Performance analysis and optimization of automotive GPUs

© 2019 IEEE. Personal use of this material is permitted. Permission from IEEE must be obtained for all other uses, in any current or future media, including reprinting/republishing this material for advertising 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.Advanced Driver Assistance Systems (ADAS) and Autonomous Driving (AD) have drastically increased the performance demands of automotive systems. Suitable highperformance platforms building upon Graphic Processing Units (GPUs) have been developed to respond to this demand, being NVIDIA Jetson TX2 a relevant representative. However, whether high-performance GPU configurations are appropriate for automotive setups remains as an open question. This paper aims at providing light on this question by modelling an automotive GPU (Jetson TX2), analyzing its microarchitectural parameters against relevant benchmarks, and identifying specific configurations able to meaningfully increase performance within similar cost envelopes, or to decrease costs preserving original performance levels. Overall, our analysis opens the door to the optimization of automotive GPUs for further system efficiency.This work has been partially supported by the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness (MINECO) under grant TIN2015-65316-P, the European Research Council (ERC) under the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme (grant agreement No. 772773) and the HiPEAC Network of Excellence. Pedro Benedicte and Jaume Abella have been partially supported by the MINECO under FPU15/01394 grant and Ramon y Cajal postdoctoral fellowship number RYC-2013-14717 respectively and Leonidas Kosmidis under Juan de la Cierva-Formacin postdoctoral fellowship (FJCI-2017-34095).Peer ReviewedPostprint (author's final draft

SCALABLE TECHNIQUES FOR SCHEDULING AND MAPPING DSP APPLICATIONS ONTO EMBEDDED MULTIPROCESSOR PLATFORMS

A variety of multiprocessor architectures has proliferated even for off-the-shelf computing platforms. To make use of these platforms, traditional implementation frameworks focus on implementing Digital Signal Processing (DSP) applications using special platform features to achieve high performance. However, due to the fast evolution of the underlying architectures, solution redevelopment is error prone and re-usability of existing solutions and libraries is limited. In this thesis, we facilitate an efficient migration of DSP systems to multiprocessor platforms while systematically leveraging previous investment in optimized library kernels using dataflow design frameworks. We make these library elements, which are typically tailored to specialized architectures, more amenable to extensive analysis and optimization using an efficient and systematic process. In this thesis we provide techniques to allow such migration through four basic contributions: 1. We propose and develop a framework to explore efficient utilization of Single Instruction Multiple Data (SIMD) cores and accelerators available in heterogeneous multiprocessor platforms consisting of General Purpose Processors (GPPs) and Graphics Processing Units (GPUs). We also propose new scheduling techniques by applying extensive block processing in conjunction with appropriate task mapping and task ordering methods that match efficiently with the underlying architecture. The approach gives the developer the ability to prototype a GPU-accelerated application and explore its design space efficiently and effectively. 2. We introduce the concept of Partial Expansion Graphs (PEGs) as an implementation model and associated class of scheduling strategies. PEGs are designed to help realize DSP systems in terms of forms and granularities of parallelism that are well matched to the given applications and targeted platforms. PEGs also facilitate derivation of both static and dynamic scheduling techniques, depending on the amount of variability in task execution times and other operating conditions. We show how to implement efficient PEG-based scheduling methods using real time operating systems, and to re-use pre-optimized libraries of DSP components within such implementations. 3. We develop new algorithms for scheduling and mapping systems implemented using PEGs. Collectively, these algorithms operate in three steps. First, the amount of data parallelism in the application graph is tuned systematically over many iterations to profit from the available cores in the target platform. Then a mapping algorithm that uses graph analysis is developed to distribute data and task parallel instances over different cores while trying to balance the load of all processing units to make use of pipeline parallelism. Finally, we use a novel technique for performance evaluation by implementing the scheduler and a customizable solution on the programmable platform. This allows accurate fitness functions to be measured and used to drive runtime adaptation of schedules. 4. In addition to providing scheduling techniques for the mentioned applications and platforms, we also show how to integrate the resulting solution in the underlying environment. This is achieved by leveraging existing libraries and applying the GPP-GPU scheduling framework to augment a popular existing Software Defined Radio (SDR) development environment -- GNU Radio -- with a dataflow foundation and a stand-alone GPU-accelerated library. We also show how to realize the PEG model on real time operating system libraries, such as the Texas Instruments DSP/BIOS. A code generator that accepts a manual system designer solution as well as automatically configured solutions is provided to complete the design flow starting from application model to running system

