Performance counter-based strategies to improve data locality on multiprocessor systems: reordering and page migration techniques

In this dissertation we approach the study of Precise Event-Based Sampling (PEBS) techniques to improve the performance of applications on a NUMA, Itanium2-based system. We demonstrate that a low-cost, PEBS profiling can support strategies to improve the performance of an important group of computational and scientific codes in runtime. In addition, the accurate information provided by the new Event Adress Registers (EAR) of the Intel Itanium architecture helps foster the development of new data allocation strategies. Following this line, we have also developed a series of dynamic page migration PEBS strategies. Specifically, two problems are addressed: how to improve the performance of locality optimisation techniques for irregular codes in runtime, particularising for the Sparse Matrix-Vector product kernel, and how to develop strategies for dynamic page migration. To summarise, the main contributions of this dissertation are: 1. A study of the different factors that affect the performance, as well as data and thread allocation policies, in the FinisTerrae supercomputer, the target platform in which this thesis relies on. 2. The implementation of a performance model for FinisTerrae. 3. The development of hardware counter-based strategies to assist reordering techniques for irregular codes in order to reduce their cost and improve their behaviour. 4. The development of novel hardware counter-guided, dynamic page migration algorithms that take advantage of the new features provided by the PEBS. As a software contribution, we present a user-level page-migration framework to monitor, sample and control an application in runtime

Improving the scalability of parallel N-body applications with an event driven constraint based execution model

The scalability and efficiency of graph applications are significantly constrained by conventional systems and their supporting programming models. Technology trends like multicore, manycore, and heterogeneous system architectures are introducing further challenges and possibilities for emerging application domains such as graph applications. This paper explores the space of effective parallel execution of ephemeral graphs that are dynamically generated using the Barnes-Hut algorithm to exemplify dynamic workloads. The workloads are expressed using the semantics of an Exascale computing execution model called ParalleX. For comparison, results using conventional execution model semantics are also presented. We find improved load balancing during runtime and automatic parallelism discovery improving efficiency using the advanced semantics for Exascale computing.Comment: 11 figure

The Glasgow Parallel Reduction Machine: Programming Shared-memory Many-core Systems using Parallel Task Composition

We present the Glasgow Parallel Reduction Machine (GPRM), a novel, flexible framework for parallel task-composition based many-core programming. We allow the programmer to structure programs into task code, written as C++ classes, and communication code, written in a restricted subset of C++ with functional semantics and parallel evaluation. In this paper we discuss the GPRM, the virtual machine framework that enables the parallel task composition approach. We focus the discussion on GPIR, the functional language used as the intermediate representation of the bytecode running on the GPRM. Using examples in this language we show the flexibility and power of our task composition framework. We demonstrate the potential using an implementation of a merge sort algorithm on a 64-core Tilera processor, as well as on a conventional Intel quad-core processor and an AMD 48-core processor system. We also compare our framework with OpenMP tasks in a parallel pointer chasing algorithm running on the Tilera processor. Our results show that the GPRM programs outperform the corresponding OpenMP codes on all test platforms, and can greatly facilitate writing of parallel programs, in particular non-data parallel algorithms such as reductions.Comment: In Proceedings PLACES 2013, arXiv:1312.221

Hardware counter based performance analysis, modelling, and improvement through thread migration in numa systems

