Minimizing Energy Consumption of MPI Programs in Realistic Environment

Dynamic voltage and frequency scaling proves to be an efficient way of reducing energy consumption of servers. Energy savings are typically achieved by setting a well-chosen frequency during some program phases. However, determining suitable program phases and their associated optimal frequencies is a complex problem. Moreover, hardware is constrained by non negligible frequency transition latencies. Thus, various heuristics were proposed to determine and apply frequencies, but evaluating their efficiency remains an issue. In this paper, we translate the energy minimization problem into a mixed integer program that specifically models most current hardware limitations. The problem solution then estimates the minimal energy consumption and the associated frequency schedule. The paper provides two different formulations and a discussion on the feasibility of each of them on realistic applications

Collective Mind, Part II: technical report

Nowadays, engineers have to develop software often without even knowing which hardware it will eventually run on in numerous mobile phones, tablets, laptops, data centers, supercomputers and cloud services. Unfortunately, optimizing compilers often fail to produce fast and energy efficient code across all hardware configurations. In this technical report, we present the first to our knowledge practical, collaborative, publicly available and Wikipedia-inspired solution to this problem based on our recent Collective Mind Infrastructure and Repository

Towards resource-aware computing for task-based runtimes and parallel architectures

Current large scale systems show increasing power demands, to the point that it has become a huge strain on facilities and budgets. The increasing restrictions in terms of power consumption of High Performance Computing (HPC) systems and data centers have forced hardware vendors to include power capping capabilities in their commodity processors. Power capping opens up new opportunities for applications to directly manage their power behavior at user level. However, constraining power consumption causes the individual sockets of a parallel system to deliver different performance levels under the same power cap, even when they are equally designed, which is an effect caused by manufacturing variability. Modern chips suffer from heterogeneous power consumption due to manufacturing issues, a problem known as manufacturing or process variability. As a result, systems that do not consider such variability caused by manufacturing issues lead to performance degradations and wasted power. In order to avoid such negative impact, users and system administrators must actively counteract any manufacturing variability. In this thesis we show that parallel systems benefit from taking into account the consequences of manufacturing variability, in terms of both performance and energy efficiency. In order to evaluate our work we have also implemented our own task-based version of the PARSEC benchmark suite. This allows to test our methodology using state-of-the-art parallelization techniques and real world workloads. We present two approaches to mitigate manufacturing variability, by power redistribution at runtime level and by power- and variability-aware job scheduling at system-wide level. A parallel runtime system can be used to effectively deal with this new kind of performance heterogeneity by compensating the uneven effects of power capping. In the context of a NUMA node composed of several multi core sockets, our system is able to optimize the energy and concurrency levels assigned to each socket to maximize performance. Applied transparently within the parallel runtime system, it does not require any programmer interaction like changing the application source code or manually reconfiguring the parallel system. We compare our novel runtime analysis with an offline approach and demonstrate that it can achieve equal performance at a fraction of the cost. The next approach presented in this theis, we show that it is possible to predict the impact of this variability on specific applications by using variability-aware power prediction models. Based on these power models, we propose two job scheduling policies that consider the effects of manufacturing variability for each application and that ensures that power consumption stays under a system wide power budget. We evaluate our policies under different power budgets and traffic scenarios, consisting of both single- and multi-node parallel applications.Los sistemas modernos de gran escala muestran crecientes demandas de energía, hasta el punto de que se ha convertido en una gran presión para las instalaciones y los presupuestos. Las restricciones crecientes de consumo de energía de los sistemas de alto rendimiento (HPC) y los centros de datos han obligado a los proveedores de hardware a incluir capacidades de limitación de energía en sus procesadores. La limitación de energía abre nuevas oportunidades para que las aplicaciones administren directamente su comportamiento de energía a nivel de usuario. Sin embargo, la restricción en el consumo de energía de sockets individuales de un sistema paralelo resulta en diferentes niveles de rendimiento, por el mismo límite de potencia, incluso cuando están diseñados por igual. Esto es un efecto causado durante el proceso de la fabricación. Los chips modernos sufren de un consumo de energía heterogéneo debido a problemas de fabricación, un problema conocido como variabilidad del proceso o fabricación. Como resultado, los sistemas que no consideran este tipo de variabilidad causada por problemas de fabricación conducen a degradaciones del rendimiento y desperdicio de energía. Para evitar dicho impacto negativo, los usuarios y administradores del sistema deben contrarrestar activamente cualquier variabilidad de fabricación. En esta tesis, demostramos que los sistemas paralelos se benefician de tener en cuenta las consecuencias de la variabilidad de la fabricación, tanto en términos de rendimiento como de eficiencia energética. Para evaluar nuestro trabajo, también hemos implementado nuestra propia versión del paquete de aplicaciones de prueba PARSEC, basada en tareas paralelos. Esto permite probar nuestra metodología utilizando técnicas avanzadas de paralelización con cargas de trabajo del mundo real. Presentamos dos enfoques para mitigar la variabilidad de fabricación, mediante la redistribución de la energía a durante la ejecución de las aplicaciones y mediante la programación de trabajos a nivel de todo el sistema. Se puede utilizar un sistema runtime paralelo para tratar con eficacia este nuevo tipo de heterogeneidad de rendimiento, compensando los efectos desiguales de la limitación de potencia. En el contexto de un nodo NUMA compuesto de varios sockets y núcleos, nuestro sistema puede optimizar los niveles de energía y concurrencia asignados a cada socket para maximizar el rendimiento. Aplicado de manera transparente dentro del sistema runtime paralelo, no requiere ninguna interacción del programador como cambiar el código fuente de la aplicación o reconfigurar manualmente el sistema paralelo. Comparamos nuestro novedoso análisis de runtime con los resultados óptimos, obtenidos de una análisis manual exhaustiva, y demostramos que puede lograr el mismo rendimiento a una fracción del costo. El siguiente enfoque presentado en esta tesis, muestra que es posible predecir el impacto de la variabilidad de fabricación en aplicaciones específicas mediante el uso de modelos de predicción de potencia conscientes de la variabilidad. Basados ​​en estos modelos de predicción de energía, proponemos dos políticas de programación de trabajos que consideran los efectos de la variabilidad de fabricación para cada aplicación y que aseguran que el consumo se mantiene bajo un presupuesto de energía de todo el sistema. Evaluamos nuestras políticas con diferentes presupuestos de energía y escenarios de tráfico, que consisten en aplicaciones paralelas que corren en uno o varios nodos.Postprint (published version

