Predictive analysis of a hydrodynamics application on large-scale CMP clusters

We present the development of a predictive performance model for the high-performance computing code Hydra, a hydrodynamics benchmark developed and maintained by the United Kingdom Atomic Weapons Establishment (AWE). The developed model elucidates the parallel computation of Hydra, with which it is possible to predict its runtime and scaling performance on varying large-scale chip multiprocessor (CMP) clusters. A key feature of the model is its granularity; with the model we are able to separate the contributing costs, including computation, point-to-point communications, collectives, message buffering and message synchronisation. The predictions are validated on two contrasting large-scale HPC systems, an AMD Opteron/ InfiniBand cluster and an IBM BlueGene/P, both of which are located at the Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) in the US. We validate the model on up to 2,048 cores, where it achieves a > 85% accuracy in weak-scaling studies. We also demonstrate use of the model in exposing the increasing costs of collectives for this application, and also the influence of node density on network accesses, therefore highlighting the impact of machine choice when running this hydrodynamics application at scale

Performance and power optimizations in chip multiprocessors for throughput-aware computation

The so-called "power (or power density) wall" has caused core frequency (and single-thread performance) to slow down, giving rise to the era of multi-core/multi-thread processors. For example, the IBM POWER4 processor, released in 2001, incorporated two single-thread cores into the same chip. In 2010, IBM released the POWER7 processor with eight 4-thread cores in the same chip, for a total capacity of 32 execution contexts. The ever increasing number of cores and threads gives rise to new opportunities and challenges for software and hardware architects. At software level, applications can benefit from the abundant number of execution contexts to boost throughput. But this challenges programmers to create highly-parallel applications and operating systems capable of scheduling them correctly. At hardware level, the increasing core and thread count puts pressure on the memory interface, because memory bandwidth grows at a slower pace ---phenomenon known as the "bandwidth (or memory) wall". In addition to memory bandwidth issues, chip power consumption rises due to manufacturers' difficulty to lower operating voltages sufficiently every processor generation. This thesis presents innovations to improve bandwidth and power consumption in chip multiprocessors (CMPs) for throughput-aware computation: a bandwidth-optimized last-level cache (LLC), a bandwidth-optimized vector register file, and a power/performance-aware thread placement heuristic. In contrast to state-of-the-art LLC designs, our organization avoids data replication and, hence, does not require keeping data coherent. Instead, the address space is statically distributed all over the LLC (in a fine-grained interleaving fashion). The absence of data replication increases the cache effective capacity, which results in better hit rates and higher bandwidth compared to a coherent LLC. We use double buffering to hide the extra access latency due to the lack of data replication. The proposed vector register file is composed of thousands of registers and organized as an aggregation of banks. We leverage such organization to attach small special-function "local computation elements" (LCEs) to each bank. This approach ---referred to as the "processor-in-regfile" (PIR) strategy--- overcomes the limited number of register file ports. Because each LCE is a SIMD computation element and all of them can proceed concurrently, the PIR strategy constitutes a highly-parallel super-wide-SIMD device (ideal for throughput-aware computation). Finally, we present a heuristic to reduce chip power consumption by dynamically placing software (application) threads across hardware (physical) threads. The heuristic gathers chip-level power and performance information at runtime to infer characteristics of the applications being executed. For example, if an application's threads share data, the heuristic may decide to place them in fewer cores to favor inter-thread data sharing and communication. In such case, the number of active cores decreases, which is a good opportunity to switch off the unused cores to save power. It is increasingly harder to find bulletproof (micro-)architectural solutions for the bandwidth and power scalability limitations in CMPs. Consequently, we think that architects should attack those problems from different flanks simultaneously, with complementary innovations. This thesis contributes with a battery of solutions to alleviate those problems in the context of throughput-aware computation: 1) proposing a bandwidth-optimized