[EN]These last years have seen an important evolution in the computational resources available in science and engineering. Currently, most high performance systems include several multicore processors and use a NUMA (Non Uniform Memory Access) memory architecture. In this context, data locality becomes a highly important issue for parallel codes performance. It is foreseeable that the complexity as SMP (Symmetric Multiprocessing) NUMA systems increases during the next years. These will increase both the number of cores and the memory complexity, including the various cache levels, which implies memory access latency will depend, increasingly, of the proximity or affinity of the different threads to the memory modules where their data reside. Improving the performance and scalability of parallel codes on multicore architectures may be quite complex. This way, memory management on parallel codes will become more complicated, especially from the point of view of a programmer who wishes to obtain the best performance. Not only this, but the problem worsens in the usual case with different processes in execution simultaneously. Automatically migrating executing threads among the cores and processors, depending on their behaviour, may improve performance of parallel programs. Furthermore, it may allow to simplify their development, since the programmer avoids to explicitly manage locality. Modern microprocessors include registers that give useful information at a low cost, usually known as hardware counters (HCs). HCs are not commonly used due to a lack of tools to easily obtain their data. These HCs, in modern processors, allow to obtain the memory access latency during cache miss resolutions, and even the memory address that leads to the event. This opens the door to the development of new techniques for performance improvement based on this information. A procedure to easily and automatically obtain data about a shared memory parallel code execution on SMP multicore and NUMA systems, to model it using the hardware counters of modern processors, alongside additional information, as the memory access latencies from different threads. This procedure will be used during a parallel program execution, at runtime, to model its performance. This information will be used to improve the efficiency of the execution of said parallel codes automatically and transparently to the user.[GL]Hoxe en día, a maioría dos sistemas de computación son multicore e mesmo multiprocessador. Nestes sistemas, o comportamento dos accesos á memoria de cada fío para os distintos nodos de memoria é un dos aspectos que máis significativamente afectan o rendemento de calquera código. Este feito é cada vez máis relevante a medida que aumenta o chamado "memory wall". Neste traballo, esta cuestión foi abordada baixo dous puntos de vista. Desde o punto de vista dun programador de aplicacións paralelas, desenvolvéronse ferramentas e modelos para caracterizar o comportamento de códigos e axudao para a súa aplicación. Desde o punto de vista dun usuario de aplicacións paralelas, desenvolveuse unha ferramenta de migración para seleccionar e adaptar, automaticamente durante a execución, a colocación de fíos no sistema para mellorar o seu funcionamento. Todas estas ferramentas fan uso de datos de rendemento en tempo de execución obtidos a partir de Contadores Hardware (HC) presentes nos procesadores Intel. En comparación cos "software profilers", os HC proporcionan, cunha baixa sobrecarga, unha información de rendemento detallada e rica referente ás unidades funcionais, caches, acceso á memoria principal por parte da CPU, etc. Outra vantaxe de usalos é que non precisa ningunha modificación do código fonte. Con todo, os tipos e os significados dos contadores hardware varían dunha arquitectura a outra debido á variación nas organizacións do hardware. Ademais, pode haber dificultades para correlacionar as métricas de rendemento de baixo nivel co código fonte orixinal. O número limitado de rexistros para almacenar os contadores moitas veces pode forzar aos usuarios a realizar múltiples medicións para recoller todas as métricas de rendemento desexadas. En concreto, neste traballo, utilizáronse os Precise Event Based Sampling (PEBS, MOSTRAXE BASEADO EN EVENTOS PRECISOS) nos procesadores Intel modernos e os Event Address Register (EARs, REXISTROS DE ENDEREZO DE EVENTO) nos procesadores Itanium 2. O procesador Itanium 2 ofrece un conxunto de rexistros, os EARs que rexistran os enderezos de instrución e datos dos fallos caché, e os enderezos de instrución e datos de fallos de TLB [25]. Cando se usan para capturar fallos caché, os EARs permiten a detección das latencias maiores de 4 ciclos. Xa que os accesos de punto flotante sempre provocan un fallo (os datos de punto flotante son sempre almacenados na L2D), calquer acceso pode ser potencialmente detectado. Os EARs permiten a mostraxe estatística, configurando un contador de rendemento para contar as aparicións dun determinado evento. O PEBS usa un mecanismo de interrupción cos HC para almacenar un conxunto de información sobre o estado da arquitectura para o procesador. A información ofrece o estado arquitectónico da instrución executada despois da instrución que causou o evento. Xunto con esta información, que inclúe o estado de todos os rexistros, os procesadores Sandy Bridge posúen un sistema de medición da latencia a memoria. Ista é un medio para caracterizar a latencia de carga media para os diferentes niveis da xerarquía de memoria. A latencia é medida dende a expedición da instrucción ata cando os datos son globalmente observables, e dicir, cando chegan ao procesador. Ademáis da latencia, o PEBS permite coñecer a orixe dos datos e o nivel de memoria de onde se leron. A diferenza dos EARs, o PEBS permite tamén medir a latencia de operacións enteiras ou de almacenamento de dato

CIMAR, NIMAR, and LMMA: novel algorithms for thread and memory migrations in user space on NUMA systems using hardware counters