Towards resource-aware computing for task-based runtimes and parallel architectures

Current large scale systems show increasing power demands, to the point that it has become a huge strain on facilities and budgets. The increasing restrictions in terms of power consumption of High Performance Computing (HPC) systems and data centers have forced hardware vendors to include power capping capabilities in their commodity processors. Power capping opens up new opportunities for applications to directly manage their power behavior at user level. However, constraining power consumption causes the individual sockets of a parallel system to deliver different performance levels under the same power cap, even when they are equally designed, which is an effect caused by manufacturing variability. Modern chips suffer from heterogeneous power consumption due to manufacturing issues, a problem known as manufacturing or process variability. As a result, systems that do not consider such variability caused by manufacturing issues lead to performance degradations and wasted power. In order to avoid such negative impact, users and system administrators must actively counteract any manufacturing variability. In this thesis we show that parallel systems benefit from taking into account the consequences of manufacturing variability, in terms of both performance and energy efficiency. In order to evaluate our work we have also implemented our own task-based version of the PARSEC benchmark suite. This allows to test our methodology using state-of-the-art parallelization techniques and real world workloads. We present two approaches to mitigate manufacturing variability, by power redistribution at runtime level and by power- and variability-aware job scheduling at system-wide level. A parallel runtime system can be used to effectively deal with this new kind of performance heterogeneity by compensating the uneven effects of power capping. In the context of a NUMA node composed of several multi core sockets, our system is able to optimize the energy and concurrency levels assigned to each socket to maximize performance. Applied transparently within the parallel runtime system, it does not require any programmer interaction like changing the application source code or manually reconfiguring the parallel system. We compare our novel runtime analysis with an offline approach and demonstrate that it can achieve equal performance at a fraction of the cost. The next approach presented in this theis, we show that it is possible to predict the impact of this variability on specific applications by using variability-aware power prediction models. Based on these power models, we propose two job scheduling policies that consider the effects of manufacturing variability for each application and that ensures that power consumption stays under a system wide power budget. We evaluate our policies under different power budgets and traffic scenarios, consisting of both single- and multi-node parallel applications.Los sistemas modernos de gran escala muestran crecientes demandas de energía, hasta el punto de que se ha convertido en una gran presión para las instalaciones y los presupuestos. Las restricciones crecientes de consumo de energía de los sistemas de alto rendimiento (HPC) y los centros de datos han obligado a los proveedores de hardware a incluir capacidades de limitación de energía en sus procesadores. La limitación de energía abre nuevas oportunidades para que las aplicaciones administren directamente su comportamiento de energía a nivel de usuario. Sin embargo, la restricción en el consumo de energía de sockets individuales de un sistema paralelo resulta en diferentes niveles de rendimiento, por el mismo límite de potencia, incluso cuando están diseñados por igual. Esto es un efecto causado durante el proceso de la fabricación. Los chips modernos sufren de un consumo de energía heterogéneo debido a problemas de fabricación, un problema conocido como variabilidad del proceso o fabricación. Como resultado, los sistemas que no consideran este tipo de variabilidad causada por problemas de fabricación conducen a degradaciones del rendimiento y desperdicio de energía. Para evitar dicho impacto negativo, los usuarios y administradores del sistema deben contrarrestar activamente cualquier variabilidad de fabricación. En esta tesis, demostramos que los sistemas paralelos se benefician de tener en cuenta las consecuencias de la variabilidad de la fabricación, tanto en términos de rendimiento como de eficiencia energética. Para evaluar nuestro trabajo, también hemos implementado nuestra propia versión del paquete de aplicaciones de prueba PARSEC, basada en tareas paralelos. Esto permite probar nuestra metodología utilizando técnicas avanzadas de paralelización con cargas de trabajo del mundo real. Presentamos dos enfoques para mitigar la variabilidad de fabricación, mediante la redistribución de la energía a durante la ejecución de las aplicaciones y mediante la programación de trabajos a nivel de todo el sistema. Se puede utilizar un sistema runtime paralelo para tratar con eficacia este nuevo tipo de heterogeneidad de rendimiento, compensando los efectos desiguales de la limitación de potencia. En el contexto de un nodo NUMA compuesto de varios sockets y núcleos, nuestro sistema puede optimizar los niveles de energía y concurrencia asignados a cada socket para maximizar el rendimiento. Aplicado de manera transparente dentro del sistema runtime paralelo, no requiere ninguna interacción del programador como cambiar el código fuente de la aplicación o reconfigurar manualmente el sistema paralelo. Comparamos nuestro novedoso análisis de runtime con los resultados óptimos, obtenidos de una análisis manual exhaustiva, y demostramos que puede lograr el mismo rendimiento a una fracción del costo. El siguiente enfoque presentado en esta tesis, muestra que es posible predecir el impacto de la variabilidad de fabricación en aplicaciones específicas mediante el uso de modelos de predicción de potencia conscientes de la variabilidad. Basados ​​en estos modelos de predicción de energía, proponemos dos políticas de programación de trabajos que consideran los efectos de la variabilidad de fabricación para cada aplicación y que aseguran que el consumo se mantiene bajo un presupuesto de energía de todo el sistema. Evaluamos nuestras políticas con diferentes presupuestos de energía y escenarios de tráfico, que consisten en aplicaciones paralelas que corren en uno o varios nodos