LLC; 2) proposing a bandwidth-optimized register file organization; and 3) proposing a simple technique to improve power-performance efficiency.El excesivo consumo de potencia de los procesadores actuales ha desacelerado el incremento en la frecuencia operativa de los mismos para dar lugar a la era de los procesadores con múltiples núcleos y múltiples hilos de ejecución. Por ejemplo, el procesador POWER7 de IBM, lanzado al mercado en 2010, incorpora ocho núcleos en el mismo chip, con cuatro hilos de ejecución por núcleo. Esto da lugar a nuevas oportunidades y desafíos para los arquitectos de software y hardware. A nivel de software, las aplicaciones pueden beneficiarse del abundante número de núcleos e hilos de ejecución para aumentar el rendimiento. Pero esto obliga a los programadores a crear aplicaciones altamente paralelas y sistemas operativos capaces de planificar correctamente la ejecución de las mismas. A nivel de hardware, el creciente número de núcleos e hilos de ejecución ejerce presión sobre la interfaz de memoria, ya que el ancho de banda de memoria crece a un ritmo más lento. Además de los problemas de ancho de banda de memoria, el consumo de energía del chip se eleva debido a la dificultad de los fabricantes para reducir suficientemente los voltajes de operación entre generaciones de procesadores. Esta tesis presenta innovaciones para mejorar el ancho de banda y consumo de energía en procesadores multinúcleo en el ámbito de la computación orientada a rendimiento ("throughput-aware computation"): una memoria caché de último nivel ("last-level cache" o LLC) optimizada para ancho de banda, un banco de registros vectorial optimizado para ancho de banda, y una heurística para planificar la ejecución de aplicaciones paralelas orientada a mejorar la eficiencia del consumo de potencia y desempeño. En contraste con los diseños de LLC de última generación, nuestra organización evita la duplicación de datos y, por tanto, no requiere de técnicas de coherencia. El espacio de direcciones de memoria se distribuye estáticamente en la LLC con un entrelazado de grano fino. La ausencia de replicación de datos aumenta la capacidad efectiva de la memoria caché, lo que se traduce en mejores tasas de acierto y mayor ancho de banda en comparación con una LLC coherente. Utilizamos la técnica de "doble buffering" para ocultar la latencia adicional necesaria para acceder a datos remotos. El banco de registros vectorial propuesto se compone de miles de registros y se organiza como una agregación de bancos. Incorporamos a cada banco una pequeña unidad de cómputo de propósito especial ("local computation element" o LCE). Este enfoque ---que llamamos "computación en banco de registros"--- permite superar el número limitado de puertos en el banco de registros. Debido a que cada LCE es una unidad de cómputo con soporte SIMD ("single instruction, multiple data") y todas ellas pueden proceder de forma concurrente, la estrategia de "computación en banco de registros" constituye un dispositivo SIMD altamente paralelo. Por último, presentamos una heurística para planificar la ejecución de aplicaciones paralelas orientada a reducir el consumo de energía del chip, colocando dinámicamente los hilos de ejecución a nivel de software entre los hilos de ejecución a nivel de hardware. La heurística obtiene, en tiempo de ejecución, información de consumo de potencia y desempeño del chip para inferir las características de las aplicaciones. Por ejemplo, si los hilos de ejecución a nivel de software comparten datos significativamente, la heurística puede decidir colocarlos en un menor número de núcleos para favorecer el intercambio de datos entre ellos. En tal caso, los núcleos no utilizados se pueden apagar para ahorrar energía. Cada vez es más difícil encontrar soluciones de arquitectura "a prueba de balas" para resolver las limitaciones de escalabilidad de los procesadores actuales. En consecuencia, creemos que los arquitectos deben atacar dichos problemas desde diferentes flancos simultáneamente, con innovaciones complementarias

PARSEC vs. SPLASH-2: A quantitative comparison of two multithreaded benchmark suites on Chip-Multiprocessors

The PARSEC benchmark suite was recently released and has been adopted by a significant number of users within a short amount of time. This new collection of workloads is not yet fully under-stood by researchers. In this study we compare the SPLASH-2 and PARSEC benchmark suites with each other to gain insights into differences and similarities between the two program collections. We use standard statistical methods and machine learning to ana-lyze the suites for redundancy and overlap on Chip-Multiprocessors (CMPs). Our analysis shows that PARSEC workloads are funda-mentally different from SPLASH-2 benchmarks. The observed dif-ferences can be explained with two technology trends, the prolifer-ation of CMPs and the accelerating growth of world data

