Fairness-aware scheduling on single-ISA heterogeneous multi-cores

Single-ISA heterogeneous multi-cores consisting of small (e.g., in-order) and big (e.g., out-of-order) cores dramatically improve energy- and power-efficiency by scheduling workloads on the most appropriate core type. A significant body of recent work has focused on improving system throughput through scheduling. However, none of the prior work has looked into fairness. Yet, guaranteeing that all threads make equal progress on heterogeneous multi-cores is of utmost importance for both multi-threaded and multi-program workloads to improve performance and quality-of-service. Furthermore, modern operating systems affinitize workloads to cores (pinned scheduling) which dramatically affects fairness on heterogeneous multi-cores. In this paper, we propose fairness-aware scheduling for single-ISA heterogeneous multi-cores, and explore two flavors for doing so. Equal-time scheduling runs each thread or workload on each core type for an equal fraction of the time, whereas equal-progress scheduling strives at getting equal amounts of work done on each core type. Our experimental results demonstrate an average 14% (and up to 25%) performance improvement over pinned scheduling through fairness-aware scheduling for homogeneous multi-threaded workloads; equal-progress scheduling improves performance by 32% on average for heterogeneous multi-threaded workloads. Further, we report dramatic improvements in fairness over prior scheduling proposals for multi-program workloads, while achieving system throughput comparable to throughput-optimized scheduling, and an average 21% improvement in throughput over pinned scheduling

Planificación consciente de la contención y gestión de recursos en arquitecturas multicore emergentes

Tesis inédita de la Universidad Complutense de Madrid, Facultad de Informática, Departamento de Arquitectura de Computadores y Automática, leída el 14-12-2021Chip multicore processors (CMPs) currently constitute the architecture of choice for mosto general-pùrpose computing systems, and they will likely continue to be dominant in the near future. Advances in technology have enabled to pack an increasing number of cores and bigger caches on the same chip. Nevertheless, contention on shared resources on CMPs -present since the advent of these architectures- still poses a big challenge. Cores in a CMP typically share a last-level cache (LLC) and other memory-related resources with the remaining cores, such as a DRAM controller and an interconnection network. This causes that co-running applications may intensively compete with each other for these shared resources, leading to substantial and uneven performance degradation...Los procesadores multinúcleo o CMPs (Chip Multicore Processors) son actualmente la arquitectura más usada por la mayoría de sistemas de computación de propósito general, y muy probablemente se mantendrían en esa posición dominante en el futuro cercano. Los avances tecnológicos han permitido integrar progresivamente en el mismo chip más cores y aumentar los tamaños de los distintos niveles de cache. No obstante, la contención de recursos compartidos en CMPs {presente desde la aparición de estas arquitecturas{ todavía representa un reto importante que afrontar. Los cores en un CMP comparten en la mayor parte de los diseños una cache de último nivel o LLC (Last-Level Cache) y otros recursos, como el controlador de DRAM o una red de interconexión. La existencia de dichos recursos compartidos provoca en ocasiones que cuando se ejecutan dos o más aplicaciones simultáneamente en el sistema, se produzca una degradación sustancial y potencialmente desigual del rendimiento entre aplicaciones...Fac. de InformáticaTRUEunpu