3rd Many-core Applications Research Community (MARC) Symposium. (KIT Scientific Reports ; 7598)

This manuscript includes recent scientific work regarding the Intel Single Chip Cloud computer and describes approaches for novel approaches for programming and run-time organization

Proceedings of the First PhD Symposium on Sustainable Ultrascale Computing Systems (NESUS PhD 2016)

Proceedings of the First PhD Symposium on Sustainable Ultrascale Computing Systems (NESUS PhD 2016) Timisoara, Romania. February 8-11, 2016.The PhD Symposium was a very good opportunity for the young researchers to share information and knowledge, to present their current research, and to discuss topics with other students in order to look for synergies and common research topics. The idea was very successful and the assessment made by the PhD Student was very good. It also helped to achieve one of the major goals of the NESUS Action: to establish an open European research network targeting sustainable solutions for ultrascale computing aiming at cross fertilization among HPC, large scale distributed systems, and big data management, training, contributing to glue disparate researchers working across different areas and provide a meeting ground for researchers in these separate areas to exchange ideas, to identify synergies, and to pursue common activities in research topics such as sustainable software solutions (applications and system software stack), data management, energy efficiency, and resilience.European Cooperation in Science and Technology. COS

Application-level Fault Tolerance and Resilience in HPC Applications

Programa Oficial de Doutoramento en Investigación en Tecnoloxías da Información. 524V01[Resumo] As necesidades computacionais das distintas ramas da ciencia medraron enormemente nos últimos anos, o que provocou un gran crecemento no rendemento proporcionado polos supercomputadores. Cada vez constrúense sistemas de computación de altas prestacións de maior tamaño, con máis recursos hardware de distintos tipos, o que fai que as taxas de fallo destes sistemas tamén medren. Polo tanto, o estudo de técnicas de tolerancia a fallos eficientes é indispensábel para garantires que os programas científicos poidan completar a súa execución, evitando ademais que se dispare o consumo de enerxía. O checkpoint/restart é unha das técnicas máis populares. Sen embargo, a maioría da investigación levada a cabo nas últimas décadas céntrase en estratexias stop-and-restart para aplicacións de memoria distribuída tralo acontecemento dun fallo-parada. Esta tese propón técnicas checkpoint/restart a nivel de aplicación para os modelos de programación paralela roáis populares en supercomputación. Implementáronse protocolos de checkpointing para aplicacións híbridas MPI-OpenMP e aplicacións heteroxéneas baseadas en OpenCL, en ámbolos dous casos prestando especial coidado á portabilidade e maleabilidade da solución. En canto a aplicacións de memoria distribuída, proponse unha solución de resiliencia que pode ser empregada de forma xenérica en aplicacións MPI SPMD, permitindo detectar e reaccionar a fallos-parada sen abortar a execución. Neste caso, os procesos fallidos vólvense a lanzar e o estado da aplicación recupérase cunha volta atrás global. A maiores, esta solución de resiliencia optimizouse implementando unha volta atrás local, na que só os procesos fallidos volven atrás, empregando un protocolo de almacenaxe de mensaxes para garantires a consistencia e o progreso da execución. Por último, propónse a extensión dunha librería de checkpointing para facilitares a implementación de estratexias de recuperación ad hoc ante conupcións de memoria. En moitas ocasións, estos erros poden ser xestionados a nivel de aplicación, evitando desencadear un fallo-parada e permitindo unha recuperación máis eficiente.