A versatile programming model for dynamic task scheduling on cluster computers

This dissertation studies the development of application programs for parallel and distributed computer systems, especially PC clusters. A methodology is proposed to increase the efficiency of code development, the productivity of programmers and enhance performance of executing the developed programs on PC clusters while facilitating improvement of scalability and code portability of these programs. A new programming model, named the Super-Programming Model (SPM), is created. Programs are developed assuming an instruction set architecture comprised of SuperInstructions (SIs). SPM models the target system as a large Virtual Machine (VM); VM contains functional units which are underlain with sub-computer systems and SIs are implemented with codes. When these functional units execute SIs, their codes will run on member computers to perform the corresponding operations. This approach resembles the process of designing instruction sets for microprocessors but the VM employs much coarser instructions and data structures. SIs use Super-Data Blocks (SDBs) as their operands. Each SI is assigned to a single member computer and is indivisible (i.e., its implementation is not interrupted for I/O). SIs have predictable execution times because SDB sizes are limited by predefined thresholds. These qualities of SIs help dynamic load balancing. Employing software to implement instructions makes this approach more flexible. The developed programs fit to architectures of cluster systems better. SPM provides mechanisms, such as dynamic load balancing, to assure the efficient execution of programs. The vast majority of current programming models lack such mechanisms for distributed environments that suffer from long communication latencies. Since SPM employs coarse-grain tasks, the overall management overhead is small. SDB access can often overlap the execution of other SIs; a cache system further decreases average memory latencies. Since all SDBs are virtual entities, with the runtime system support, they can be accessed in parallel and efficiently minimizes additional constraints to parallelism from underlying computer systems. In this research, a reference implementation of VM has been developed. A performance estimation model is developed that takes these features into account. Finally, the definition of scalability for parallel/distributed processing is refined to represent a multi-dimensional entity. Sample cases are analyzed