Hardware thread scheduling algorithms for single-ISA asymmetric CMPs

Through the past several decades, based on the Moore's law, the semiconductor industry was doubling the number of transistors on the single chip roughly every eighteen months. For a long time this continuous increase in transistor budget drove the increase in performance as the processors continued to exploit the instruction level parallelism (ILP) of the sequential programs. This pattern hit the wall in the early years of the twentieth century when designing larger and more complex cores became difficult because of the power and complexity reasons. Computer architects responded by integrating many cores on the same die thereby creating Chip Multicore Processors (CMP). In the last decade, the computing technology experienced tremendous developments, Chip Multiprocessors (CMP) expanded from the symmetric and homogeneous to the asymmetric or heterogeneous Multiprocessors. Having cores of different types in a single processor enables optimizing performance, power and energy efficiency for a wider range of workloads. It enables chip designers to employ specialization (that is, we can use each type of core for the type of computation where it delivers the best performance/energy trade-off). The benefits of Asymmetric Chip Multiprocessors (ACMP) are intuitive as it is well known that different workloads have different resource requirements. The CMPs improve the performance of applications by exploiting the Thread Level Parallelism (TLP). Parallel applications relying on multiple threads must be efficiently managed and dispatched for execution if the parallelism is to be properly exploited. Since more and more applications become multi-threaded we expect to find a growing number of threads executing on a machine. Consequently, the operating system will require increasingly larger amounts of CPU time to schedule these threads efficiently. Thus, dynamic thread scheduling techniques are of paramount importance in ACMP designs since they can make or break performance benefits derived from the asymmetric hardware or parallel software. Several thread scheduling methods have been proposed and applied to ACMPs. In this thesis, we first study the state of the art thread scheduling techniques and identify the main reasons limiting the thread level parallelism in an ACMP systems. We propose three novel approaches to schedule and manage threads and exploit thread level parallelism implemented in hardware, instead of perpetuating the trend of performing more complex thread scheduling in the operating system. Our first goal is to improve the performance of an ACMP systems by improving thread scheduling at the hardware level. We also show that the hardware thread scheduling reduces the energy consumption of an ACMP systems by allowing better utilization of the underlying hardware.A través de las últimas décadas, con base en la ley de Moore, la industria de semiconductores duplica el número de transistores en el chip alrededor de una vez cada dieciocho meses. Durante mucho tiempo, este aumento continuo en el número de transistores impulsó el aumento en el rendimiento de los procesadores solo explotando el paralelismo a nivel de instrucción (ILP) y el aumento de la frecuencia de los procesadores, permitiendo un aumento del rendimiento de los programas secuenciales. Este patrón llego a su limite en los primeros años del siglo XX, cuando el diseño de procesadores más grandes y complejos se convirtió en una tareá difícil debido a las debido al consumo requerido. La respuesta a este problema por parte de los arquitectos fue la integración de muchos núcleos en el mismo chip creando así chip multinúcleo Procesadores (CMP). En la última década, la tecnología de la computación experimentado enormes avances, sobre todo el en chip multiprocesadores (CMP) donde se ha pasado de diseños simetricos y homogeneous a sistemas asimétricos y heterogeneous. Tener núcleos de diferentes tipos en un solo procesador permite optimizar el rendimiento, la potencia y la eficiencia energética para una amplia gama de cargas de trabajo. Permite a los diseñadores de chips emplear especialización (es decir, podemos utilizar un tipo de núcleo diferente para distintos tipos de cálculo dependiendo del trade-off respecto del consumo y rendimiento). Los beneficios de la asimétrica chip multiprocesadores (ACMP) son intuitivos, ya que es bien sabido que diferentes cargas de trabajo tienen diferentes necesidades de recursos. Los CMP mejoran el rendimiento de las aplicaciones mediante la explotación del paralelismo a nivel de hilo (TLP). En las aplicaciones paralelas que dependen de múltiples hilos, estos deben ser manejados y enviados para su ejecución, y el paralelismo se debe explotar de manera eficiente. Cada día hay mas aplicaciones multi-hilo, por lo tanto encotraremos un numero mayor de hilos que se estaran ejecutando en la máquina. En consecuencia, el sistema operativo requerirá cantidades cada vez mayores de tiempo de CPU para organizar y ejecutar estos hilos de manera eficiente. Por lo tanto, las técnicas de optimizacion dinámica para la organizacion de la ejecucion de hilos son de suma importancia en los diseños ACMP ya que pueden incrementar o dsiminuir el rendimiento del hardware asimétrico o del software paralelo. Se han propuesto y aplicado a ACMPs varios métodos de organizar y ejecutar los hilos. En esta tesis, primero estudiamos el estado del arte en las técnicas para la gestionar la ejecucion de los hilos y hemos identificado las principales razones que limitan el paralelismo en sistemas ACMP. Proponemos tres nuevos enfoques para programar y gestionar los hilos y explotar el paralelismo a nivel de hardware, en lugar de perpetuar la tendencia actual de dejar esta gestion cada vez maas compleja al sistema operativo. Nuestro primer objetivo es mejorar el rendimiento de un sistema ACMP mediante la mejora en la gestion de los hilos a nivel de hardware. También mostramos que la gestion del los hilos a nivel de hardware reduce el consumo de energía de un sistemas de ACMP al permitir una mejor utilización del hardware subyacente

