verschoben. Eine hohe Kernanzahl ermöglicht es unterschiedlich leistungsfähige Kerne anzubieten, und sogar dedizierte Kerne mit speziellen Befehlssätzen. Die Entwicklung für solch heterogene Plattformen ist herausfordernd und benötigt entsprechende Unterstützung von Entwicklungswerkzeugen, wie beispielsweise Übersetzern. Neben ihrer heterogenen Kernstruktur gibt es eine zweite Dimension, die die Entwicklung für solche Architekturen anspruchsvoll macht: ihre Speicherstruktur. Die Aufrechterhaltung von globaler Cache-Kohärenz erschwert das Erreichen hoher Kernzahlen. Hardwarebasierte Cache-Kohärenz-Protokolle skalieren entweder schlecht, oder sind kompliziert und führen zu Problemen bei Ausführungszeit und Energieeffizienz. Eine radikale Lösung dieses Problems stellt die Abschaffung der globalen Cache-Kohärenz dar. Jedoch ist es schwierig, bestehende Programmiermodelle effizient auf solch eine Hardware-Architektur mit schwachen Garantien abzubilden. Der erste Teil dieser Dissertation beschäftigt sich Datentransfertechniken für nicht-cache-kohärente Architekturen mit gemeinsamem Speicher. Diese Architekturen bieten einen gemeinsamen physikalischen Adressraum, implementieren aber keine hardwarebasierte Kohärenz zwischen allen Caches des Systems. Die logische Partitionierung des gemeinsamen Speichers ermöglicht die sichere Programmierung einer solchen Plattform. Im Allgemeinen erzeugt dies die Notwendigkeit Daten zwischen Speicherpartitionen zu kopieren. Wir untersuchen die Übersetzung für invasive Architekturen, einer Familie von nicht-cache-kohärenten Vielkernarchitekturen. Wir betrachten die effiziente Implementierung von Datentransfers sowohl einfacher als auch komplexer Datenstrukturen auf invasiven Architekturen. Insbesondere schlagen wir eine neuartige Technik zum Kopieren komplexer verzeigerter Datenstrukturen vor, die ohne Serialisierung auskommt. Hierzu verallgemeinern wir den Objekt-Klon-Ansatz mit übersetzergesteuerter automatischer software-basierter Kohärenz, sodass er auch im Kontext nicht-kohärenter Caches funktioniert. Wir präsentieren Implementierungen mehrerer Datentransfertechniken im Rahmen eines existierenden Übersetzers und seines Laufzeitsystems. Wir führen eine ausführliche Auswertung dieser Implementierungen auf einem FPGA-basierten Prototypen einer invasiven Architektur durch. Schließlich schlagen wir vor, Hardwareunterstützung für bereichsbasierte Cache-Operationen hinzuzufügen und beschreiben und bewerten mögliche Implementierungen und deren Kosten. Der zweite Teil dieser Dissertation befasst sich mit der Beschleunigung von Shuffle-Code, der bei der Registerzuteilung auftritt, durch die Verwendung von Permutationsbefehlen. Die Aufgabe der Registerzuteilung während der Programmübersetzung ist die Abbildung von Programmvariablen auf Maschinenregister. Während der Registerzuteilung erzeugt der Übersetzer Shuffle-Code, der aus Kopier- und Tauschbefehlen besteht, um Werte zwischen Registern zu transferieren. Abhängig von der Qualität der Registerzuteilung und der Zahl der verfügbaren Register kann eine große Menge an Shuffle-Code erzeugt werden. Wir schlagen vor, die Ausführung von Shuffle-Code mit Hilfe von neuartigen Permutationsbefehlen zu beschleunigen, die die Inhalte von einigen Registern in einem Taktzyklus beliebig permutieren. Um die Machbarkeit dieser Idee zu demonstrieren, erweitern wir zunächst ein bestehendes RISC-Befehlsformat um Permutationsbefehle. Anschließend beschreiben wir, wie die vorgeschlagenen Permutationsbefehle in einer bestehenden RISC-Architektur implementiert werden können. Dann entwickeln wir zwei Verfahren zur Codeerzeugung, die die Permutationsbefehle ausnutzen, um Shuffle-Code zu beschleunigen: eine schnelle Heuristik und einen auf dynamischer Programmierung basierenden optimalen Ansatz. Wir beweisen Qualitäts- und Korrektheitseingeschaften beider Ansätze und zeigen die Optimalität des zweiten Ansatzes. Im Folgenden implementieren wir beide Codeerzeugungsverfahren in einem Übersetzer und untersuchen sowie vergleichen deren Codequalität ausführlich mit Hilfe standardisierter Benchmarks. Zunächst messen wir die genaue Zahl der dynamisch ausgeführten Befehle, welche wir folgend validieren, indem wir Programmlaufzeiten auf einer FPGA-basierten Prototypimplementierung der um Permutationsbefehle erweiterten RISC-Architektur messen. Schließlich argumentieren wir, dass Permutationsbefehle auf modernen Out-Of-Order-Prozessorarchitekturen, die bereits Registerumbenennung unterstützen, mit wenig Aufwand implementierbar sind

Scalable Task Schedulers for Many-Core Architectures

This thesis develops schedulers for many-cores with different optimization objectives. The proposed schedulers are designed to be scale up as the number of cores in many-cores increase while continuing to provide guarantees on the quality of the schedule