This paper introduces two novel algorithms for thread migrations, named CIMAR (Core-aware Interchange and Migration Algorithm with performance Record –IMAR–) and NIMAR (Node-aware IMAR), and a new algorithm for the migration of memory pages, LMMA (Latency-based Memory pages Migration Algorithm), in the context of Non-Uniform Memory Access (NUMA) systems. This kind of system has complex memory hierarchies that present a challenging problem in extracting the best possible performance, where thread and memory mapping play a critical role. The presented algorithms gather and process the information provided by hardware counters to make decisions about the migrations to be performed, trying to find the optimal mapping. They have been implemented as a user space tool that looks for improving the system performance, particularly in, but not restricted to, scenarios where multiple programs with different characteristics are running. This approach has the advantage of not requiring any modification on the target programs or the Linux kernel while keeping a low overhead. Two different benchmark suites have been used to validate our algorithms: The NAS parallel benchmark, mainly devoted to computational routines, and the LevelDB database benchmark focused on read–write operations. These benchmarks allow us to illustrate the influence of our proposal in these two important types of codes. Note that those codes are state-of-the-art implementations of the routines, so few improvements could be initially expected. Experiments have been designed and conducted to emulate three different scenarios: a single program running in the system with full resources, an interactive server where multiple programs run concurrently varying the availability of resources, and a queue of tasks where granted resources are limited. The proposed algorithms have been able to produce significant benefits, especially in systems with higher latency penalties for remote accesses. When more than one benchmark is executed simultaneously, performance improvements have been obtained, reducing execution times up to 60%. In this kind of situation, the behaviour of the system is more critical, and the NUMA topology plays a more relevant role. Even in the worst case, when isolated benchmarks are executed using the whole system, that is, just one task at a time, the performance is not degradedThis research work has received financial support from the Ministerio de Ciencia e Innovación, Spain within the project PID2019-104834GB-I00. It was also funded by the Consellería de Cultura, Educación e Ordenación Universitaria of Xunta de Galicia (accr. 2019–2022, ED431G 2019/04 and reference competitive group 2019–2021, ED431C 2018/19)S