Parallel architectures and runtime systems co-design for task-based programming models

The increasing parallelism levels in modern computing systems has extolled the need for a holistic vision when designing multiprocessor architectures taking in account the needs of the programming models and applications. Nowadays, system design consists of several layers on top of each other from the architecture up to the application software. Although this design allows to do a separation of concerns where it is possible to independently change layers due to a well-known interface between them, it is hampering future systems design as the Law of Moore reaches to an end. Current performance improvements on computer architecture are driven by the shrinkage of the transistor channel width, allowing faster and more power efficient chips to be made. However, technology is reaching physical limitations were the transistor size will not be able to be reduced furthermore and requires a change of paradigm in systems design. This thesis proposes to break this layered design, and advocates for a system where the architecture and the programming model runtime system are able to exchange information towards a common goal, improve performance and reduce power consumption. By making the architecture aware of runtime information such as a Task Dependency Graph (TDG) in the case of dataflow task-based programming models, it is possible to improve power consumption by exploiting the critical path of the graph. Moreover, the architecture can provide hardware support to create such a graph in order to reduce the runtime overheads and making possible the execution of fine-grained tasks to increase the available parallelism. Finally, the current status of inter-node communication primitives can be exposed to the runtime system in order to perform a more efficient communication scheduling, and also creates new opportunities of computation and communication overlap that were not possible before. An evaluation of the proposals introduced in this thesis is provided and a methodology to simulate and characterize the application behavior is also presented.El aumento del paralelismo proporcionado por los sistemas de cómputo modernos ha provocado la necesidad de una visión holística en el diseño de arquitecturas multiprocesador que tome en cuenta las necesidades de los modelos de programación y las aplicaciones. Hoy en día el diseño de los computadores consiste en diferentes capas de abstracción con una interfaz bien definida entre ellas. Las limitaciones de esta aproximación junto con el fin de la ley de Moore limitan el potencial de los futuros computadores. La mayoría de las mejoras actuales en el diseño de los computadores provienen fundamentalmente de la reducción del tamaño del canal del transistor, lo cual permite chips más rápidos y con un consumo eficiente sin apenas cambios fundamentales en el diseño de la arquitectura. Sin embargo, la tecnología actual está alcanzando limitaciones físicas donde no será posible reducir el tamaño de los transistores motivando así un cambio de paradigma en la construcción de los computadores. Esta tesis propone romper este diseño en capas y abogar por un sistema donde la arquitectura y el sistema de tiempo de ejecución del modelo de programación sean capaces de intercambiar información para alcanzar una meta común: La mejora del rendimiento y la reducción del consumo energético. Haciendo que la arquitectura sea consciente de la información disponible en el modelo de programación, como puede ser el grafo de dependencias entre tareas en los modelos de programación dataflow, es posible reducir el consumo energético explotando el camino critico del grafo. Además, la arquitectura puede proveer de soporte hardware para crear este grafo con el objetivo de reducir el overhead de construir este grado cuando la granularidad de las tareas es demasiado fina. Finalmente, el estado de las comunicaciones entre nodos puede ser expuesto al sistema de tiempo de ejecución para realizar una mejor planificación de las comunicaciones y creando nuevas oportunidades de solapamiento entre cómputo y comunicación que no eran posibles anteriormente. Esta tesis aporta una evaluación de todas estas propuestas, así como una metodología para simular y caracterizar el comportamiento de las aplicacionesPostprint (published version