Proceedings of the First PhD Symposium on Sustainable Ultrascale Computing Systems (NESUS PhD 2016)

Proceedings of the First PhD Symposium on Sustainable Ultrascale Computing Systems (NESUS PhD 2016) Timisoara, Romania. February 8-11, 2016.The PhD Symposium was a very good opportunity for the young researchers to share information and knowledge, to present their current research, and to discuss topics with other students in order to look for synergies and common research topics. The idea was very successful and the assessment made by the PhD Student was very good. It also helped to achieve one of the major goals of the NESUS Action: to establish an open European research network targeting sustainable solutions for ultrascale computing aiming at cross fertilization among HPC, large scale distributed systems, and big data management, training, contributing to glue disparate researchers working across different areas and provide a meeting ground for researchers in these separate areas to exchange ideas, to identify synergies, and to pursue common activities in research topics such as sustainable software solutions (applications and system software stack), data management, energy efficiency, and resilience.European Cooperation in Science and Technology. COS

An Analysis of Variation Between Cores For Intel Xeon Phi Knights Corner And Xeon Phi Knights Landing

As we move towards exascale computing, the efficiency of application performance and energy utilization, must be optimized by redefining architectural features and application performance analysis. This research analyzes the performance per core of 8 applications on Intel Xeon Phi Knights Corner (KNC) and Knights Landing (KNL) to determine if performance variation within cores can lead to performance and energy improvements. Our results showed that KNC architecture\u27s core vary in performance, leading to faster inner core performance as a result of memory characteristics and core utilization. It also shows that cores 17, 34, and 51 on the KNL architectures performs consistently slower than other cores, with core 0 performing either faster, slower or within the average performance time all the cores. A power performance study was then done utilizing different core configurations on the KNC. The results show that by targeting inner cores for applications that exhibit better inner core performance, a maximum energy reduction of 16.4% compared to a con- figuration using all cores was possible with its optimal thread configuration. Energy reduction was achieved with along with a 2% reduction in the fastest execution time of the same application. Our results also show how application characteristics lead to different core variation performances on KNC and KNL Xeon Phi architectures

Proactive Adaptation in Self-Organizing Task-based Runtime Systems for Different Computing Classes

