Directive-based Approach to Heterogeneous Computing

El mundo de la computación de altas prestaciones está sufriendo grandes cambios que incrementan notablemente su complejidad. La incapacidad de los sistemas monoprocesador o incluso multiprocesador de mantener el incremento de la potencia de cómputo para suplir las necesidades de la comunidad científica ha forzado la irrupción de arquitecturas hardware masivamente paralelas y de unidades específicas para realizar operaciones concretas. Un buen ejemplo de este tipo de dispositivos son las GPU (Unidades de procesamiento gráfico). Estos dispositivos, tradicionalmente dedicados a la programación gráfica, se han convertido recientemente en una plataforma ideal para implementar cómputos masivamente paralelos. La combinación de GPUs para realizar tareas intensivas en cómputo con multi-procesadores para llevar tareas menos intensas pero con lógica de control más compleja, se ha convertido en los últimos años en una de las plataformas más comunes para la realización de cálculos científicos a bajo coste, dado que la potencia desplegada en muchos casos puede alcanzar la de clústers de pequeño o mediano tamaño, con un coste inicial y de mantenimiento notablemente inferior. La incorporación de GPUs en clústers ha permitido también aumentar la capacidad de éstos. Sin embargo, la complejidad de la programación de GPUs, y su integración con códigos existentes, dificultan enormemente la introducción de estas tecnologías entre usuarios menos expertos. En esta tésis exploramos la utilización de modelos de programación basados en directivas para este tipo de entornos, multi-core, many-core, GPUs y clústers, donde el usuario medio ve disminuida notablemente su productividad debido a la dificultad de programación en estos entornos. Para explorar la mejor forma de aplicar directivas en estos entornos, hemos desarrollado un conjunto de herramientas software altamente flexibles (un compilador y un runtime), que permiten explorar diversas técnicas con relativamente poco esfuerzo. La irrupción del estándar de programación de directivas de OpenACC nos permitió demostrar la capacidad de estas herramientas, realizando una implementación experimental del estándar (accULL) en muy poco tiempo y con un rendimiento nada desdeñable. Los resultados computacionales aportados nos permiten demostrar: (a) La disminución en el esfuerzo de programación que permiten las aproximaciones basadas en directivas, (b) La capacidad y flexibilidad de las herramientas diseñadas durante esta tésis para explorar estas aproximaciones y finalmente (c) El potencial de desarrollo futuro de accULL como herramienta experimental en OpenACC en base al rendimiento obtenido actualmente frente al rendimiento de otras aproximaciones comerciales

Profile-driven parallelisation of sequential programs

Traditional parallelism detection in compilers is performed by means of static analysis and more specifically data and control dependence analysis. The information that is available at compile time, however, is inherently limited and therefore restricts the parallelisation opportunities. Furthermore, applications written in C – which represent the majority of today’s scientific, embedded and system software – utilise many lowlevel features and an intricate programming style that forces the compiler to even more conservative assumptions. Despite the numerous proposals to handle this uncertainty at compile time using speculative optimisation and parallelisation, the software industry still lacks any pragmatic approaches that extracts coarse-grain parallelism to exploit the multiple processing units of modern commodity hardware. This thesis introduces a novel approach for extracting and exploiting multiple forms of coarse-grain parallelism from sequential applications written in C. We utilise profiling information to overcome the limitations of static data and control-flow analysis enabling more aggressive parallelisation. Profiling is performed using an instrumentation scheme operating at the Intermediate Representation (Ir) level of the compiler. In contrast to existing approaches that depend on low-level binary tools and debugging information, Ir-profiling provides precise and direct correlation of profiling information back to the Ir structures of the compiler. Additionally, our approach is orthogonal to existing automatic parallelisation approaches and additional fine-grain parallelism may be exploited. We demonstrate the applicability and versatility of the proposed methodology using two studies that target different forms of parallelism. First, we focus on the exploitation of loop-level parallelism that is abundant in many scientific and embedded applications. We evaluate our parallelisation strategy against the Nas and Spec Fp benchmarks and two different multi-core platforms (a shared-memory Intel Xeon Smp and a heterogeneous distributed-memory Ibm Cell blade). Empirical evaluation shows that our approach not only yields significant improvements when compared with state-of- the-art parallelising compilers, but comes close to and sometimes exceeds the performance of manually parallelised codes. On average, our methodology achieves 96% of the performance of the hand-tuned parallel benchmarks on the Intel Xeon platform, and a significant speedup for the Cell platform. The second study, addresses the problem of partially sequential loops, typically found in implementations of multimedia codecs. We develop a more powerful whole-program representation based on the Program Dependence Graph (Pdg) that supports profiling, partitioning and codegeneration for pipeline parallelism. In addition we demonstrate how this enhances conventional pipeline parallelisation by incorporating support for multi-level loops and pipeline stage replication in a uniform and automatic way. Experimental results using a set of complex multimedia and stream processing benchmarks confirm the effectiveness of the proposed methodology that yields speedups up to 4.7 on a eight-core Intel Xeon machine

Methoden und Werkzeuge zum Einsatz von rekonfigurierbaren Akzeleratoren in Mehrkernsystemen

Rechensysteme mit Mehrkernprozessoren werden häufig um einen rekonfigurierbaren Akzelerator wie einen FPGA erweitert. Die Verlagerung von Anwendungsteilen in Hardware wird meist von Spezialisten vorgenommen. Damit Anwender selbst rekonfigurierbare Hardware programmieren können, ist mein Beitrag die komponentenbasierte Programmierung und Verwendung mit automatischer Beachtung der Datenlokalität. So lässt sich auch bei datenintensiven Anwendungen Nutzen aus den Akzeleratoren erzielen