DAMOV: A New Methodology and Benchmark Suite for Evaluating Data Movement Bottlenecks

Data movement between the CPU and main memory is a first-order obstacle against improving performance, scalability, and energy efficiency in modern systems. Computer systems employ a range of techniques to reduce overheads tied to data movement, spanning from traditional mechanisms (e.g., deep multi-level cache hierarchies, aggressive hardware prefetchers) to emerging techniques such as Near-Data Processing (NDP), where some computation is moved close to memory. Our goal is to methodically identify potential sources of data movement over a broad set of applications and to comprehensively compare traditional compute-centric data movement mitigation techniques to more memory-centric techniques, thereby developing a rigorous understanding of the best techniques to mitigate each source of data movement. With this goal in mind, we perform the first large-scale characterization of a wide variety of applications, across a wide range of application domains, to identify fundamental program properties that lead to data movement to/from main memory. We develop the first systematic methodology to classify applications based on the sources contributing to data movement bottlenecks. From our large-scale characterization of 77K functions across 345 applications, we select 144 functions to form the first open-source benchmark suite (DAMOV) for main memory data movement studies. We select a diverse range of functions that (1) represent different types of data movement bottlenecks, and (2) come from a wide range of application domains. Using NDP as a case study, we identify new insights about the different data movement bottlenecks and use these insights to determine the most suitable data movement mitigation mechanism for a particular application. We open-source DAMOV and the complete source code for our new characterization methodology at https://github.com/CMU-SAFARI/DAMOV.Comment: Our open source software is available at https://github.com/CMU-SAFARI/DAMO

Exploiting memory allocations in clusterized many-core architectures

Power-efficient architectures have become the most important feature required for future embedded systems. Modern designs, like those released on mobile devices, reveal that clusterization is the way to improve energy efficiency. However, such architectures are still limited by the memory subsystem (i.e., memory latency problems). This work investigates an alternative approach that exploits on-chip data locality to a large extent, through distributed shared memory systems that permit efficient reuse of on-chip mapped data in clusterized many-core architectures. First, this work reviews the current literature on memory allocations and explore the limitations of cluster-based many-core architectures. Then, several memory allocations are introduced and benchmarked scalability, performance and energy-wise, compared to the conventional centralized shared memory solution to reveal which memory allocation is the most appropriate for future mobile architectures. Our results show that distributed shared memory allocations bring performance gains and opportunities to reduce energy consumption

Performance analysis methods for understanding scaling bottlenecks in multi-threaded applications

In dit proefschrift stellen we drie nieuwe methodes voor om de prestatie van meerdradige programma's te analyseren. Onze eerste methode, criticality stacks, is bruikbaar voor het analyseren van onevenwicht tussen draden. Om deze stacks te construeren stellen we een nieuwe criticaliteitsmetriek voor, die de uitvoeringstijd van een applicatie opsplitst in een deel voor iedere draad. Hoe groter dit deel is voor een draad, hoe kritischer deze draad is voor de applicatie. De tweede methode, bottle graphs, stelt iedere draad van een meerdradig programma voor als een rechthoek in een grafiek. De hoogte van de rechthoek wordt berekend door middel van onze criticaliteitsmetriek, en de breedte stelt het parallellisme van een draad voor. Rechthoeken die bovenaan in de grafiek zitten, als het ware in de hals van de fles, hebben een beperkt parallellisme, waardoor we ze beschouwen als “bottlenecks” voor de applicatie. Onze derde methode, speedup stacks, toont de bereikte speedup van een applicatie en de verschillende componenten die speedup beperken in een gestapelde grafiek. De intuïtie achter dit concept is dat door het reduceren van de invloed van een bepaalde component, de speedup van een applicatie proportioneel toeneemt met de grootte van die component in de stapel