Moderne Computersysteme bieten Anwendern und Anwendungsentwicklern ein hohes Maß an Parallelität und Heterogenität. Die effiziente Nutzung dieser Systeme erfordert jedoch tiefgreifende Kenntnisse, z.B. der darunterliegenden Hardware-Plattform und den notwendigen Programmiermodellen, und umfangreiche Arbeit des Entwicklers. In dieser Thesis bezieht sich die effiziente Nutzung auf die Gesamtausführungszeit der Anwendungen, den Energieverbrauch des Systems, die maximale Temperatur der Verarbeitungseinheiten und die Zuverlässigkeit des Systems. Neben den verschiedenen Optimierungszielen muss ein Anwendungsentwickler auch die spezifischen Einschränkungen und Randbedingungen des Systems berücksichtigen, wie z. B. Deadlines oder Sicherheitsgarantien, die mit bestimmten Anwendungsbereichen einhergehen. Diese Komplexität heterogener Systeme macht es unmöglich, alle potenziellen Systemzustände und Umwelteinflüsse, die zur Laufzeit auftreten können, vorherzusagen. Die System- und Anwendungsentwickler sind somit nicht in der Lage, zur Entwurfszeit festzulegen, wie das System und die Anwendungen in allen möglichen Situationen reagieren sollen. Daher ist es notwendig, die Systeme zur Laufzeit der aktuellen Situation anzupassen, um ihr Verhalten entsprechend zu optimieren. In eingebetteten Systemen mit begrenzten Kühlkapazitäten muss z.B. bei Erreichen einer bestimmten Temperaturschwelle eine Lastverteilung vorgenommen, die Frequenz verringert oder Verarbeitungseinheiten abgeschaltet werden, um die Wärmeentwicklung zu reduzieren. Normalerweise reicht es aber nicht aus, einfach nur auf einen ungünstigen Systemzustand zu reagieren. Das Ziel sollte darin bestehen, ungünstige oder fehlerhafte Systemzustände vor dem Auftreten zu vermeiden, um die Notwendigkeit des Aufrufs von Notfallfunktionen zu verringern und die Benutzerfreundlichkeit zu verbessern. Anstatt beispielsweise die Wärmeentwicklung durch eine Neuverteilung der Anwendungen zu reduzieren, könnten proaktive Mechanismen kritische Temperaturen bereits im Vorfeld vermeiden, indem sie bestimmte unkritische Aufgaben verzögern oder deren Genauigkeit oder QoS verringern. Auf diese Weise wird die Systemlast reduziert, bevor ein kritischer Punkt erreicht wird. Lösungen des aktuellen Stands der Technik wie einheitliche Programmiersprachen oder Laufzeitsysteme adressieren einige der oben genannten Herausforderungen, jedoch existiert kein Ansatz, der in der Lage ist, eine Optimierung mehrerer sich widersprechender Zielfunktionen dynamisch und vor allem proaktiv durchzuführen. Ein Konzept, das diese komplexe Aufgabe für den Entwickler übernimmt und eine Möglichkeit zur dynamischen und proaktiven Anpassung an Veränderungen bietet, ist die Selbstorganisation. Selbstorganisation ist jedoch definiert als ein Prozess ohne externe Kontrolle oder Steuerung. Im Kontext der Systemoptimierung kann dies leicht zu unerwünschten Ergebnissen führen. Ein Ansatz, der Selbstorganisation mit einem Kontrollmechanismus kombiniert, welcher auf Robustheit und Widerstandsfähigkeit gegenüber äußeren Störungen abzielt, ist Organic Computing. Das bestimmende Merkmal von Organic Computing ist eine Observer/Controller-Architektur. Das Konzept dieser Architektur besteht darin, den aktuellen Zustand des Systems und der Umgebung zu überwachen, diese Daten zu analysieren und auf der Grundlage dieser Analyse Entscheidungen über das zukünftige Systemverhalten zu treffen. Organic Computing ermöglicht es also auf der Grundlage der