Multicore architecture optimizations for HPC applications

From single-core CPUs to detachable compute accelerators, supercomputers made a tremendous progress by using available transistors on chip and specializing hardware for a given type of computation. Today, compute nodes used in HPC employ multi-core CPUs tailored for serial execution and multiple accelerators (many-core devices or GPUs) for throughput computing. However, designing next-generation HPC system requires not only the performance improvement but also better energy efficiency. Current trend of reaching exascale level of computation asks for at least an order of magnitude increase in both of these metrics. This thesis explores HPC-specific optimizations in order to make better utilization of the available transistors and to improve performance by transparently executing parallel code across multiple GPU accelerators. First, we analyze several HPC benchmark suites, compare them against typical desktop applications, and identify the differences which advocate for proper core tailoring. Moreover, within the HPC applications, we evaluate serial and parallel code sections separately, resulting in an Asymmetric Chip Multiprocessor (ACMP) design with one core optimized for single-thread performance and many lean cores for parallel execution. Our results presented here suggests downsizing of core front-end structures providing an HPC-tailored lean core which saves 16% of the core area and 7% of power, without performance loss. Further improving an ACMP design, we identify that multiple lean cores run the same code during parallel regions. This motivated us to evaluate the idea where lean cores share the I-cache with the intent of benefiting from mutual prefetching, without increasing the average access latency. Our exploration of the multiple parameters finds the sweet spot on a wide interconnect to access the shared I-cache and the inclusion of a few line buffers to provide the required bandwidth and latency to sustain performance. The projections presented in this thesis show additional 11% area savings with a 5% energy reduction at no performance cost. These area and power savings might be attractive for many-core accelerators either for increasing the performance per area and power unit, or adding additional cores and thus improving the performance for the same hardware budget. Finally, in this thesis we study the effects of future NUMA accelerators comprised of multiple GPU devices. Reaching the limits of a single-GPU die size, next-generation GPU compute accelerators will likely embrace multi-socket designs increasing the core count and memory bandwidth. However, maintaining the UMA behavior of a single-GPU in multi-GPU systems without code rewriting stands as a challenge. We investigate multi-socket NUMA GPU designs and show that significant changes are needed to both the GPU interconnect and cache architectures to achieve performance scalability. We show that application phase effects can be exploited allowing GPU sockets to dynamically optimize their individual interconnect and cache policies, minimizing the impact of NUMA effects. Our NUMA-aware GPU outperforms a single GPU by 1.5×, 2.3×, and 3.2× while achieving 89%, 84%, and 76% of theoretical application scalability in 2, 4, and 8 sockets designs respectively. Implementable today, NUMA-aware multi-socket GPUs may be a promising candidate for performance scaling of future compute nodes used in HPC.Empezando por CPUs de un solo procesador, y pasando por aceleradores discretos, los supercomputadores han avanzado enormemente utilizando todos los transistores disponibles en el chip, y especializando los diseños para cada tipo de cálculo. Actualmente, los nodos de cálculo de un sistema de Computación de Altas Prestaciones (CAP) utilizan CPUs de múltiples procesadores, optimizados para el cálculo serial de instrucciones, y múltiples aceleradores (aceleradores gráficos, o many-core), optimizados para el cálculo paralelo. El diseño de un sistema CAP de nueva generación requiere no solo mejorar el rendimiento de cálculo, sino también mejorar la eficiencia energética. La siguiente generación de sistemas requiere mejorar un orden de magnitud en ambas métricas simultáneamente. Esta tesis doctoral explora optimizaciones específicas para sistemas CAP para hacer un mejor uso de los transistores, y para mejorar las prestaciones de forma transparente ejecutando las aplicaciones en múltiples aceleradores en paralelo. Primero, analizamos varios conjuntos de aplicaciones CAP, y las comparamos con aplicaciones para servidores y escritorio, identificando las principales diferencias que nos indican cómo ajustar la arquitectura para CAP. En las aplicaciones CAP, también analizamos la parte secuencial del código y la parte paralela de forma separada, . El resultado de este análisis nos lleva a proponer una arquitectura multiprocesador asimétrica (ACMP) , con un procesador optimizado para el código secuencial, y múltiples procesadores, más pequeños, optimizados para el procesamiento paralelo. Nuestros resultados muestran que reducir el tamaño de las estructuras del front-end (fetch, y predicción de saltos) en los procesadores paralelos nos proporciona un 16% extra de área en el chip, y una reducción de consumo del 7%. Como mejora a nuestra arquitectura ACMP, proponemos explotar el hecho de que todos los procesadores paralelos ejecutan el mismo código al mismo tiempo. Evaluamos una propuesta en que los procesadores paralelos comparten la caché de instrucciones, con la intención de que uno de ellos precargue las instrucciones para los demás procesadores (prefetching), sin aumentar la latencia media de acceso. Nuestra exploración de los distintos parámetros determina que el punto óptimo requiere una interconexión de alto ancho de banda para acceder a la caché compartida, y el uso de unos pocos line buffers para mantener el ancho de banda y la latencia necesarios. Nuestras proyecciones muestran un ahorro adicional del 11% en área y el 5% en energía, sin impacto en el rendimiento. Estos ahorros de área y energía permiten a un multiprocesador incrementar la eficiencia energética, o aumentar el rendimiento añadiendo procesador adicionales. Por último, estudiamos el efecto de usar múltiples aceleradores (GPU) en una arquitectura con tiempo de acceso a memoria no uniforme (NUMA). Una vez alcanzado el límite de número de transistores y tamaño máximo por chip, la siguiente generación de aceleradores deberá utilizar múltiples chips para aumentar el número de procesadores y el ancho de banda de acceso a memoria. Sin embargo, es muy difícil mantener la ilusión de un tiempo de acceso a memoria uniforme en un sistema multi-GPU sin reescribir el código de la aplicación. Nuestra investigación sobre sistemas multi-GPU muestra retos significativos en el diseño de la interconexión entre las GPU y la jerarquía de memorias cache. Nuestros resultados muestran que se puede explotar el comportamiento en fases de las aplicaciones para optimizar la configuración de la interconexión y las cachés de forma dinámica, minimizando el impacto de la arquitectura NUMA. Nuestro diseño mejora el rendimiento de un sistema con una única GPU en 1.5x, 2.3x y 3.2x (el 89%, 84%, y 76% del máximo teórico) usando 2, 4, y 8 GPUs en paralelo. Siendo su implementación posible hoy en dia, los nodos de cálculo con múltiples aceleradores son una alternativa atractiva para futuros sistemas CAP

