On the Enhancement of Remote GPU Virtualization in High Performance Clusters

Graphics Processing Units (GPUs) are being adopted in many computing facilities given their extraordinary computing power, which makes it possible to accelerate many general purpose applications from different domains. However, GPUs also present several side effects, such as increased acquisition costs as well as larger space requirements. They also require more powerful energy supplies. Furthermore, GPUs still consume some amount of energy while idle and their utilization is usually low for most workloads. In a similar way to virtual machines, the use of virtual GPUs may address the aforementioned concerns. In this regard, the remote GPU virtualization mechanism allows an application being executed in a node of the cluster to transparently use the GPUs installed at other nodes. Moreover, this technique allows to share the GPUs present in the computing facility among the applications being executed in the cluster. In this way, several applications being executed in different (or the same) cluster nodes can share one or more GPUs located in other nodes of the cluster. Sharing GPUs should increase overall GPU utilization, thus reducing the negative impact of the side effects mentioned before. Reducing the total amount of GPUs installed in the cluster may also be possible. In this dissertation we enhance one framework offering remote GPU virtualization capabilities, referred to as rCUDA, for its use in high-performance clusters. While the initial prototype version of rCUDA demonstrated its functionality, it also revealed concerns with respect to usability, performance, and support for new GPU features, which prevented its used in production environments. These issues motivated this thesis, in which all the research is primarily conducted with the aim of turning rCUDA into a production-ready solution for eventually transferring it to industry. The new version of rCUDA resulting from this work presents a reduction of up to 35% in execution time of the applications analyzed with respect to the initial version. Compared to the use of local GPUs, the overhead of this new version of rCUDA is below 5% for the applications studied when using the latest high-performance computing networks available.Las unidades de procesamiento gráfico (Graphics Processing Units, GPUs) están siendo utilizadas en muchas instalaciones de computación dada su extraordinaria capacidad de cálculo, la cual hace posible acelerar muchas aplicaciones de propósito general de diferentes dominios. Sin embargo, las GPUs también presentan algunas desventajas, como el aumento de los costos de adquisición, así como mayores requerimientos de espacio. Asimismo, también requieren un suministro de energía más potente. Además, las GPUs consumen una cierta cantidad de energía aún estando inactivas, y su utilización suele ser baja para la mayoría de las cargas de trabajo. De manera similar a las máquinas virtuales, el uso de GPUs virtuales podría hacer frente a los inconvenientes mencionados. En este sentido, el mecanismo de virtualización remota de GPUs permite que una aplicación que se ejecuta en un nodo de un clúster utilice de forma transparente las GPUs instaladas en otros nodos de dicho clúster. Además, esta técnica permite compartir las GPUs presentes en el clúster entre las aplicaciones que se ejecutan en el mismo. De esta manera, varias aplicaciones que se ejecutan en diferentes nodos de clúster (o los mismos) pueden compartir una o más GPUs ubicadas en otros nodos del clúster. Compartir GPUs aumenta la utilización general de la GPU, reduciendo así el impacto negativo de las desventajas anteriormente mencionadas. De igual forma, este mecanismo también permite reducir la cantidad total de GPUs instaladas en el clúster. En esta tesis mejoramos un entorno de trabajo llamado rCUDA, el cual ofrece funcionalidades de virtualización remota de GPUs para su uso en clusters de altas prestaciones. Si bien la versión inicial del prototipo de rCUDA demostró su funcionalidad, también reveló dificultades con respecto a la usabilidad, el rendimiento y el soporte para nuevas características de las GPUs, lo cual impedía su uso en entornos de producción. Estas consideraciones motivaron la presente tesis, en la que toda la investigación llevada a cabo tiene como objetivo principal convertir rCUDA en una solución lista para su uso entornos de producción, con la finalidad de transferirla eventualmente a la industria. La nueva versión de rCUDA resultante de este trabajo presenta una reducción de hasta el 35% en el tiempo de ejecución de las aplicaciones analizadas con respecto a la versión inicial. En comparación con el uso de GPUs locales, la sobrecarga de esta nueva versión de rCUDA es inferior al 5% para las aplicaciones estudiadas cuando se utilizan las últimas redes de computación de altas prestaciones disponibles.Les unitats de processament gràfic (Graphics Processing Units, GPUs) estan sent utilitzades en moltes instal·lacions de computació donada la seva extraordinària capacitat de càlcul, la qual fa possible accelerar moltes aplicacions de propòsit general de diferents dominis. No obstant això, les GPUs també presenten alguns desavantatges, com l'augment dels costos d'adquisició, així com major requeriment d'espai. Així mateix, també requereixen un subministrament d'energia més potent. A més, les GPUs consumeixen una certa quantitat d'energia encara estant inactives, i la seua utilització sol ser baixa per a la majoria de les càrregues de treball. D'una manera semblant a les màquines virtuals, l'ús de GPUs virtuals podria fer front als inconvenients esmentats. En aquest sentit, el mecanisme de virtualització remota de GPUs permet que una aplicació que s'executa en un node d'un clúster utilitze de forma transparent les GPUs instal·lades en altres nodes d'aquest clúster. A més, aquesta tècnica permet compartir les GPUs presents al clúster entre les aplicacions que s'executen en el mateix. D'aquesta manera, diverses aplicacions que s'executen en diferents nodes de clúster (o els mateixos) poden compartir una o més GPUs ubicades en altres nodes del clúster. Compartir GPUs augmenta la utilització general de la GPU, reduint així l'impacte negatiu dels desavantatges anteriorment esmentades. A més a més, aquest mecanisme també permet reduir la quantitat total de GPUs instal·lades al clúster. En aquesta tesi millorem un entorn de treball anomenat rCUDA, el qual ofereix funcionalitats de virtualització remota de GPUs per al seu ús en clústers d'altes prestacions. Si bé la versió inicial del prototip de rCUDA va demostrar la seua funcionalitat, també va revelar dificultats pel que fa a la usabilitat, el rendiment i el suport per a noves característiques de les GPUs, la qual cosa impedia el seu ús en entorns de producció. Aquestes consideracions van motivar la present tesi, en què tota la investigació duta a terme té com a objectiu principal convertir rCUDA en una solució preparada per al seu ús entorns de producció, amb la finalitat de transferir-la eventualment a la indústria. La nova versió de rCUDA resultant d'aquest treball presenta una reducció de fins al 35% en el temps d'execució de les aplicacions analitzades respecte a la versió inicial. En comparació amb l'ús de GPUs locals, la sobrecàrrega d'aquesta nova versió de rCUDA és inferior al 5% per a les aplicacions estudiades quan s'utilitzen les últimes xarxes de computació d'altes prestacions disponibles.Reaño González, C. (2017). On the Enhancement of Remote GPU Virtualization in High Performance Clusters [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/86219TESISPremios Extraordinarios de tesis doctorale