vergangenen und des aktuellen Zustands proaktiv Mechanismen auszuwählen und auszulösen, die das System optimieren und unerwünschte Zustände vermeiden. Um die Vorteile des Organic Computings auf moderne heterogene Systeme zu übertragen, kombiniere ich den Organic Computing-Ansatz mit einem Laufzeitsystem. Laufzeitsysteme sind ein vielversprechender Kandidat für die Umsetzung des Organic Computing-Ansatzes, da sie bereits die Ausführung von Anwendungen überwachen und steuern. Insbesondere betrachte und bearbeite ich in dieser Dissertation die folgenden Forschungsthemen, indem ich die Konzepte des Organic Computings und der Laufzeitsysteme kombiniere: • Erfassen des aktuellen Systemzustands durch Überwachung von Sensoren und Performance Countern • Vorhersage zukünftiger Systemzustände durch Analyse des vergangenen Verhaltens • Nutzung von Zustandsinformationen zur proaktiven Anpassung des Systems Ich erweitere das Thema der Erfassung von Systemzuständen auf zwei Arten. Zunächst führe ich eine neuartige heuristische Metrik zur Berechnung der Zuverlässigkeit einer Verarbeitungseinheit ein, die auf symptombasierter Fehlererkennung basiert. Symptombasierte Fehlererkennung ist eine leichtgewichtige Methode zur dynamischen Erkennung von soften Hardware-Fehlern durch Überwachung des Ausführungsverhaltens mit Performance Countern. Die dynamische Erkennung von Fehlern ermöglicht dann die Berechnung einer heuristischen Fehlerrate einer Verarbeitungseinheit in einem bestimmten Zeitfenster. Die Fehlerrate wird verwendet, um die Anzahl der erforderlichen Ausführungen einer Anwendung zu berechnen, um eine bestimmte Ergebniszuverlässigkeit, also eine Mindestwahrscheinlichkeit für ein korrektes Ergebnis, zu gewährleisten. Ein wichtiger Aspekt der Zustandserfassung ist die Minimierung des entstehenden Overheads. Ich verringere die Anzahl der für OpenMP-Tasks notwendigen Profiling-Durchläufe durch Thread-Interpolation und Überprüfungen des Skalierungsverhaltens. Zusätzlich untersuche ich die Vorhersage von OpenCL Task-Ausführungszeiten. Die Prädiktoren der Ausführungszeiten werden mit verschiedenen maschinellen Lernalgorithmen trainiert. Als Input werden Profile der Kernel verwendet, die durch statische Codeanalyse erstellt wurden. Um in dieser Dissertation zukünftige Systemzustände vorherzusagen, sollen Anwendungen vorausgesagt werden, die in naher Zukunft im System vorkommen werden. In Kombination mit der Ausführungsdatenbank ermöglicht dies die Schätzung der anstehenden Kosten, die das System zu bewältigen hat. In dieser Arbeit werden zwei Mechanismen zur Vorhersage von Anwendungen/Tasks entwickelt. Der erste Prädiktor zielt darauf ab, neue Instanzen unabhängiger Tasks vorherzusagen. Der zweite Mechanismus betrachtet Ausführungsmuster abhängiger Anwendungen und sagt auf dieser Grundlage zukünftig auftretende Anwendungen vorher. Beide Mechanismen verwenden eine Vorhersagetabelle, die auf Markov-Prädiktoren und dem Abgleich von Mustern basiert. In dieser Arbeit wird das Wissen, das durch die Systemüberwachung und die Vorhersage zukünftiger Anwendungen gewonnen wird, verwendet, um die Optimierungsziele des Systems proaktiv in Einklang zu bringen und zu gewichten. Dies geschieht durch eine Reihe von Regeln, die eine Systemzustandsbeschreibung, bestehend aus dem aktuellen Zustand, Vorhersagen und Randbedingungen bzw. Beschränkungen, auf einen Vektor aus Gewichten abbilden. Zum Erlernen der Regelmenge wird ein Extended Classifer System (XCS) eingesetzt. Das