Search-based Model-driven Loop Optimizations for Tensor Contractions

Complex tensor contraction expressions arise in accurate electronic structure models in quantum chemistry, such as the coupled cluster method. The Tensor Contraction Engine (TCE) is a high-level program synthesis system that facilitates the generation of high-performance parallel programs from tensor contraction equations. We are developing a new software infrastructure for the TCE that is designed to allow experimentation with optimization algorithms for modern computing platforms, including for heterogeneous architectures employing general-purpose graphics processing units (GPGPUs). In this dissertation, we present improvements and extensions to the loop fusion optimization algorithm, which can be used with cost models, e.g., for minimizing memory usage or for minimizing data movement costs under a memory constraint. We show that our data structure and pruning improvements to the loop fusion algorithm result in significant performance improvements that enable complex cost models being use for large input equations. We also present an algorithm for optimizing the fused loop structure of handwritten code. It determines the regions in handwritten code that are safe to be optimized and then runs the loop fusion algorithm on the dependency graph of the code. Finally, we develop an optimization framework for generating GPGPU code consisting of loop fusion optimization with a novel cost model, tiling optimization, and layout optimization. Depending on the memory available on the GPGPU and the sizes of the tensors, our framework decides which processor (CPU or GPGPU) should perform an operation and where the result should be moved. We present extensive measurements for tuning the loop fusion algorithm, for validating our optimization framework, and for measuring the performance characteristics of GPGPUs. Our measurements demonstrate that our optimization framework outperforms existing general-purpose optimization approaches both on multi-core CPUs and on GPGPUs

Parallélisme des nids de boucles pour l’optimisation du temps d’exécution et de la taille du code

The real time implementation algorithms always include nested loops which require important execution times. Thus, several nested loop parallelism techniques have been proposed with the aim of decreasing their execution times. These techniques can be classified in terms of granularity, which are the iteration level parallelism and the instruction level parallelism. In the case of the instruction level parallelism, the techniques aim to achieve a full parallelism. However, the loop carried dependencies implies shifting instructions in both side of nested loops. Consequently, these techniques provide implementations with non-optimal execution times and important code sizes, which represent limiting factors when implemented on embedded real-time systems. In this work, we are interested on enhancing the parallelism strategies of nested loops. The first contribution consists of purposing a novel instruction level parallelism technique, called “delayed multidimensional retiming”. It aims to scheduling the nested loops with the minimal cycle period, without achieving a full parallelism. The second contribution consists of employing the “delayed multidimensional retiming” when providing nested loop implementations on real time embedded systems. The aim is to respect an execution time constraint while using minimal code size. In this context, we proposed a first approach that selects the minimal instruction parallelism level allowing the execution time constraint respect. The second approach employs both instruction level parallelism and iteration level parallelism, by using the “delayed multidimensional retiming” and the “loop striping”Les algorithmes des systèmes temps réels incluent de plus en plus de nids de boucles, qui sont caractérisés par un temps d’exécution important. De ce fait, plusieurs démarches de parallélisme des boucles imbriquées ont été proposées dans l’objectif de réduire leurs temps d’exécution. Ces démarches peuvent être classifiées selon deux niveaux de granularité : le parallélisme au niveau des itérations et le parallélisme au niveau des instructions. Dans le cas du deuxième niveau de granularité, les techniques visent à atteindre un parallélisme total des instructions appartenant à une même itération. Cependant, le parallélisme est contraint par les dépendances des données inter-itérations ce qui implique le décalage des instructions à travers les boucles imbriquées, provocant ainsi une augmentation du code proportionnelle au niveau du parallélisme. Par conséquent, le parallélisme total au niveau des instructions des nids de boucles engendre des implémentations avec des temps d’exécution non-optimaux et des tailles du code importantes. Les travaux de cette thèse s’intéressent à l’amélioration des stratégies de parallélisme des nids de boucles. Une première contribution consiste à proposer une nouvelle technique de parallélisme au niveau des instructions baptisée « retiming multidimensionnel décalé ». Elle vise à ordonnancer les nids de boucles avec une période de cycle minimale, sans atteindre un parallélisme total. Une deuxième contribution consiste à mettre en pratique notre technique dans le contexte de l’implémentation temps réel embarquée des nids de boucles. L’objectif est de respecter la contrainte du temps d’exécution tout en utilisant un code de taille minimale. Dans ce contexte, nous avons proposé une première démarche d’optimisation qui consiste à utiliser notre technique pour déterminer le niveau parallélisme minimal. Par la suite, nous avons décrit une deuxième démarche permettant de combiner les parallélismes au niveau des instructions et au niveau des itérations, en utilisant notre technique et le « loop striping