Taking advantage of hybrid systems for sparse direct solvers via task-based runtimes

The ongoing hardware evolution exhibits an escalation in the number, as well as in the heterogeneity, of computing resources. The pressure to maintain reasonable levels of performance and portability forces application developers to leave the traditional programming paradigms and explore alternative solutions. PaStiX is a parallel sparse direct solver, based on a dynamic scheduler for modern hierarchical manycore architectures. In this paper, we study the benefits and limits of replacing the highly specialized internal scheduler of the PaStiX solver with two generic runtime systems: PaRSEC and StarPU. The tasks graph of the factorization step is made available to the two runtimes, providing them the opportunity to process and optimize its traversal in order to maximize the algorithm efficiency for the targeted hardware platform. A comparative study of the performance of the PaStiX solver on top of its native internal scheduler, PaRSEC, and StarPU frameworks, on different execution environments, is performed. The analysis highlights that these generic task-based runtimes achieve comparable results to the application-optimized embedded scheduler on homogeneous platforms. Furthermore, they are able to significantly speed up the solver on heterogeneous environments by taking advantage of the accelerators while hiding the complexity of their efficient manipulation from the programmer.Comment: Heterogeneity in Computing Workshop (2014

Preparing sparse solvers for exascale computing.

Sparse solvers provide essential functionality for a wide variety of scientific applications. Highly parallel sparse solvers are essential for continuing advances in high-fidelity, multi-physics and multi-scale simulations, especially as we target exascale platforms. This paper describes the challenges, strategies and progress of the US Department of Energy Exascale Computing project towards providing sparse solvers for exascale computing platforms. We address the demands of systems with thousands of high-performance node devices where exposing concurrency, hiding latency and creating alternative algorithms become essential. The efforts described here are works in progress, highlighting current success and upcoming challenges. This article is part of a discussion meeting issue 'Numerical algorithms for high-performance computational science'

Sparse direct solvers with accelerators over DAG runtimes

The current trend in the high performance computing shows a dramatic increase in the number of cores on the shared memory compute nodes. Algorithms, especially those related to linear algebra, need to be adapted to these new computer architectures in order to be efficient. PASTIX is a sparse parallel direct solver, that incorporates a dynamic scheduler for strongly hierarchical modern architectures. In this paper, we study the replacement of this internal highly integrated scheduling strategy by two generic runtime frameworks: DAGUE and STARPU. Those runtimes will give the opportunity to execute the factorization tasks graph on emerging computers equipped with accelerators. As for previous work done in dense linear algebra, we present the kernels used for GPU computations inspired by the MAGMA library and the DAG algorithm used with those two runtimes. A comparative study of the performances of the supernodal solver with the three different schedulers is performed on manycore architectures and the improvements obtained with accelerators are presented with the STARPU runtime. These results demonstrate that these DAG runtimes provide uniform programming interfaces to obtain high performance on different architectures on irregular problems as sparse direct factorizations