Exploiting data locality in cache-coherent NUMA systems

The end of Dennard scaling has caused a stagnation of the clock frequency in computers.To overcome this issue, in the last two decades vendors have been integrating larger numbers of processing elements in the systems, interconnecting many nodes, including multiple chips in the nodes and increasing the number of cores in each chip. The speed of main memory has not evolved at the same rate as processors, it is much slower and there is a need to provide more total bandwidth to the processors, especially with the increase in the number of cores and chips. Still keeping a shared address space, where all processors can access the whole memory, solutions have come by integrating more memories: by using newer technologies like high-bandwidth memories (HBM) and non-volatile memories (NVM), by giving groups cores (like sockets, for example) faster access to some subset of the DRAM, or by combining many of these solutions. This has caused some heterogeneity in the access speed to main memory, depending on the CPU requesting access to a memory address and the actual physical location of that address, causing non-uniform memory access (NUMA) behaviours. Moreover, many of these systems are cache-coherent (ccNUMA), meaning that changes in the memory done from one CPU must be visible by the other CPUs and transparent for the programmer. These NUMA behaviours reduce the performance of applications and can pose a challenge to the programmers. To tackle this issue, this thesis proposes solutions, at the software and hardware levels, to improve the data locality in NUMA systems and, therefore, the performance of applications in these computer systems. The first contribution shows how considering hardware prefetching simultaneously with thread and data placement in NUMA systems can find configurations with better performance than considering these aspects separately. The performance results combined with performance counters are then used to build a performance model to predict, both offline and online, the best configuration for new applications not in the model. The evaluation is done using two different high performance NUMA systems, and the performance counters collected in one machine are used to predict the best configurations in the other machine. The second contribution builds on the idea that prefetching can have a strong effect in NUMA systems and proposes a NUMA-aware hardware prefetching scheme. This scheme is generic and can be applied to multiple hardware prefetchers with a low hardware cost but giving very good results. The evaluation is done using a cycle-accurate architectural simulator and provides detailed results of the performance, the data transfer reduction and the energy costs. Finally, the third and last contribution consists in scheduling algorithms for task-based programming models. These programming models help improve the programmability of applications in parallel systems and also provide useful information to the underlying runtime system. This information is used to build a task dependency graph (TDG), a directed acyclic graph that models the application where the nodes are sequential pieces of code known as tasks and the edges are the data dependencies between the different tasks. The proposed scheduling algorithms use graph partitioning techniques and provide a scheduling for the tasks in the TDG that minimises the data transfers between the different NUMA regions of the system. The results have been evaluated in real ccNUMA systems with multiple NUMA regions.La fi de la llei de Dennard ha provocat un estancament de la freqüència de rellotge dels computadors. Amb l'objectiu de superar aquest fet, durant les darreres dues dècades els fabricants han integrat més quantitat d'unitats de còmput als sistemes mitjançant la interconnexió de nodes diferents, la inclusió de múltiples xips als nodes i l'increment de nuclis de processador a cada xip. La rapidesa de la memòria principal no ha evolucionat amb el mateix factor que els processadors; és molt més lenta i hi ha la necessitat de proporcionar més ample de banda als processadors, especialment amb l'increment del nombre de nuclis i xips. Tot mantenint un adreçament compartit en el qual tots els processadors poden accedir a la memòria sencera, les solucions han estat al voltant de la integració de més memòries: amb tecnologies modernes com HBM (high-bandwidth memories) i NVM (non-volatile memories), fent que grups de nuclis (com sòcols sencers) tinguin accés més ràpid a una part de la DRAM o amb la combinació de solucions. Això ha provocat una heterogeneïtat en la velocitat d'accés a la memòria principal, en funció del nucli que sol·licita l'accés a una adreça en particular i la seva localització física, fet que provoca uns comportaments no uniformes en l'accés a la memòria (non-uniform memory access, NUMA). A més, sovint tenen memòries cau coherents (cache-coherent NUMA, ccNUMA), que implica que qualsevol canvi fet a la memòria des d'un nucli d'un processador ha de ser visible la resta de manera transparent. Aquests comportaments redueixen el rendiment de les aplicacions i suposen un repte. Per abordar el problema, a la tesi s'hi proposen solucions, a nivell de programari i maquinari, que milloren la localitat de dades als sistemes NUMA i, en conseqüència, el rendiment de les aplicacions en aquests sistemes. La primera contribució mostra que, quan es tenen en compte alhora la precàrrega d'adreces de memòria amb maquinari (hardware prefetching) i les decisions d'ubicació dels fils d'execució i les dades als sistemes NUMA, es poden trobar millors configuracions que quan es condieren per separat. Una combinació dels resultats de rendiment i dels comptadors disponibles al sistema s'utilitza per construir un model de rendiment per fer la predicció, tant per avançat com també en temps d'execució, de la millor configuració per aplicacions que no es troben al model. L'avaluació es du a terme a dos sistemes NUMA d'alt rendiment, i els comptadors mesurats en un sistema s'usen per predir les millors configuracions a l'altre sistema. La segona contribució es basa en la idea que el prefetching pot tenir un efecte considerable als sistemes NUMA i proposa un esquema de precàrrega a nivell de maquinari que té en compte els efectes NUMA. L'esquema és genèric i es pot