XCS ist in eine hierarchische Architektur eingebettet, die nach den Prinzipien des Organic Computing entworfen wurde. Eine wichtige Designentscheidung ist dabei die Auslagerung der Erstellung neuer Regeln an einen Offline-Algorithmus, der einen Simulator nutzt und parallel zum normalen Systemablauf ausgeführt wird. Dadurch wird sichergestellt, dass keine ungetesteten Regeln, deren Auswirkungen noch nicht bekannt sind, dem laufenden System hinzugefügt werden. Die sich daraus ergebenden Gewichte werden schließlich verwendet, um eine Bewertungsfunktion für List Scheduling-Algorithmen zu erstellen. Diese Dissertation erweitert das Forschungsgebiet der Scheduling-Algorithmen durch zwei Mechanismen für dynamisches Scheduling. Die erste Erweiterung konzentriert sich auf nicht sicherheitskritische Systeme, die Prioritäten verwenden, um die unterschiedliche Wichtigkeit von Tasks auszudrücken. Da statische Prioritäten in stark ausgelasteten Systemen zu Starvation führen können, habe ich einen dynamischen Ageing-Mechanismus entwickelt, der dazu in der Lage ist, die Prioritäten der Tasks entsprechend der aktuellen Auslastung und ihrer Wartezeiten anzupassen. Dadurch reduziert der Mechanismus die Gesamtlaufzeit über alle Tasks und die Wartezeit für Tasks mit niedrigerer Priorität. Noch ist eine große Anzahl von Anwendungen nicht dazu bereit, den hohen Grad an Parallelität zu nutzen, den moderne Computersysteme bieten. Ein Konzept, das versucht dieses Problem zu lösen, indem es mehrere verschiedene Prozesse auf demselben Rechenknoten zur Ausführung bringt, ist das Co-Scheduling. In dieser Dissertation stelle ich einen neuartigen Co-Scheduling-Mechanismus vor, welcher die Task-Schedules mehrerer Laufzeitsysteminstanzen optimiert, die auf demselben Rechenknoten ausgeführt werden. Um die notwendigen Informationen zwischen den Laufzeitsysteminstanzen zu teilen, speichert der Mechanismus die Daten in Shared Memory. Sobald ein Laufzeitsystem neue Tasks in das System einfügt, prüft der Mechanismus, ob die Berechnung eines neuen Schedules sinnvoll ist. Wird die Entscheidung getroffen, einen neuen Schedule zu berechnen, setzt der Mechanismus Simulated Annealing ein, um alle Tasks, die bisher noch nicht mit ihrer Ausführung begonnen haben, neu auf Ausführungseinheiten abzubilden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass diese Arbeit neuartige Mechanismen und Algorithmen sowie Erweiterungen zu verschiedenen Forschungsgebieten anbietet, um ein proaktives selbst-organisierendes System zu implementieren, das sich an neue und unbekannte Situationen anpassen kann. Dabei wird die Komplexität für Benutzer und Anwendungsentwickler reduziert, indem die Entscheidungsfindung in das System selbst ausgelagert wird. Gleichzeitig sorgt dieser Ansatz für eine effiziente Nutzung der Ressourcen des Systems. Insgesamt leistet diese Arbeit die folgenden Beiträge zur Erweiterung des Stands der Forschung: • Einführung einer neuartigen heuristischen Metrik zur Messung der Zuverlässigkeit von Verarbeitungseinheiten. Die Metrik basiert auf einer leichtgewichtigen Methode zur Fehlererkennung, genannt symptombasierte Fehlererkennung. Mit der symptombasierten Fehlererkennung ist es möglich, mehrere injizierte Fehlerklassen und Interferenzen, die Soft-Hardware-Fehler simulieren, sowohl auf einer CPU als auch auf einer GPU zuverlässig zu erkennen. Darüber hinaus werden diese Ergebnisse durch Welch\u27s t-Test statistisch bestätigt. • Vorschlag eines Vorhersagemodells