GPU-Job Migration: The rCUDA Case

© 2019 IEEE. Personal use of this material is permitted. Permissíon from IEEE must be obtained for all other uses, in any current or future media, including reprinting/republishing this material for advertisíng or promotional purposes, creating new collective works, for resale or redistribution to servers or lists, or reuse of any copyrighted component of this work in other works.[EN] Virtualization techniques have been shown to report benefits to data centers and other computing facilities. In this regard, not only virtual machines allow to reduce the size of the computing infrastructure while increasing overall resource utilization, but also virtualizing individual components of computers may provide significant benefits. This is the case, for instance, for the remote GPU virtualization technique, implemented in several frameworks during the recent years. The large degree of flexibility provided by the remote GPU virtualization technique can be further increased by applying the migration mechanism to it, so that the GPU part of applications can be live-migrated to another GPU elsewhere in the cluster during execution time in a transparent way. In this paper we present the implementation of the migration mechanism within the rCUDA remote GPU virtualization middleware. Furthermore, we present a thorough performance analysis of the implementation of the migration mechanism within rCUDA. To that end, we leverage both synthetic and real production applications as well as three different generations of NVIDIA GPUs. Additionally, two different versions of the InfiniBand interconnect are used in this study. Several use cases are provided in order to show the extraordinary benefits that the GPU-job migration mechanism can report to data centers.This work was funded by the Generalitat Valenciana under Grant PROMETEO/2017/77. Authors are grateful for the generous support provided by Mellanox Technologies Inc.Prades, J.; Silla Jiménez, F. (2019). GPU-Job Migration: The rCUDA Case. IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems. 30(12):2718-2729. https://doi.org/10.1109/TPDS.2019.292443327182729301