[Resumen] El rápido aumento de las necesidades de cómputo de distintas ramas de la ciencia ha provocado un gran crecimiento en el rendimiento ofrecido por los supercomputadores. Cada vez se construyen sistemas de computación de altas prestaciones mayores, con más recursos hardware de distintos tipos, lo que hace que las tasas de fallo del sistema aumenten. Por tanto, el estudio de técnicas de tolerancia a fallos eficientes resulta indispensable para garantizar que los programas científicos puedan completar su ejecución, evitando además que se dispare el consumo de energía. La técnica checkpoint/restart es una de las más populares. Sin embargo, la mayor parte de la investigación en este campo se ha centrado en estrategias stop-and-restart para aplicaciones de memoria distribuida tras la ocurrencia de fallos-parada. Esta tesis propone técnicas checkpoint/restart a nivel de aplicación para los modelos de programación paralela más populares en supercomputación. Se han implementado protocolos de checkpointing para aplicaciones híbridas MPI-OpenMP y aplicaciones heterogéneas basadas en OpenCL, prestando en ambos casos especial atención a la portabilidad y la maleabilidad de la solución. Con respecto a aplicaciones de memoria distribuida, se propone una solución de resiliencia que puede ser usada de forma genérica en aplicaciones MPI SPMD, permitiendo detectar y reaccionar a fallosparada sin abortar la ejecución. En su lugar, se vuelven a lanzar los procesos fallidos y se recupera el estado de la aplicación con una vuelta atrás global. A mayores, esta solución de resiliencia ha sido optimizada implementando una vuelta atrás local, en la que solo los procesos fallidos vuelven atrás, empleando un protocolo de almacenaje de mensajes para garantizar la consistencia y el progreso de la ejecución. Por último, se propone una extensión de una librería de checkpointing para facilitar la implementación de estrategias de recuperación ad hoc ante corrupciones de memoria. Muchas veces, este tipo de errores puede gestionarse a nivel de aplicación, evitando desencadenar un fallo-parada y permitiendo una recuperación más eficiente.[Abstract] The rapid increase in the computational demands of science has lead to a pronounced growth in the performance offered by supercomputers. As High Performance Computing (HPC) systems grow larger, including more hardware components of different types, the system's failure rate becomes higher. Efficient fault tolerance techniques are essential not only to ensure the execution completion but also to save energy. Checkpoint/restart is one of the most popular fault tolerance techniques. However, most of the research in this field is focused on stop-and-restart strategies for distributed-memory applications in the event of fail-stop failures. Thís thesis focuses on the implementation of application-level checkpoint/restart solutions for the most popular parallel programming models used in HPC. Hence, we have implemented checkpointing solutions to cope with fail-stop failures in hybrid MPI-OpenMP applications and OpenCL-based programs. Both strategies maximize the restart portability and malleability, ie., the recovery can take place on machines with different CPU / accelerator architectures, and/ or operating systems, and can be adapted to the available resources (number of cores/accelerators). Regarding distributed-memory applications, we propose a resilience solution that can be generally applied to SPMD MPI programs. Resilient applications can detect and react to failures without aborting their execution upon fail-stop failures. Instead, failed processes are re-spawned, and the application state is recovered through a global rollback. Moreover, we have optimized this resilience proposal by implementing a local rollback protocol, in which only failed processes rollback to a previous state, while message logging enables global consistency and further progress of the computation. Finally, we have extended a checkpointing library to facilitate the implementation of ad hoc recovery strategies in the event of soft errors) caused by memory corruptions. Many times, these errors can be handled at the software-Ievel, tIms, avoiding fail-stop failures and enabling a more efficient recovery