für die Ausführungszeit von OpenCL Kerneln, das auf statischer Code-Analyse basiert. Das Modell ist in der Lage, die schnellste Verarbeitungseinheit aus einer Menge von Verarbeitungseinheiten mit einer Genauigkeit von im schlechtesten Fall $69\,\%$ auszuwählen. Zum Vergleich: eine Referenzvariante, welche immer den Prozessor vorhersagt, der die meisten Kernel am schnellsten ausführt, erzielt eine Genauigkeit von $25\,\%$. Im besten Fall erreicht das Modell eine Genauigkeit von bis zu $83\,\%$. • Bereitstellung von zwei Prädiktoren für kommende Tasks/Anwendungen. Der erste Mechanismus betrachtet unabhängige Tasks, die ständig neue Task-Instanzen erstellen, der zweite abhängige Anwendungen, die Ausführungsmuster bilden. Dabei erzielt der erste Mechanismus bei der Vorhersage der Zeitspanne zwischen zwei aufeinanderfolgenden Task-Instanzen einen maximalen\\ $sMAPE$-Wert von $4,33\,\%$ für sporadische und $0,002 \,\%$ für periodische Tasks. Darüber hinaus werden Tasks mit einem aperiodischen Ausführungsschema zuverlässig erkannt. Der zweite Mechanismus erreicht eine Genauigkeit von $77,6 \,\%$ für die Vorhersage der nächsten anstehenden Anwendung und deren Startzeit. • Einführung einer Umsetzung eines hierarchischen Organic Computing Frameworks mit dem Anwendungsgebiet Task-Scheduling. Dieses Framework enthält u.a. ein modifiziertes XCS, für dessen Design und Implementierung ein neuartiger Reward-Mechanismus entwickelt wird. Der Mechanismus bedient sich dabei eines speziell für diesen Zweck entwickelten Simulators zur Berechnung von Task-Ausführungskosten. Das XCS bildet Beschreibungen des Systemzustands auf Gewichte zur Balancierung der Optimierungsziele des Systems ab. Diese Gewichte werden in einer Bewertungsfunktion für List Scheduling-Algorithmen verwendet. Damit wird in einem Evaluationsszenario, welches aus einem fünfmal wiederholten Muster aus Anwendungen besteht, eine Reduzierung der Gesamtlaufzeit um $10,4\,\%$ bzw. $26,7\,s$, des Energieverbrauchs um $4,7\,\%$ bzw. $2061,1\,J$ und der maximalen Temperatur der GPU um $3,6\,\%$ bzw. $2,7 K$ erzielt. Lediglich die maximale Temperatur über alle CPU-Kerne erhöht sich um $6\,\%$ bzw. $2,3\,K$. • Entwicklung von zwei Erweiterungen zur Verbesserung des dynamischen Task-Schedulings für einzelne und mehrere Prozesse, z.B. mehrere Laufzeitsysteminstanzen. Der erste Mechanismus, ein Ageing-Algorithmus, betrachtet nicht sicherheitskritische Systeme, welche Task-Prioritäten verwenden, um die unterschiedliche Bedeutung von Anwendungen darzustellen. Da es in solchen Anwendungsszenarien in Kombination mit hoher Systemauslastung zu Starvation kommen kann, passt der Mechanismus die Task-Prioritäten dynamisch an die aktuelle Auslastung und die Task-Wartezeiten an. Insgesamt erreicht dieser Mechanismus in zwei Bewertungsszenarien eine durchschnittliche Laufzeitverbesserung von $3,75\,\%$ und $3,16\,\%$ bei gleichzeitiger Reduzierung der Durchlaufzeit von Tasks mit niedrigerer Priorität um bis zu $25,67\,\%$. Der zweite Mechanismus ermöglicht die Optimierung von Schedules mehrerer Laufzeitsysteminstanzen, die parallel auf demselben Rechenknoten ausgeführt werden. Dieser Co-Scheduling-Ansatz verwendet Shared Memory zum Austausch von Informationen zwischen den Prozessen und Simulated Annealing zur Berechnung neuer Task-Schedules. In zwei Evaluierungsszenarien erzielt der Mechanismus durchschnittliche Laufzeitverbesserungen von $19,74\,\%$ und $20,91\,\%$ bzw. etwa $2,7\,s$ und $3\,s$