Improving Performance and Energy Efficiency of Heterogeneous Systems with rCUDA

Tesis por compendio[ES] En la última década la utilización de la GPGPU (General Purpose computing in Graphics Processing Units; Computación de Propósito General en Unidades de Procesamiento Gráfico) se ha vuelto tremendamente popular en los centros de datos de todo el mundo. Las GPUs (Graphics Processing Units; Unidades de Procesamiento Gráfico) se han establecido como elementos aceleradores de cómputo que son usados junto a las CPUs formando sistemas heterogéneos. La naturaleza masivamente paralela de las GPUs, destinadas tradicionalmente al cómputo de gráficos, permite realizar operaciones numéricas con matrices de datos a gran velocidad debido al gran número de núcleos que integran y al gran ancho de banda de acceso a memoria que poseen. En consecuencia, aplicaciones de todo tipo de campos, tales como química, física, ingeniería, inteligencia artificial, ciencia de materiales, etc. que presentan este tipo de patrones de cómputo se ven beneficiadas, reduciendo drásticamente su tiempo de ejecución. En general, el uso de la aceleración del cómputo en GPUs ha significado un paso adelante y una revolución. Sin embargo, no está exento de problemas, tales como problemas de eficiencia energética, baja utilización de las GPUs, altos costes de adquisición y mantenimiento, etc. En esta tesis pretendemos analizar las principales carencias que presentan estos sistemas heterogéneos y proponer soluciones basadas en el uso de la virtualización remota de GPUs. Para ello hemos utilizado la herramienta rCUDA, desarrollada en la Universitat Politècnica de València, ya que multitud de publicaciones la avalan como el framework de virtualización remota de GPUs más avanzado de la actualidad. Los resutados obtenidos en esta tesis muestran que el uso de rCUDA en entornos de Cloud Computing incrementa el grado de libertad del sistema, ya que permite crear instancias virtuales de las GPUs físicas totalmente a medida de las necesidades de cada una de las máquinas virtuales. En entornos HPC (High Performance Computing; Computación de Altas Prestaciones), rCUDA también proporciona un mayor grado de flexibilidad de uso de las GPUs de todo el clúster de cómputo, ya que permite desacoplar totalmente la parte CPU de la parte GPU de las aplicaciones. Además, las GPUs pueden estar en cualquier nodo del clúster, independientemente del nodo en el que se está ejecutando la parte CPU de la aplicación. En general, tanto para Cloud Computing como en el caso de HPC, este mayor grado de flexibilidad se traduce en un aumento hasta 2x de la productividad de todo el sistema al mismo tiempo que se reduce el consumo energético en un 15%. Finalmente, también hemos desarrollado un mecanismo de migración de trabajos de la parte GPU de las aplicaciones que ha sido integrado dentro del framework rCUDA. Este mecanismo de migración ha sido evaluado y los resultados muestran claramente que, a cambio de una pequeña sobrecarga, alrededor de 400 milisegundos, en el tiempo de ejecución de las aplicaciones, es una potente herramienta con la que, de nuevo, aumentar la productividad y reducir el gasto energético del sistema. En resumen, en esta tesis se analizan los principales problemas derivados del uso de las GPUs como aceleradores de cómputo, tanto en entornos HPC como de Cloud Computing, y se demuestra cómo a través del uso del framework rCUDA, estos problemas pueden solucionarse. Además se desarrolla un potente mecanismo de migración de trabajos GPU, que integrado dentro del framework rCUDA, se convierte en una herramienta clave para los futuros planificadores de trabajos en clusters heterogéneos.[CA] En l'última dècada la utilització de la GPGPU(General Purpose computing in Graphics Processing Units; Computació de Propòsit General en Unitats de Processament Gràfic) s'ha tornat extremadament popular en els centres de dades de tot el món. Les GPUs (Graphics Processing Units; Unitats de Processament Gràfic) s'han establert com a elements acceleradors de còmput que s'utilitzen al costat de les CPUs formant sistemes heterogenis. La naturalesa massivament paral·lela de les GPUs, destinades tradicionalment al còmput de gràfics, permet realitzar operacions numèriques amb matrius de dades a gran velocitat degut al gran nombre de nuclis que integren i al gran ample de banda d'accés a memòria que posseeixen. En conseqüència, les aplicacions de tot tipus de camps, com ara química, física, enginyeria, intel·ligència artificial, ciència de materials, etc. que presenten aquest tipus de patrons de còmput es veuen beneficiades reduint dràsticament el seu temps d'execució. En general, l'ús de l'acceleració del còmput en GPUs ha significat un pas endavant i una revolució, però no està exempt de problemes, com ara poden ser problemes d'eficiència energètica, baixa utilització de les GPUs, alts costos d'adquisició i manteniment, etc. En aquesta tesi pretenem analitzar les principals mancances que presenten aquests sistemes heterogenis i proposar solucions basades en l'ús de la virtualització remota de GPUs. Per a això hem utilitzat l'eina rCUDA, desenvolupada a la Universitat Politècnica de València, ja que multitud de publicacions l'avalen com el framework de virtualització remota de GPUs més avançat de l'actualitat. Els resultats obtinguts en aquesta tesi mostren que l'ús de rCUDA en entorns de Cloud Computing incrementa el grau de llibertat del sistema, ja que permet crear instàncies virtuals de les GPUs físiques totalment a mida de les necessitats de cadascuna de les màquines virtuals. En entorns HPC (High Performance Computing; Computació d'Altes Prestacions), rCUDA també proporciona un major grau de flexibilitat en l'ús de les GPUs de tot el clúster de còmput, ja que permet