Solveur multifrontal QR à base de tâches pour architectures hétérogènes

To face the advent of multicore processors and the ever increasing complexity of hardware architectures, programming models based on DAG parallelism regained popularity in the high performance, scientific computing community. Modern runtime systems offer a programming interface that complies with this paradigm and powerful engines for scheduling the tasks into which the application is decomposed. These tools have already proved their effectiveness on a number of dense linear algebra applications. In this study we investigate the design of task-based sparse direct solvers which constitute extremely irregular workloads, with tasks of different granularities and characteristics with variable memory consumption on top of runtime systems. In the context of the qr mumps solver, we prove the usability and effectiveness of our approach with the implementation of a sparse matrix multifrontal factorization based on a Sequential Task Flow parallel programming model. Using this programming model, we developed features such as the integration of dense 2D Communication Avoiding algorithms in the multifrontal method allowing for better scalability compared to the original approach used in qr mumps. In addition we introduced a memory-aware algorithm to control the memory behaviour of our solver and show, in the context of multicore architectures, an important reduction of the memory footprint for the multifrontal QR factorization with a small impact on performance. Following this approach, we move to heterogeneous architectures where task granularity and scheduling strategies are critical to achieve performance. We present, for the multifrontal method, a hierarchical strategy for data partitioning and a scheduling algorithm capable of handling the heterogeneity of resources. Finally we present a study on the reproducibility of executions and the use of alternative programming models for the implementation of the multifrontal method. All the experimental results presented in this study are evaluated with a detailed performance analysis measuring the impact of several identified effects on the performance and scalability. Thanks to this original analysis, presented in the first part of this study, we are capable of fully understanding the results obtained with our solver.Afin de s'adapter aux architectures multicoeurs et aux machines de plus en plus complexes, les modèles de programmations basés sur un parallélisme de tâche ont gagné en popularité dans la communauté du calcul scientifique haute performance. Les moteurs d'exécution fournissent une interface de programmation qui correspond à ce paradigme ainsi que des outils pour l'ordonnancement des tâches qui définissent l'application. Dans cette étude, nous explorons la conception de solveurs directes creux à base de tâches, qui représentent une charge de travail extrêmement irrégulière, avec des tâches de granularités et de caractéristiques différentes ainsi qu'une consommation mémoire variable, au-dessus d'un moteur d'exécution. Dans le cadre du solveur qr mumps, nous montrons dans un premier temps la viabilité et l'efficacité de notre approche avec l'implémentation d'une méthode multifrontale pour la factorisation de matrices creuses, en se basant sur le modèle de programmation parallèle appelé "flux de tâches séquentielles" (Sequential Task Flow). Cette approche, nous a ensuite permis de développer des fonctionnalités telles que l'intégration de noyaux dense de factorisation de type "minimisation de cAfin de s'adapter aux architectures multicoeurs et aux machines de plus en plus complexes, les modèles de programmations basés sur un parallélisme de tâche ont gagné en popularité dans la communauté du calcul scientifique haute performance. Les moteurs d'exécution fournissent une interface de programmation qui correspond à ce paradigme ainsi que des outils pour l'ordonnancement des tâches qui définissent l'application. Dans cette étude, nous explorons la conception de solveurs directes creux à base de tâches, qui représentent une charge de travail extrêmement irrégulière, avec des tâches de granularités et de caractéristiques différentes ainsi qu'une consommation mémoire variable, au-dessus d'un moteur d'exécution. Dans le cadre du solveur qr mumps, nous montrons dans un premier temps la viabilité et l'efficacité de notre approche avec l'implémentation d'une méthode multifrontale pour la factorisation de matrices creuses, en se basant sur le modèle de programmation parallèle appelé "flux de tâches séquentielles" (Sequential Task Flow). Cette approche, nous a ensuite permis de développer des fonctionnalités telles que l'intégration de noyaux dense de factorisation de type "minimisation de cAfin de s'adapter aux architectures multicoeurs et aux machines de plus en plus complexes, les modèles de programmations basés sur un parallélisme de tâche ont gagné en popularité dans la communauté du calcul scientifique haute performance. Les moteurs d'exécution fournissent une interface de programmation qui correspond à ce paradigme ainsi que des outils pour l'ordonnancement des tâches qui définissent l'application