Dataflow methods in HPC, visualisation and analysis

The processing power available to scientists and engineers using supercomputers over the last few decades has grown exponentially, permitting significantly more sophisticated simulations, and as a consequence, generating proportionally larger output datasets. This change has taken place in tandem with a gradual shift in the design and implementation of simulation and post-processing software, with a shift from simulation as a first step and visualisation/analysis as a second, towards in-situ on the fly methods that provide immediate visual feedback, place less strain on file-systems and reduce overall data-movement and copying. Concurrently, processor speed increases have dramatically slowed and multi and many-core architectures have instead become the norm for virtually all High Performance computing (HPC) machines. This in turn has led to a shift away from the traditional distributed one rank per node model, to one rank per process, using multiple processes per multicore node, and then back towards one rank per node again, using distributed and multi-threaded frameworks combined. This thesis consists of a series of publications that demonstrate how software design for analysis and visualisation has tracked these architectural changes and pushed the boundaries of HPC visualisation using dataflow techniques in distributed environments. The first publication shows how support for the time dimension in parallel pipelines can be implemented, demonstrating how information flow within an application can be leveraged to optimise performance and add features such as analysis of time-dependent flows and comparison of datasets at different timesteps. A method of integrating dataflow pipelines with in-situ visualisation is subsequently presented, using asynchronous coupling of user driven GUI controls and a live simulation running on a supercomputer. The loose coupling of analysis and simulation allows for reduced IO, immediate feedback and the ability to change simulation parameters on the fly. A significant drawback of parallel pipelines is the inefficiency caused by improper load-balancing, particularly during interactive analysis where the user may select between different features of interest, this problem is addressed in the fourth publication by integrating a high performance partitioning library into the visualization pipeline and extending the information flow up and down the pipeline to support it. This extension is demonstrated in the third publication (published earlier) on massive meshes with extremely high complexity and shows that general purpose visualization tools such as ParaView can be made to compete with bespoke software written for a dedicated task. The future of software running on many-core architectures will involve task-based runtimes, with dynamic load-balancing, asynchronous execution based on dataflow graphs, work stealing and concurrent data sharing between simulation and analysis. The final paper of this thesis presents an optimisation for one such runtime, in support of these future HPC applications

Refactoring for introducing and tuning parallelism for heterogeneous multicore machines in Erlang

This research has been generously supported by the European Union Framework 7 Para-Phrase project (IST-288570), EU Horizon 2020 projects RePhrase (H2020-ICT-2014-1), agreement number 644235; Teamplay (H2020-ICT 2017-1) agreement number 779882, and EPSRC Discovery, EP/P020631/1. EU COST Action IC1202: Timing Analysis On Code-Level (TACLe), and by a travel grant from EU HiPEAC.This paper presents semi‐automatic software refactorings to introduce and tune structured parallelism in sequential Erlang code, as well as to generate code for running computations on GPUs and possibly other accelerators. Our refactorings are based on the lapedo framework for programming heterogeneous multi‐core systems in Erlang. lapedo is based on the PaRTE refactoring tool and also contains (1) a set of hybrid skeletons that target both CPU and GPU processors, (2) novel refactorings for introducing and tuning parallelism, and (3) a tool to generate the GPU offloading and scheduling code in Erlang, which is used as a component of hybrid skeletons. We demonstrate, on four realistic use‐case applications, that we are able to refactor sequential code and produce heterogeneous parallel versions that can achieve significant and scalable speedups of up to 220 over the original sequential Erlang program on a 24‐core machine with a GPU.PostprintPeer reviewe

Parallel Computing of Particle Filtering Algorithms for Target Tracking Applications

Particle filtering has been a very popular method to solve nonlinear/non-Gaussian state estimation problems for more than twenty years. Particle filters (PFs) have found lots of applications in areas that include nonlinear filtering of noisy signals and data, especially in target tracking. However, implementation of high dimensional PFs in real-time for large-scale problems is a very challenging computational task. Parallel & distributed (P&D) computing is a promising way to deal with the computational challenges of PF methods. The main goal of this dissertation is to develop, implement and evaluate computationally efficient PF algorithms for target tracking, and thereby bring them closer to practical applications. To reach this goal, a number of parallel PF algorithms is designed and implemented using different parallel hardware architectures such as Computer Cluster, Graphics Processing Unit (GPU), and Field-Programmable Gate Array (FPGA). Proposed is an improved PF implementation for computer cluster - the Particle Transfer Algorithm (PTA), which takes advantage of the cluster architecture and outperforms significantly existing algorithms. Also, a novel GPU PF algorithm implementation is designed which is highly efficient for GPU architectures. The proposed algorithm implementations on different parallel computing environments are applied and tested for target tracking problems, such as space object tracking, ground multitarget tracking using image sensor, UAV-multisensor tracking. Comprehensive performance evaluation and comparison of the algorithms for both tracking and computational capabilities is performed. It is demonstrated by the obtained simulation results that the proposed implementations help greatly overcome the computational issues of particle filtering for realistic practical problems