desacoblar totalment la part CPU de la part GPU de les aplicacions. A més, les GPUs poden estar en qualsevol node del clúster, sense importar el node en el qual s'està executant la part CPU de l'aplicació. En general, tant per a Cloud Computing com en el cas del HPC, aquest major grau de flexibilitat es tradueix en un augment fins 2x de la productivitat de tot el sistema al mateix temps que es redueix el consum energètic en aproximadament un 15%. Finalment, també hem desenvolupat un mecanisme de migració de treballs de la part GPU de les aplicacions que ha estat integrat dins del framework rCUDA. Aquest mecanisme de migració ha estat avaluat i els resultats mostren clarament que, a canvi d'una petita sobrecàrrega, al voltant de 400 mil·lisegons, en el temps d'execució de les aplicacions, és una potent eina amb la qual, de nou, augmentar la productivitat i reduir la despesa energètica de sistema. En resum, en aquesta tesi s'analitzen els principals problemes derivats de l'ús de les GPUs com acceleradors de còmput, tant en entorns HPC com de Cloud Computing, i es demostra com a través de l'ús del framework rCUDA, aquests problemes poden solucionar-se. A més es desenvolupa un potent mecanisme de migració de treballs GPU, que integrat dins del framework rCUDA, esdevé una eina clau per als futurs planificadors de treballs en clústers heterogenis.[EN] In the last decade the use of GPGPU (General Purpose computing in Graphics Processing Units) has become extremely popular in data centers around the world. GPUs (Graphics Processing Units) have been established as computational accelerators that are used alongside CPUs to form heterogeneous systems. The massively parallel nature of GPUs, traditionally intended for graphics computing, allows to perform numerical operations with data arrays at high speed. This is achieved thanks to the large number of cores GPUs integrate and the large bandwidth of memory access. Consequently, applications of all kinds of fields, such as chemistry, physics, engineering, artificial intelligence, materials science, and so on, presenting this type of computational patterns are benefited by drastically reducing their execution time. In general, the use of computing acceleration provided by GPUs has meant a step forward and a revolution, but it is not without problems, such as energy efficiency problems, low utilization of GPUs, high acquisition and maintenance costs, etc. In this PhD thesis we aim to analyze the main shortcomings of these heterogeneous systems and propose solutions based on the use of remote GPU virtualization. To that end, we have used the rCUDA middleware, developed at Universitat Politècnica de València. Many publications support rCUDA as the most advanced remote GPU virtualization framework nowadays. The results obtained in this PhD thesis show that the use of rCUDA in Cloud Computing environments increases the degree of freedom of the system, as it allows to create virtual instances of the physical GPUs fully tailored to the needs of each of the virtual machines. In HPC (High Performance Computing) environments, rCUDA also provides a greater degree of flexibility in the use of GPUs throughout the computing cluster, as it allows the CPU part to be completely decoupled from the GPU part of the applications. In addition, GPUs can be on any node in the cluster, regardless of the node on which the CPU part of the application is running. In general, both for Cloud Computing and in the case of HPC, this greater degree of flexibility translates into an up to 2x increase in system-wide throughput while reducing energy consumption by approximately 15%. Finally, we have also developed a job migration mechanism for the GPU part of applications that has been integrated within the rCUDA middleware. This migration mechanism has been evaluated and the results clearly show that, in exchange for a small overhead of about 400 milliseconds in the execution time of the applications, it is a powerful tool with which, again, we can increase productivity and reduce energy foot print of the computing system. In summary, this PhD thesis analyzes the main problems arising from the use of GPUs as computing accelerators, both in HPC and Cloud Computing environments, and demonstrates how thanks to the use of the rCUDA middleware these problems can be addressed. In addition, a powerful GPU job migration mechanism is being developed, which, integrated within the rCUDA framework, becomes a key tool for future job schedulers in heterogeneous clusters.This work jointly supported by the Fundación Séneca (Agencia Regional de Ciencia y Tecnología, Región de Murcia) under grants (20524/PDC/18, 20813/PI/18 and 20988/PI/18) and by the Spanish MEC and European Commission FEDER under grants TIN2015-66972-C5-3-R, TIN2016-78799-P and CTQ2017-87974-R (AEI/FEDER, UE). We also thank NVIDIA for hardware donation under GPU Educational Center 2014-2016 and Research Center 2015-2016. The authors thankfully acknowledge the computer resources at CTE-POWER and the technical support provided by Barcelona Supercomputing Center - Centro Nacional de Supercomputación (RES-BCV-2018-3-0008). Furthermore, researchers from Universitat Politècnica de València are supported by the Generalitat Valenciana under Grant PROMETEO/2017/077. Authors are also grateful for the generous support provided by Mellanox Technologies Inc. Prof. Pradipta Purkayastha, from Department of Chemical Sciences, Indian Institute of Science Education and Research (IISER) Kolkata, is acknowledged for kindly providing the initial ligand and DNA structures.Prades Gasulla, J. (2021). Improving Performance and Energy Efficiency of Heterogeneous Systems with rCUDA [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/168081TESISCompendi