aplicar als algorismes de precàrrega existents amb un cost de maquinari molt baix però amb molt bons resultats. S'avalua amb un simulador arquitectural acurat a nivell de cicle i proporciona resultats detallats del rendiment, la reducció de les comunicacions de dades i els costos energètics. La tercera i darrera contribució consisteix en algorismes de planificació per models de programació basats en tasques. Aquests simplifiquen la programabilitat de les aplicacions paral·leles i proveeixen informació molt útil al sistema en temps d'execució (runtime system) que en controla el funcionament. Amb aquesta informació es construeix un graf de dependències entre tasques (task dependency graph, TDG), un graf dirigit i acíclic que modela l'aplicació i en el qual els nodes són fragments de codi seqüencial (o tasques) i els arcs són les dependències de dades entre les tasques. Els algorismes de planificació proposats fan servir tècniques de particionat de grafs i proporcionen una planificació de les tasques del TDG que minimitza la comunicació de dades entre les diferents regions NUMA del sistema. Els resultats han estat avaluats en sistemes ccNUMA reals amb múltiples regions NUMA.El final de la ley de Dennard ha provocado un estancamiento de la frecuencia de reloj de los computadores. Con el objetivo de superar este problema, durante las últimas dos décadas los fabricantes han integrado más unidades de cómputo en los sistemas mediante la interconexión de nodos diferentes, la inclusión de múltiples chips en los nodos y el incremento de núcleos de procesador en cada chip. La rapidez de la memoria principal no ha evolucionado con el mismo factor que los procesadores; es mucho más lenta y hay la necesidad de proporcionar más ancho de banda a los procesadores, especialmente con el incremento del número de núcleos y chips. Aun manteniendo un sistema de direccionamiento compartido en el que todos los procesadores pueden acceder al conjunto de la memoria, las soluciones han oscilado alrededor de la integración de más memorias: usando tecnologías modernas como las memorias de alto ancho de banda (highbandwidth memories, HBM) y memorias no volátiles (non-volatile memories, NVM), haciendo que grupos de núcleos (como zócalos completos) tengan acceso más veloz a un subconjunto de la DRAM, o con la combinación de soluciones. Esto ha provocado una heterogeneidad en la velocidad de acceso a la memoria principal, en función del núcleo que solicita el acceso a una dirección de memoria en particular y la ubicación física de esta dirección, lo que provoca unos comportamientos no uniformes en el acceso a la memoria (non-uniform memory access, NUMA). Además, muchos de estos sistemas tienen memorias caché coherentes (cache-coherent NUMA, ccNUMA), lo que implica que cualquier cambio hecho en la memoria desde un núcleo de un procesador debe ser visible por el resto de procesadores de forma transparente para los programadores. Estos comportamientos NUMA reducen el rendimiento de las aplicaciones y pueden suponer un reto para los programadores. Para abordar dicho problema, en esta tesis se proponen soluciones, a nivel de software y hardware, que mejoran la localidad de datos en los sistemas NUMA y, en consecuencia, el rendimiento de las aplicaciones en estos sistemas informáticos. La primera contribución muestra que, cuando se tienen en cuenta a la vez la precarga de direcciones de memoria mediante hardware (o hardware prefetching ) y las decisiones de la ubicación de los hilos de ejecución y los datos en los sistemas NUMA, se pueden hallar mejores configuraciones que cuando se consideran ambos aspectos por separado. Con una combinación de los resultados de rendimiento y de los contadores disponibles en el sistema se construye un modelo de rendimiento, tanto por avanzado como en en tiempo de ejecución, de la mejor configuración para aplicaciones que no están incluidas en el modelo. La evaluación se realiza en dos sistemas NUMA de alto rendimiento, y los contadores medidos en uno de los sistemas se usan para predecir las mejores configuraciones en el otro sistema. La segunda contribución se basa en la idea de que el prefetching puede tener un efecto considerable en los sistemas NUMA y propone un esquema de precarga a nivel hardware que tiene en cuenta los efectos NUMA. Este esquema es genérico y se puede aplicar a diferentes algoritmos de precarga existentes con un coste de hardware muy bajo pero que proporciona muy buenos resultados. Dichos resultados se obtienen y evalúan mediante un simulador arquitectural preciso a nivel de ciclo y proporciona resultados detallados del rendimiento, la reducción de las comunicaciones de datos y los costes energéticos. Finalmente, la tercera y última contribución consiste en algoritmos de planificación para modelos de programación basados en tareas. Estos modelos simplifican la programabilidad de las aplicaciones paralelas y proveen información muy útil al sistema en tiempo de ejecución (runtime system) que controla su funcionamiento. Esta información se utiliza para construir un grafo de dependencias entre tareas (task dependency graph, TDG), un grafo dirigido y acíclico que modela la aplicación y en el ue los nodos son fragmentos de código secuencial, conocidos como tareas, y los arcos son las dependencias de datos entre las distintas tareas. Los algoritmos de planificación que se proponen usan técnicas e particionado de grafos y proporcionan una planificación de las tareas del TDG que minimiza la comunicación de datos entre las distintas regiones NUMA del sistema. Los resultados se han evaluado en sistemas ccNUMA reales con múltiples regiones NUMA.Postprint (published version

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

MAi: Memory Affinity Interface

In this document, we describe an interface called MAI. This interface allows developers to manage memory affinity in NUMA architectures. The affinity unit in MAI is an array of the parallel application. A set of memory policies implemented in MAI can be applied to these arrays in a simple way. High-level functions implemented in MAI minimize developers work when managing memory affinity in NUMA machines. MAI's performance has been evaluating on two different NUMA machines using some parallel applications. Results obtained with MAI present important gains when compared with the standard memory affinity solutions