Multicore architecture optimizations for HPC applications

From single-core CPUs to detachable compute accelerators, supercomputers made a tremendous progress by using available transistors on chip and specializing hardware for a given type of computation. Today, compute nodes used in HPC employ multi-core CPUs tailored for serial execution and multiple accelerators (many-core devices or GPUs) for throughput computing. However, designing next-generation HPC system requires not only the performance improvement but also better energy efficiency. Current trend of reaching exascale level of computation asks for at least an order of magnitude increase in both of these metrics. This thesis explores HPC-specific optimizations in order to make better utilization of the available transistors and to improve performance by transparently executing parallel code across multiple GPU accelerators. First, we analyze several HPC benchmark suites, compare them against typical desktop applications, and identify the differences which advocate for proper core tailoring. Moreover, within the HPC applications, we evaluate serial and parallel code sections separately, resulting in an Asymmetric Chip Multiprocessor (ACMP) design with one core optimized for single-thread performance and many lean cores for parallel execution. Our results presented here suggests downsizing of core front-end structures providing an HPC-tailored lean core which saves 16% of the core area and 7% of power, without performance loss. Further improving an ACMP design, we identify that multiple lean cores run the same code during parallel regions. This motivated us to evaluate the idea where lean cores share the I-cache with the intent of benefiting from mutual prefetching, without increasing the average access latency. Our exploration of the multiple parameters finds the sweet spot on a wide interconnect to access the shared I-cache and the inclusion of a few line buffers to provide the required bandwidth and latency to sustain performance. The projections presented in this thesis show additional 11% area savings with a 5% energy reduction at no performance cost. These area and power savings might be attractive for many-core accelerators either for increasing the performance per area and power unit, or adding additional cores and thus improving the performance for the same hardware budget. Finally, in this thesis we study the effects of future NUMA accelerators comprised of multiple GPU devices. Reaching the limits of a single-GPU die size, next-generation GPU compute accelerators will likely embrace multi-socket designs increasing the core count and memory bandwidth. However, maintaining the UMA behavior of a single-GPU in multi-GPU systems without code rewriting stands as a challenge. We investigate multi-socket NUMA GPU designs and show that significant changes are needed to both the GPU interconnect and cache architectures to achieve performance scalability. We show that application phase effects can be exploited allowing GPU sockets to dynamically optimize their individual interconnect and cache policies, minimizing the impact of NUMA effects. Our NUMA-aware GPU outperforms a single GPU by 1.5×, 2.3×, and 3.2× while achieving 89%, 84%, and 76% of theoretical application scalability in 2, 4, and 8 sockets designs respectively. Implementable today, NUMA-aware multi-socket GPUs may be a promising candidate for performance scaling of future compute nodes used in HPC.Empezando por CPUs de un solo procesador, y pasando por aceleradores discretos, los supercomputadores han avanzado enormemente utilizando todos los transistores disponibles en el chip, y especializando los diseños para cada tipo de cálculo. Actualmente, los nodos de cálculo