PoCL-R: An Open Standard Based Offloading Layer for Heterogeneous Multi-Access Edge Computing with Server Side Scalability

We propose a novel computing runtime that exposes remote compute devices via the cross-vendor open heterogeneous computing standard OpenCL and can execute compute tasks on the MEC cluster side across multiple servers in a scalable manner. Intermittent UE connection loss is handled gracefully even if the device's IP address changes on the way. Network-induced latency is minimized by transferring data and signaling command completions between remote devices in a peer-to-peer fashion directly to the target server with a streamlined TCP-based protocol that yields a command latency of only 60 microseconds on top of network round-trip latency in synthetic benchmarks. The runtime can utilize RDMA to speed up inter-server data transfers by an additional 60% compared to the TCP-based solution. The benefits of the proposed runtime in MEC applications are demonstrated with a smartphone-based augmented reality rendering case study. Measurements show up to 19x improvements to frame rate and 17x improvements to local energy consumption when using the proposed runtime to offload AR rendering from a smartphone. Scalability to multiple GPU servers in real-world applications is shown in a computational fluid dynamics simulation, which scales with the number of servers at roughly 80% efficiency which is comparable to an MPI port of the same simulation.Comment: 13 pages, 17 figure

Serverless Computing Strategies on Cloud Platforms

[ES] Con el desarrollo de la Computación en la Nube, la entrega de recursos virtualizados a través de Internet ha crecido enormemente en los últimos años. Las Funciones como servicio (FaaS), uno de los modelos de servicio más nuevos dentro de la Computación en la Nube, permite el desarrollo e implementación de aplicaciones basadas en eventos que cubren servicios administrados en Nubes públicas y locales. Los proveedores públicos de Computación en la Nube adoptan el modelo FaaS dentro de su catálogo para proporcionar computación basada en eventos altamente escalable para las aplicaciones. Por un lado, los desarrolladores especializados en esta tecnología se centran en crear marcos de código abierto serverless para evitar el bloqueo con los proveedores de la Nube pública. A pesar del desarrollo logrado por la informática serverless, actualmente hay campos relacionados con el procesamiento de datos y la optimización del rendimiento en la ejecución en los que no se ha explorado todo el potencial. En esta tesis doctoral se definen tres estrategias de computación serverless que permiten evidenciar los beneficios de esta tecnología para el procesamiento de datos. Las estrategias implementadas permiten el análisis de datos con la integración de dispositivos de aceleración para la ejecución eficiente de aplicaciones científicas en plataformas cloud públicas y locales. En primer lugar, se desarrolló la plataforma CloudTrail-Tracker. CloudTrail-Tracker es una plataforma serverless de código abierto basada en eventos para el procesamiento de datos que puede escalar automáticamente hacia arriba y hacia abajo, con la capacidad de escalar a cero para minimizar los costos operativos. Seguidamente, se plantea la integración de GPUs en una plataforma serverless local impulsada por eventos para el procesamiento de datos escalables. La plataforma admite la ejecución de aplicaciones como funciones severless en respuesta a la carga de un archivo en un sistema de almacenamiento de ficheros, lo que permite la ejecución en paralelo de las aplicaciones según los recursos disponibles. Este procesamiento es administrado por un cluster Kubernetes elástico que crece y decrece automáticamente según las necesidades de procesamiento. Ciertos enfoques basados en tecnologías de virtualización de GPU como rCUDA y NVIDIA-Docker se evalúan para acelerar el tiempo de ejecución de las funciones. Finalmente, se implementa otra solución basada en el modelo serverless para ejecutar la fase de inferencia de modelos de aprendizaje automático previamente entrenados, en la plataforma de Amazon Web Services y en una plataforma privada con el framework OSCAR. El sistema crece elásticamente de acuerdo con la demanda y presenta una escalado a cero para minimizar los costes. Por otra parte, el front-end proporciona al usuario una experiencia simplificada en la obtención de la predicción de modelos de aprendizaje automático. Para demostrar las funcionalidades y ventajas de las soluciones propuestas durante esta tesis se recogen varios casos de estudio que abarcan diferentes campos del conocimiento como la analítica de aprendizaje y la Inteligencia Artificial. Esto demuestra que la gama de aplicaciones donde la computación serverless puede aportar grandes beneficios es muy amplia. Los resultados obtenidos avalan el uso del modelo serverless en la simplificación del diseño de arquitecturas para el uso intensivo de datos en aplicaciones complejas.[CA] Amb el desenvolupament de la Computació en el Núvol, el lliurament de recursos virtualitzats a través d'Internet ha crescut granment en els últims anys. Les Funcions com a Servei (FaaS), un dels models de servei més nous dins de la Computació en el Núvol, permet el desenvolupament i implementació d'aplicacions basades en esdeveniments que cobreixen serveis administrats en Núvols públics i locals. Els proveïdors de computació en el Núvol públic adopten el model FaaS dins del seu catàleg per a proporcionar a les aplicacions computació altament escalable basada en esdeveniments. D'una banda, els desenvolupadors especialitzats en aquesta tecnologia se centren en crear marcs de codi obert serverless per a evitar el bloqueig amb els proveïdors del Núvol públic. Malgrat el desenvolupament alcançat per la informàtica serverless, actualment hi ha camps relacionats amb el processament de dades i l'optimització del rendiment d'execució en els quals no s'ha explorat tot el potencial. En aquesta tesi doctoral es defineixen tres estratègies informàtiques serverless que permeten demostrar els beneficis d'aquesta tecnologia per al processament de dades. Les estratègies implementades permeten l'anàlisi de dades amb a integració de dispositius accelerats per a l'execució eficient d'aplicacion scientífiques en plataformes de Núvol públiques i locals. En primer lloc, es va desenvolupar la plataforma CloudTrail-Tracker. CloudTrail-Tracker és una plataforma de codi obert basada en esdeveniments per al processament de dades serverless que pot escalar automáticament cap amunt i cap avall, amb la capacitat d'escalar a zero per a minimitzar els costos operatius. A continuació es planteja la integració de GPUs en una plataforma serverless local impulsada per esdeveniments per al processament de dades escalables. La plataforma admet l'execució d'aplicacions com funcions severless en resposta a la càrrega d'un arxiu en un sistema d'emmagatzemaments de fitxers, la qual cosa permet l'execució en paral·lel de les aplicacions segon sels recursos disponibles. Este processament és administrat per un cluster Kubernetes elàstic que creix i decreix automàticament segons les necessitats de processament. Certs enfocaments basats en tecnologies de virtualització de GPU com rCUDA i NVIDIA-Docker s'avaluen per a accelerar el temps d'execució de les funcions. Finalment s'implementa una altra solució basada en el model serverless per a executar la fase d'inferència de models d'aprenentatge automàtic prèviament entrenats en la plataforma de Amazon Web Services i en una plataforma privada amb el framework OSCAR. El sistema creix elàsticament d'acord amb la demanda i presenta una escalada a zero per a minimitzar els costos. D'altra banda el front-end proporciona a l'usuari una experiència simplificada en l'obtenció de la predicció de models d'aprenentatge automàtic. Per a demostrar les funcionalitats i avantatges de les solucions proposades durant esta tesi s'arrepleguen diversos casos d'estudi que comprenen diferents camps del coneixement com l'analítica d'aprenentatge i la Intel·ligència Artificial. Això demostra que la gamma d'aplicacions on la computació serverless pot aportar grans beneficis és molt àmplia. Els resultats obtinguts avalen l'ús del model serverless en la simplificació del disseny d'arquitectures per a l'ús intensiu de dades en aplicacions complexes.[EN] With the development of Cloud Computing, the delivery of virtualized resources over the Internet has greatly grown in recent years. Functions as a Service (FaaS), one of the newest service models within Cloud Computing, allows the development and implementation of event-based applications that cover managed services in public and on-premises Clouds. Public Cloud Computing providers adopt the FaaS model within their catalog to provide event-driven highly-scalable computing for applications. On the one hand, developers specialized in this technology focus on creating open-source serverless frameworks to avoid the lock-in with public Cloud providers. Despite the development achieved by serverless computing, there are currently fields related to data processing and execution performance optimization where the full potential has not been explored. In this doctoral thesis three serverless computing strategies are defined that allow to demonstrate the benefits of this technology for data processing. The implemented strategies allow the analysis of data with the integration of accelerated devices for the efficient execution of scientific applications on public and on-premises Cloud platforms. Firstly, the CloudTrail-Tracker platform was developed to extract and process learning analytics in the Cloud. CloudTrail-Tracker is an event-driven open-source platform for serverless data processing that can automatically scale up and down, featuring the ability to scale to zero for minimizing the operational costs. Next, the integration of GPUs in an event-driven on-premises serverless platform for scalable data processing is discussed. The platform supports the execution of applications as serverless functions in response to the loading of a file in a file storage system, which allows the parallel execution of applications according to available resources. This processing is managed by an elastic Kubernetes cluster that automatically grows and shrinks according to the processing needs. Certain approaches based on GPU virtualization technologies such as rCUDA and NVIDIA-Docker are evaluated to speed up the execution time of the functions. Finally, another solution based on the serverless model is implemented to run the inference phase of previously trained machine learning models on theAmazon Web Services platform and in a private platform with the OSCAR framework. The system grows elastically according to demand and is scaled to zero to minimize costs. On the other hand, the front-end provides the user with a simplified experience in obtaining the prediction of machine learning models. To demonstrate the functionalities and advantages of the solutions proposed during this thesis, several case studies are collected covering different fields of knowledge such as learning analytics and Artificial Intelligence. This shows the wide range of applications where serverless computing can bring great benefits. The results obtained endorse the use of the serverless model in simplifying the design of architectures for the intensive data processing in complex applications.Naranjo Delgado, DM. (2021). Serverless Computing Strategies on Cloud Platforms [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/160916TESI