Task-based multifrontal QR solver for heterogeneous architectures

Afin de s'adapter aux architectures multicoeurs et aux machines de plus en plus complexes, les modèles de programmations basés sur un parallélisme de tâche ont gagné en popularité dans la communauté du calcul scientifique haute performance. Les moteurs d'exécution fournissent une interface de programmation qui correspond à ce paradigme ainsi que des outils pour l'ordonnancement des tâches qui définissent l'application. Dans cette étude, nous explorons la conception de solveurs directes creux à base de tâches, qui représentent une charge de travail extrêmement irrégulière, avec des tâches de granularités et de caractéristiques différentes ainsi qu'une consommation mémoire variable, au-dessus d'un moteur d'exécution. Dans le cadre du solveur qr mumps, nous montrons dans un premier temps la viabilité et l'efficacité de notre approche avec l'implémentation d'une méthode multifrontale pour la factorisation de matrices creuses, en se basant sur le modèle de programmation parallèle appelé "flux de tâches séquentielles" (Sequential Task Flow). Cette approche, nous a ensuite permis de développer des fonctionnalités telles que l'intégration de noyaux dense de factorisation de type "minimisation de cAfin de s'adapter aux architectures multicoeurs et aux machines de plus en plus complexes, les modèles de programmations basés sur un parallélisme de tâche ont gagné en popularité dans la communauté du calcul scientifique haute performance. Les moteurs d'exécution fournissent une interface de programmation qui correspond à ce paradigme ainsi que des outils pour l'ordonnancement des tâches qui définissent l'application. Dans cette étude, nous explorons la conception de solveurs directes creux à base de tâches, qui représentent une charge de travail extrêmement irrégulière, avec des tâches de granularités et de caractéristiques différentes ainsi qu'une consommation mémoire variable, au-dessus d'un moteur d'exécution. Dans le cadre du solveur qr mumps, nous montrons dans un premier temps la viabilité et l'efficacité de notre approche avec l'implémentation d'une méthode multifrontale pour la factorisation de matrices creuses, en se basant sur le modèle de programmation parallèle appelé "flux de tâches séquentielles" (Sequential Task Flow). Cette approche, nous a ensuite permis de développer des fonctionnalités telles que l'intégration de noyaux dense de factorisation de type "minimisation de cAfin de s'adapter aux architectures multicoeurs et aux machines de plus en plus complexes, les modèles de programmations basés sur un parallélisme de tâche ont gagné en popularité dans la communauté du calcul scientifique haute performance. Les moteurs d'exécution fournissent une interface de programmation qui correspond à ce paradigme ainsi que des outils pour l'ordonnancement des tâches qui définissent l'application. !!br0ken!!ommunications" (Communication Avoiding) dans la méthode multifrontale, permettant d'améliorer considérablement la scalabilité du solveur par rapport a l'approche original utilisée dans qr mumps. Nous introduisons également un algorithme d'ordonnancement sous contraintes mémoire au sein de notre solveur, exploitable dans le cas des architectures multicoeur, réduisant largement la consommation mémoire de la méthode multifrontale QR avec un impacte négligeable sur les performances. En utilisant le modèle présenté ci-dessus, nous visons ensuite l'exploitation des architectures hétérogènes pour lesquelles la granularité des tâches ainsi les stratégies l'ordonnancement sont cruciales pour profiter de la puissance de ces architectures. Nous proposons, dans le cadre de la méthode multifrontale, un partitionnement hiérarchique des données ainsi qu'un algorithme d'ordonnancement capable d'exploiter l'hétérogénéité des ressources. Enfin, nous présentons une étude sur la reproductibilité de l'exécution parallèle de notre problème et nous montrons également l'utilisation d'un modèle de programmation alternatif pour l'implémentation de la méthode multifrontale. L'ensemble des résultats expérimentaux présentés dans cette étude sont évalués avec une analyse détaillée des performance que nous proposons au début de cette étude. Cette analyse de performance permet de mesurer l'impacte de plusieurs effets identifiés sur la scalabilité et la performance de nos algorithmes et nous aide ainsi à comprendre pleinement les résultats obtenu lors des tests effectués avec notre solveur.To face the advent of multicore processors and the ever increasing complexity of hardware architectures, programming models based on DAG parallelism regained popularity in the high performance, scientific computing community. Modern runtime systems offer a programming interface that complies with this paradigm and powerful engines for scheduling the tasks into which the application is decomposed. These tools have already proved their effectiveness on a number of dense linear algebra applications. In this study we investigate the design of task-based sparse direct solvers which constitute extremely irregular workloads, with tasks of different granularities and characteristics with variable memory consumption on top of runtime systems. In the context of the qr mumps solver, we prove the usability and effectiveness of our approach with the implementation of a sparse matrix multifrontal factorization based on a Sequential Task Flow parallel programming model. Using this programming model, we developed features such as the integration of dense 2D Communication Avoiding algorithms in the multifrontal method allowing for better scalability compared to the original approach used in qr mumps. In addition we introduced a memory-aware algorithm to control the memory behaviour of our solver and show, in the context of multicore architectures, an important reduction of the memory footprint for the multifrontal QR factorization with a small impact on performance. Following this approach, we move to heterogeneous architectures where task granularity and scheduling strategies are critical to achieve performance. We present, for the multifrontal method, a hierarchical strategy for data partitioning and a scheduling algorithm capable of handling the heterogeneity of resources. Finally we present a study on the reproducibility of executions and the use of alternative programming models for the implementation of the multifrontal method. All the experimental results presented in this study are evaluated with a detailed performance analysis measuring the impact of several identified effects on the performance and scalability. Thanks to this original analysis, presented in the first part of this study, we are capable of fully understanding the results obtained with our solver

