Accelerating advanced preconditioning methods on hybrid architectures

Un gran número de problemas, en diversas áreas de la ciencia y la ingeniería, involucran la solución de sistemas dispersos de ecuaciones lineales de gran escala. En muchos de estos escenarios, son además un cuello de botella desde el punto de vista computacional, y por esa razón, su implementación eficiente ha motivado una cantidad enorme de trabajos científicos. Por muchos años, los métodos directos basados en el proceso de la Eliminación Gaussiana han sido la herramienta de referencia para resolver dichos sistemas, pero la dimensión de los problemas abordados actualmente impone serios desafíos a la mayoría de estos algoritmos, considerando sus requerimientos de memoria, su tiempo de cómputo y la complejidad de su implementación. Propulsados por los avances en las técnicas de precondicionado, los métodos iterativos se han vuelto más confiables, y por lo tanto emergen como alternativas a los métodos directos, ofreciendo soluciones de alta calidad a un menor costo computacional. Sin embargo, estos avances muchas veces son relativos a un problema específico, o dotan a los precondicionadores de una complejidad tal, que su aplicación en diversos problemas se vuelve poco práctica en términos de tiempo de ejecución y consumo de memoria. Como respuesta a esta situación, es común la utilización de estrategias de Computación de Alto Desempeño, ya que el desarrollo sostenido de las plataformas de hardware permite la ejecución simultánea de cada vez más operaciones. Un claro ejemplo de esta evolución son las plataformas compuestas por procesadores multi-núcleo y aceleradoras de hardware como las Unidades de Procesamiento Gráfico (GPU). Particularmente, las GPU se han convertido en poderosos procesadores paralelos, capaces de integrar miles de núcleos a precios y consumo energético razonables.Por estas razones, las GPU son ahora una plataforma de hardware de gran importancia para la ciencia y la ingeniería, y su uso eficiente es crucial para alcanzar un buen desempeño en la mayoría de las aplicaciones. Esta tesis se centra en el uso de GPUs para acelerar la solución de sistemas dispersos de ecuaciones lineales usando métodos iterativos precondicionados con técnicas modernas. En particular, se trabaja sobre ILUPACK, que ofrece implementaciones de los métodos iterativos más importantes, y presenta un interesante y moderno precondicionador de tipo ILU multinivel. En este trabajo, se desarrollan versiones del precondicionador y de los métodos incluidos en el paquete, capaces de explotar el paralelismo de datos mediante el uso de GPUs sin afectar las propiedades numéricas del precondicionador. Además, se habilita y analiza el uso de las GPU en versiones paralelas existentes, basadas en paralelismo de tareas para plataformas de memoria compartida y distribuida. Los resultados obtenidos muestran una sensible mejora en el tiempo de ejecución de los métodos abordados, así como la posibilidad de resolver problemas de gran escala de forma eficiente

Solving hard subgraph problems in parallel

This thesis improves the state of the art in exact, practical algorithms for finding subgraphs. We study maximum clique, subgraph isomorphism, and maximum common subgraph problems. These are widely applicable: within computing science, subgraph problems arise in document clustering, computer vision, the design of communication protocols, model checking, compiler code generation, malware detection, cryptography, and robotics; beyond, applications occur in biochemistry, electrical engineering, mathematics, law enforcement, fraud detection, fault diagnosis, manufacturing, and sociology. We therefore consider both the ``pure'' forms of these problems, and variants with labels and other domain-specific constraints. Although subgraph-finding should theoretically be hard, the constraint-based search algorithms we discuss can easily solve real-world instances involving graphs with thousands of vertices, and millions of edges. We therefore ask: is it possible to generate ``really hard'' instances for these problems, and if so, what can we learn? By extending research into combinatorial phase transition phenomena, we develop a better understanding of branching heuristics, as well as highlighting a serious flaw in the design of graph database systems. This thesis also demonstrates how to exploit two of the kinds of parallelism offered by current computer hardware. Bit parallelism allows us to carry out operations on whole sets of vertices in a single instruction---this is largely routine. Thread parallelism, to make use of the multiple cores offered by all modern processors, is more complex. We suggest three desirable performance characteristics that we would like when introducing thread parallelism: lack of risk (parallel cannot be exponentially slower than sequential), scalability (adding more processing cores cannot make runtimes worse), and reproducibility (the same instance on the same hardware will take roughly the same time every time it is run). We then detail the difficulties in guaranteeing these characteristics when using modern algorithmic techniques. Besides ensuring that parallelism cannot make things worse, we also increase the likelihood of it making things better. We compare randomised work stealing to new tailored strategies, and perform experiments to identify the factors contributing to good speedups. We show that whilst load balancing is difficult, the primary factor influencing the results is the interaction between branching heuristics and parallelism. By using parallelism to explicitly offset the commitment made to weak early branching choices, we obtain parallel subgraph solvers which are substantially and consistently better than the best sequential algorithms