PoCL-R : A Scalable Low Latency Distributed OpenCL Runtime

Offloading the most demanding parts of applications to an edge GPU server cluster to save power or improve the result quality is a solution that becomes increasingly realistic with new networking technologies. In order to make such a computing scheme feasible, an application programming layer that can provide both low latency and scalable utilization of remote heterogeneous computing resources is needed. To this end, we propose a latency-optimized scalable distributed heterogeneous computing runtime implementing the standard OpenCL API. In the proposed runtime, network-induced latency is reduced by means of peer-to-peer data transfers and event synchronization as well as a streamlined control protocol implementation. Further improvements can be obtained streaming of source data directly from the producer device to the compute cluster. Compute cluster scalability is improved by distributing the command and event processing responsibilities to remote compute servers. We also show how a simple optional dynamic content size buffer OpenCL extension can significantly speed up applications that utilize variable length data. For evaluation we present a smartphone-based augmented reality rendering case study which, using the runtime, receives 19× improvement in frames per second and 17× improvement in energy per frame when offloading parts of the rendering workload to a nearby GPU server. The remote kernel execution latency overhead of the runtime is only 60 ms on top of the network roundtrip time. The scalability on multi-server multi-GPU clusters is shown with a distributed large matrix multiplication application.acceptedVersionPeer reviewe