Exploiting a Parametrized Task Graph model for the parallelization of a sparse direct multifrontal solver

International audienceThe advent of multicore processors requires to reconsider the design of high performance computing libraries to embrace portable and effective techniques of parallel software engineering. One of the most promising approaches consists in abstracting an application as a directed acyclic graph (DAG) of tasks. While this approach has been popularized for shared memory environments by the OpenMP 4.0 standard where dependencies between tasks are automatically inferred, we investigate an alternative approach, capable of describing the DAG of task in a distributed setting, where task dependencies are explicitly encoded. So far this approach has been mostly used in the case of algorithms with a regular data access pattern and we show in this study that it can be efficiently applied to a higly irregular numerical algorithm such as a sparse multifrontal QR method. We present the resulting implementation and discuss the potential and limits of this approach in terms of productivity and effectiveness in comparison with more common parallelization techniques. Although at an early stage of development, preliminary results show the potential of the parallel programming model that we investigate in this work

Linear solvers for power grid optimization problems: a review of GPU-accelerated linear solvers

The linear equations that arise in interior methods for constrained optimization are sparse symmetric indefinite and become extremely ill-conditioned as the interior method converges. These linear systems present a challenge for existing solver frameworks based on sparse LU or LDL^T decompositions. We benchmark five well known direct linear solver packages using matrices extracted from power grid optimization problems. The achieved solution accuracy varies greatly among the packages. None of the tested packages delivers significant GPU acceleration for our test cases

Introduction of shared-memory parallelism in a distributed-memory multifrontal solver

We study the adaptation of a parallel distributed-memory solver towards a shared-memory code, targeting multi-core architectures. The advantage of adapting the code over a new design is to fully benefit from its numerical kernels, range of functionalities and internal features. Although the studied code is a direct solver for sparse systems of linear equations, the approaches described in this paper are general and could be useful to a wide range of applications. We show how existing parallel algorithms can be adapted to an OpenMP environment while, at the same time, also relying on third-party optimized multithreaded libraries. We propose simple approaches to take advantage of NUMA architectures, and original optimizations to limit thread synchronization costs. For each point, the performance gains are analyzed in detail on test problems from various application areas.Dans cet article, nous étudions l'adaptation d'un code parallèle à mémoire distribuée en un code visant les architectures à mémoire partagée de type multi-coeurs. L'intérêt d'adapter un code existant plutôt que d'en concevoir un nouveau est de pouvoir bénéficier directement de toute la richesse de ses fonctionnalités numériques ainsi que de ses caractéristiques internes. Même si le code sur lequel porte l'étude est un solveur direct multifrontale pour systèmes linéaires creux, les algorithmes et techniques discutés sont générales et peuvent s'appliquer à des domaines d'application plus généraux. Nous montrons comment des algorithmes parallèles existant peuvent être adaptés à un environnement OpenMP tout en exploitant au mieux des librairies existantes optimisées. Nous présentons des approches simples pour tirer parti des spécificités des architectures NUMA, ainsi que des optimisations originales permettant de limiter les coûts de synchronisation dans le modèle fork-join que l'on utilise. Pour chacun de ces points, les gains en performance sont analysés sur des cas tests provenant de domaines d'applications variés