de un sistema de Computación de Altas Prestaciones (CAP) utilizan CPUs de múltiples procesadores, optimizados para el cálculo serial de instrucciones, y múltiples aceleradores (aceleradores gráficos, o many-core), optimizados para el cálculo paralelo. El diseño de un sistema CAP de nueva generación requiere no solo mejorar el rendimiento de cálculo, sino también mejorar la eficiencia energética. La siguiente generación de sistemas requiere mejorar un orden de magnitud en ambas métricas simultáneamente. Esta tesis doctoral explora optimizaciones específicas para sistemas CAP para hacer un mejor uso de los transistores, y para mejorar las prestaciones de forma transparente ejecutando las aplicaciones en múltiples aceleradores en paralelo. Primero, analizamos varios conjuntos de aplicaciones CAP, y las comparamos con aplicaciones para servidores y escritorio, identificando las principales diferencias que nos indican cómo ajustar la arquitectura para CAP. En las aplicaciones CAP, también analizamos la parte secuencial del código y la parte paralela de forma separada, . El resultado de este análisis nos lleva a proponer una arquitectura multiprocesador asimétrica (ACMP) , con un procesador optimizado para el código secuencial, y múltiples procesadores, más pequeños, optimizados para el procesamiento paralelo. Nuestros resultados muestran que reducir el tamaño de las estructuras del front-end (fetch, y predicción de saltos) en los procesadores paralelos nos proporciona un 16% extra de área en el chip, y una reducción de consumo del 7%. Como mejora a nuestra arquitectura ACMP, proponemos explotar el hecho de que todos los procesadores paralelos ejecutan el mismo código al mismo tiempo. Evaluamos una propuesta en que los procesadores paralelos comparten la caché de instrucciones, con la intención de que uno de ellos precargue las instrucciones para los demás procesadores (prefetching), sin aumentar la latencia media de acceso. Nuestra exploración de los distintos parámetros determina que el punto óptimo requiere una interconexión de alto ancho de banda para acceder a la caché compartida, y el uso de unos pocos line buffers para mantener el ancho de banda y la latencia necesarios. Nuestras proyecciones muestran un ahorro adicional del 11% en área y el 5% en energía, sin impacto en el rendimiento. Estos ahorros de área y energía permiten a un multiprocesador incrementar la eficiencia energética, o aumentar el rendimiento añadiendo procesador adicionales. Por último, estudiamos el efecto de usar múltiples aceleradores (GPU) en una arquitectura con tiempo de acceso a memoria no uniforme (NUMA). Una vez alcanzado el límite de número de transistores y tamaño máximo por chip, la siguiente generación de aceleradores deberá utilizar múltiples chips para aumentar el número de procesadores y el ancho de banda de acceso a memoria. Sin embargo, es muy difícil mantener la ilusión de un tiempo de acceso a memoria uniforme en un sistema multi-GPU sin reescribir el código de la aplicación. Nuestra investigación sobre sistemas multi-GPU muestra retos significativos en el diseño de la interconexión entre las GPU y la jerarquía de memorias cache. Nuestros resultados muestran que se puede explotar el comportamiento en fases de las aplicaciones para optimizar la configuración de la interconexión y las cachés de forma dinámica, minimizando el impacto de la arquitectura NUMA. Nuestro diseño mejora el rendimiento de un sistema con una única GPU en 1.5x, 2.3x y 3.2x (el 89%, 84%, y 76% del máximo teórico) usando 2, 4, y 8 GPUs en paralelo. Siendo su implementación posible hoy en dia, los nodos de cálculo con múltiples aceleradores son una alternativa atractiva para futuros sistemas CAP.Postprint (published version