On the programmability of multi-GPU computing systems

Multi-GPU systems are widely used in High Performance Computing environments to accelerate scientific computations. This trend is expected to continue as integrated GPUs will be introduced to processors used in multi-socket servers and servers will pack a higher number of GPUs per node. GPUs are currently connected to the system through the PCI Express interconnect, which provides limited bandwidth (compared to the bandwidth of the memory in GPUs) and it often becomes a bottleneck for performance scalability. Current programming models present GPUs as isolated devices with their own memory, even if they share the host memory with the CPU. Programmers explicitly manage allocations in all GPU memories and use primitives to communicate data between GPUs. Furthermore, programmers are required to use mechanisms such as command queues and inter-GPU synchronization. This explicit model harms the maintainability of the code and introduces new sources for potential errors. The first proposal of this thesis is the HPE model. HPE builds a simple, consistent programming interface based on three major features. (1) All device address spaces are combined with the host address space to form a Unified Virtual Address Space. (2) Programs are provided with an Asymmetric Distributed Shared Memory system for all the GPUs in the system. It allows to allocate memory objects that can be accessed by any GPU or CPU. (3) Every CPU thread can request a data exchange between any two GPUs, through simple memory copy calls. Such a simple interface allows HPE to provide always the optimal implementation; eliminating the need for application code to handle different system topologies. Experimental results show improvements on real applications that range from 5% in compute-bound benchmarks to 2.6x in communication-bound benchmarks. HPE transparently implements sophisticated communication schemes that can deliver up to a 2.9x speedup in I/O device transfers. The second proposal of this thesis is a shared memory programming model that exploits the new GPU capabilities for remote memory accesses to remove the need for explicit communication between GPUs. This model turns a multi-GPU system into a shared memory system with NUMA characteristics. In order to validate the viability of the model we also perform an exhaustive performance analysis of remote memory accesses over PCIe. We show that the unique characteristics of the GPU execution model and memory hierarchy help to hide the costs of remote memory accesses. Results show that PCI Express 3.0 is able to hide the costs of up to a 10% of remote memory accesses depending on the access pattern, while caching of remote memory accesses can have a large performance impact on kernel performance. Finally, we introduce AMGE, a programming interface, compiler support and runtime system that automatically executes computations that are programmed for a single GPU across all the GPUs in the system. The programming interface provides a data type for multidimensional arrays that allows for robust, transparent distribution of arrays across all GPU memories. The compiler extracts the dimensionality information from the type of each array, and is able to determine the access pattern in each dimension of the array. The runtime system uses the compiler-provided information to automatically choose the best computation and data distribution configuration to minimize inter-GPU communication and memory footprint. This model effectively frees programmers from the task of decomposing and distributing computation and data to exploit several GPUs. AMGE achieves almost linear speedups for a wide range of dense computation benchmarks on a real 4-GPU system with an interconnect with moderate bandwidth. We show that irregular computations can also benefit from AMGE, too.Los sistemas multi-GPU son muy comúnmente utilizados en entornos de computación de altas prestaciones para acelerar cálculos científicos. Esta tendencia continuará con la introducción de GPUs integradas en los procesadores de los servidores procesador y con una mayor densidad de GPUs por nodo. Las GPUs actualmente se contectan al sistema a través de una interconexión PCI Express, que provee un ancho de banda reducido (comparado con las memorias de las GPUs) y habitualmente se convierte en el cuello de botella para escalar el rendimiento. Los modelos de programación actuales exponen las GPUs como dispositivos aislados con su propia memoria, incluso si comparten la memoria física con la CPU. Los programadores manejan diferentes reservas en todas las memorias de GPU y usan primitivas para comunicar datos entre GPUs. Además, los programadores deben utilizar mecanismos como colas de comandos y sincronicación entre GPUs. Este modelo explícito empeora la programabilidad del código e introduce nuevas fuentes de errores potenciales. La primera propuesta de esta tesis es el modelo HPE. HPE construye una interfaz de programaci ón consistente basada en tres características principales. (1) Todos los espacios de direcciones de los dispositivos son combinados para formar un espacio de direcciones unificado. (2) Los programas usan un sistema asimétrico distribuido de memoria compartida para todas las GPUs del sistema, que permite declarar objetos de memoria que pueden ser accedidos por cualquier GPU o CPU. (3) Cada hilo de ejecución de la CPU puede lanzar un intercambio de datos entre dos GPUs a través de simples llamadas de copia de memoria. Esta interfaz simplificada permite a HPE usar la implementaci ón óptima; sinque la aplicación contemple diferentes topologías de sistema. Los resultados experimentales muestran mejoras en aplicaciones reales que van desde un 5% en aplicaciones limitadas por el cómputo a 2.6x aplicaciones imitadas por la comunicación. HPE implementa sofisticados esquemas de transferencia para dispositivos de E/S que proporcionan mejoras de rendimiento de 2.9x. La segunda propuesta de esta tesis es un modelo de programación basado en memoria compartida que aprovecha las nuevas capacidades acceso remoto de memoria de las GPUs para eliminar la comunicación explícita entre memorias de GPU. Este modelo convierte un sistema multi-GPU en un sistema de memoria compartida con características NUMA. Para validar la viabilidad del modelo realizamos un anlásis exhaustivo del rendimiento los accessos de memoria remotos sobre PCIe. Los resultados muestran que PCI Express 3.0 elimina los costes de hasta un 10% de accesos remotos, dependiendo en el patrón de acceso, mientras que guardar los accesos remotos en memorias cache tiene un gran inpacto en el rendimiento de las computaciones. Finalmente, presentamos AMGE, una interfaz de programación con soporte de compilación y un sistema que ejecuta, de forma automática, computaciones programadas para una única GPU en todas las GPUs del sistema. La interfaz de programación proporciona un tipo de datos para arreglos multidimensionales que permite una distribuci ón transparente y robusta de los datos en todas las memorias de GPU. El compilador extrae la información sobre la dimensionalidad de cada arreglo y puede determinar el patrón de acceso en cada dimensión de forma individual. El sistema utiliza, en tiempo de ejecución, la información del compilador para elegir la mejor descomposición de la computación y los datos para minimizar la comunicación entre GPUs y el uso de memoria. AMGE consigue mejoras de rendimiento que crecen de forma lineal con el número de GPUs para un amplio abanico de computaciones densas en un sistema real con 4 GPUs. También mostramos que las computaciones con patrones irregulares también se pueden beneficiar de AMGE

이종 클러스터를 위한 OpenCL 프레임워크

학위논문 (박사)-- 서울대학교 대학원 : 전기·컴퓨터공학부, 2013. 8. 이재진.OpenCL은 이종 컴퓨팅 시스템의 다양한 계산 장치를 위한 통합 프로그래밍 모델이다. OpenCL은 다양한 이기종의 계산 장치에 대한 공통된 하드웨어 추상화 레이어를 프로그래머에게 제공한다. 프로그래머가 이 추상화 레이어를 타깃으로 OpenCL 어플리케이션을 작성하면, 이 어플리케이션은 OpenCL을 지원하는 모든 하드웨어에서 실행 가능하다. 하지만 현재 OpenCL은 단일 운영체제 시스템을 위한 프로그래밍 모델로 한정된다. 프로그래머가 명시적으로 MPI와 같은 통신 라이브러리를 사용하지 않으면 OpenCL 어플리케이션은 복수개의 노드로 이루어진 클러스터에서 동작하지 않는다. 요즘 들어 여러 개의 멀티코어 CPU와 가속기를 갖춘 이종 클러스터는 그 사용자 기반을 넓혀가고 있다. 이에 해당 이종 클러스터를 타깃으로 프로그래밍 하기 위해서는 프로그래머는 MPI-OpenCL 같이 여러 프로그래밍 모델을 혼합하여 어플리케이션을 작성해야 한다. 이는 어플리케이션을 복잡하게 만들어 유지보수가 어렵게 되며 이식성이 낮아진다. 본 논문에서는 이종 클러스터를 위한 OpenCL 프레임워크, SnuCL을 제안한다. 본 논문은 OpenCL 모델이 이종 클러스터 프로그래밍 환경에 적합하다는 것을 보인다. 이와 동시에 SnuCL이 고성능과 쉬운 프로그래밍을 동시에 달성할 수 있음을 보인다. SnuCL은 타깃 이종 클러스터에 대해서 단일 운영체제가 돌아가는 하나의 시스템 이미지를 사용자에게 제공한다. OpenCL 어플리케이션은 클러스터의 모든 계산 노드에 존재하는 모든 계산 장치가 호스트 노드에 있다는 환상을 갖게 된다. 따라서 프로그래머는 MPI 라이브러리와 같은 커뮤니케이션 API를 사용하지 않고 OpenCL 만을 사용하여 이종 클러스터를 타깃으로 어플리케이션을 작성할 수 있게 된다. SnuCL의 도움으로 OpenCL 어플리케이션은 단일 노드에서 이종 디바이스간 이식성을 가질 뿐만 아니라 이종 클러스터 환경에서도 디바이스간 이식성을 가질 수 있게 된다. 본 논문에서는 총 열한 개의 OpenCL 벤치마크 어플리케이션의 실험을 통하여 SnuCL의 성능을 보인다.OpenCL is a unified programming model for different types of computational units in a single heterogeneous computing system. OpenCL provides a common hardware abstraction layer across different computational units. Programmers can write OpenCL applications once and run them on any OpenCL-compliant hardware. However, one of the limitations of current OpenCL is that it is restricted to a programming model on a single operating system image. It does not work for a cluster of multiple nodes unless the programmer explicitly uses communication libraries, such as MPI. A heterogeneous cluster contains multiple general-purpose multicore CPUs and multiple accelerators to solve bigger problems within an acceptable time frame. As such clusters widen their user base, application developers for the clusters are being forced to turn to an unattractive mix of programming models, such as MPI-OpenCL. This makes the application more complex, hard to maintain, and less portable. In this thesis, we propose SnuCL, an OpenCL framework for heterogeneous clusters. We show that the original OpenCL semantics naturally fits to the heterogeneous cluster programming environment, and the framework achieves high performance and ease of programming. SnuCL provides a system image running a single operating system instance for heterogeneous clusters to the user. It allows the application to utilize compute devices in a compute node as if they were in the host node. No communication API, such as the MPI library, is required in the application source. With SnuCL, an OpenCL application becomes portable not only between heterogeneous devices in a single node, but also between compute devices in the cluster environment. We implement SnuCL and evaluate its performance using eleven OpenCL benchmark applications.Abstract I. Introduction I.1 Heterogeneous Computing I.2 Motivation I.3 Related Work I.4 Contributions I.5 Organization of this Thesis II. The OpenCL Architecture II.1 Platform Model II.2 Execution Model II.3 Memory Model II.4 OpenCL Applications III. The SnuCL Framework III.1 The SnuCL Runtime III.1.1 Mapping Components III.1.2 Organization of the SnuCL Runtime III.1.3 Processing Kernel-execution Commands III.1.4 Processing Synchronization Commands III.2 Memory Management III.2.1 The OpenCL Memory Model III.2.2 Space Allocation to Buffers III.2.3 Minimizing Memory Copying Overhead III.2.4 Processing Memory Commands III.2.5 Consistency Management III.2.6 Ease of Programming III.3 Extensions to OpenCL III.4 Code Transformations III.4.1 Detecting Buffers Written by a Kernel III.4.2 Emulating PEs for CPU Devices III.4.3 Distributing the Kernel Code IV. Distributed Execution Model for SnuCL IV.1 Two Problems in SnuCL IV.2 Remote Device Virtualization IV.2.1 Exclusive Execution on the Host IV.3 OpenCL Framework Integration IV.3.1 OpenCL Installable Client Driver (ICD) IV.3.2 Event Synchronization IV.3.3 Memory Sharing V. Experimental Results V.1 SnuCL Evaluation V.1.1 Methodology V.1.2 Results V.2 SnuCL-D Evaluation V.2.1 Methodology V.2.2 Results VI. Conclusions and Future Directions VI.1 Conclusions VI.2 Future Directions Bibliography Korean AbstractDocto

Real-Time Scheduling for GPUs with Applications in Advanced Automotive Systems

Self-driving cars, once constrained to closed test tracks, are beginning to drive alongside human drivers on public roads. Loss of life or property may result if the computing systems of automated vehicles fail to respond to events at the right moment. We call such systems that must satisfy precise timing constraints “real-time systems.” Since the 1960s, researchers have developed algorithms and analytical techniques used in the development of real-time systems; however, this body of knowledge primarily applies to traditional CPU-based platforms. Unfortunately, traditional platforms cannot meet the computational requirements of self-driving cars without exceeding the power and cost constraints of commercially viable vehicles. We argue that modern graphics processing units, or GPUs, represent a feasible alternative, but new algorithms and analytical techniques must be developed in order to integrate these uniquely constrained processors into a real-time system. The goal of the research presented in this dissertation is to discover and remedy the issues that prevent the use of GPUs in real-time systems. To overcome these issues, we design and implement a real-time multi-GPU scheduler, called GPUSync. GPUSync tightly controls access to a GPU’s computational and DMA processors, enabling simultaneous use despite potential limitations in GPU hardware. GPUSync enables tasks to migrate among GPUs, allowing new classes of real-time multi-GPU computing platforms. GPUSync employs heuristics to guide scheduling decisions to improve system efficiency without risking violations in real-time constraints. GPUSync may be paired with a wide variety of common real-time CPU schedulers. GPUSync supports closed-source GPU runtimes and drivers without loss in functionality. We evaluate GPUSync with both analytical and runtime experiments. In our analytical experiments, we model and evaluate over fifty configurations of GPUSync. We determine which configurations support the greatest computational capacity while maintaining real-time constraints. In our runtime experiments, we execute computer vision programs similar to those found in automated vehicles, with and without GPUSync. Our results demonstrate that GPUSync greatly reduces jitter in video processing. Research into real-time systems with GPUs is a new area of study. Although there is prior work on such systems, no other GPU scheduling framework is as comprehensive and flexible as GPUSync.Doctor of Philosoph