Exploiting data locality in cache-coherent NUMA systems

The end of Dennard scaling has caused a stagnation of the clock frequency in computers.To overcome this issue, in the last two decades vendors have been integrating larger numbers of processing elements in the systems, interconnecting many nodes, including multiple chips in the nodes and increasing the number of cores in each chip. The speed of main memory has not evolved at the same rate as processors, it is much slower and there is a need to provide more total bandwidth to the processors, especially with the increase in the number of cores and chips. Still keeping a shared address space, where all processors can access the whole memory, solutions have come by integrating more memories: by using newer technologies like high-bandwidth memories (HBM) and non-volatile memories (NVM), by giving groups cores (like sockets, for example) faster access to some subset of the DRAM, or by combining many of these solutions. This has caused some heterogeneity in the access speed to main memory, depending on the CPU requesting access to a memory address and the actual physical location of that address, causing non-uniform memory access (NUMA) behaviours. Moreover, many of these systems are cache-coherent (ccNUMA), meaning that changes in the memory done from one CPU must be visible by the other CPUs and transparent for the programmer. These NUMA behaviours reduce the performance of applications and can pose a challenge to the programmers. To tackle this issue, this thesis proposes solutions, at the software and hardware levels, to improve the data locality in NUMA systems and, therefore, the performance of applications in these computer systems. The first contribution shows how considering hardware prefetching simultaneously with thread and data placement in NUMA systems can find configurations with better performance than considering these aspects separately. The performance results combined with performance counters are then used to build a performance model to predict, both offline and online, the best configuration for new applications not in the model. The evaluation is done using two different high performance NUMA systems, and the performance counters collected in one machine are used to predict the best configurations in the other machine. The second contribution builds on the idea that prefetching can have a strong effect in NUMA systems and proposes a NUMA-aware hardware prefetching scheme. This scheme is generic and can be applied to multiple hardware prefetchers with a low hardware cost but giving very good results. The evaluation is done using a cycle-accurate architectural simulator and provides detailed results of the performance, the data transfer reduction and the energy costs. Finally, the third and last contribution consists in scheduling algorithms for task-based programming models. These programming models help improve the programmability of applications in parallel systems and also provide useful information to the underlying runtime system. This information is used to build a task dependency graph (TDG), a directed acyclic graph that models the application where the nodes are sequential pieces of code known as tasks and the edges are the data dependencies between the different tasks. The proposed scheduling algorithms use graph partitioning techniques and provide a scheduling for the tasks in the TDG that minimises the data transfers between the different NUMA regions of the system. The results have been evaluated in real ccNUMA systems with multiple NUMA regions.La fi de la llei de Dennard ha provocat un estancament de la freqüència de rellotge dels computadors. Amb l'objectiu de superar aquest fet, durant les darreres dues dècades els fabricants han integrat més quantitat d'unitats de còmput als sistemes mitjançant la interconnexió de nodes diferents, la inclusió de múltiples xips als nodes i l'increment de nuclis de processador a cada xip. La rapidesa de la memòria principal no ha evolucionat amb el mateix factor que els processadors; és molt més lenta i hi ha la necessitat de proporcionar més ample de banda als processadors, especialment amb l'increment del nombre de nuclis i xips. Tot mantenint un adreçament compartit en el qual tots els processadors poden accedir a la memòria sencera, les solucions han estat al voltant de la integració de més memòries: amb tecnologies modernes com HBM (high-bandwidth memories) i NVM (non-volatile memories), fent que grups de nuclis (com sòcols sencers) tinguin accés més ràpid a una part de la DRAM o amb la combinació de solucions. Això ha provocat una heterogeneïtat en la velocitat d'accés a la memòria principal, en funció del nucli que sol·licita l'accés a una adreça en particular i la seva localització física, fet que provoca uns comportaments no uniformes en l'accés a la memòria (non-uniform memory access, NUMA). A més, sovint tenen memòries cau coherents (cache-coherent NUMA, ccNUMA), que implica que qualsevol canvi fet a la memòria des d'un nucli d'un processador ha de ser visible la resta de manera transparent. Aquests comportaments redueixen el rendiment de les aplicacions i suposen un repte. Per abordar el problema, a la tesi s'hi proposen solucions, a nivell de programari i maquinari, que milloren la localitat de dades als sistemes NUMA i, en conseqüència, el rendiment de les aplicacions en aquests sistemes. La primera contribució mostra que, quan es tenen en compte alhora la precàrrega d'adreces de memòria amb maquinari (hardware prefetching) i les decisions d'ubicació dels fils d'execució i les dades als sistemes NUMA, es poden trobar millors configuracions que quan es condieren per separat. Una combinació dels resultats de rendiment i dels comptadors disponibles al sistema s'utilitza per construir un model de rendiment per fer la predicció, tant per avançat com també en temps d'execució, de la millor configuració per aplicacions que no es troben al model. L'avaluació es du a terme a dos sistemes NUMA d'alt rendiment, i els comptadors mesurats en un sistema s'usen per predir les millors configuracions a l'altre sistema. La segona contribució es basa en la idea que el prefetching pot tenir un efecte considerable als sistemes NUMA i proposa un esquema de precàrrega a nivell de maquinari que té en compte els efectes NUMA. L'esquema és genèric i es pot aplicar als algorismes de precàrrega existents amb un cost de maquinari molt baix però amb molt bons resultats. S'avalua amb un simulador arquitectural acurat a nivell de cicle i proporciona resultats detallats del rendiment, la reducció de les comunicacions de dades i els costos energètics. La tercera i darrera contribució consisteix en algorismes de planificació per models de programació basats en tasques. Aquests simplifiquen la programabilitat de les aplicacions paral·leles i proveeixen informació molt útil al sistema en temps d'execució (runtime system) que en controla el funcionament. Amb aquesta informació es construeix un graf de dependències entre tasques (task dependency graph, TDG), un graf dirigit i acíclic que modela l'aplicació i en el qual els nodes són fragments de codi seqüencial (o tasques) i els arcs són les dependències de dades entre les tasques. Els algorismes de planificació proposats fan servir tècniques de particionat de grafs i proporcionen una planificació de les tasques del TDG que minimitza la comunicació de dades entre les diferents regions NUMA del sistema. Els resultats han estat avaluats en sistemes ccNUMA reals amb múltiples regions NUMA.El final de la ley de Dennard ha provocado un estancamiento de la frecuencia de reloj de los computadores. Con el objetivo de superar este problema, durante las últimas dos décadas los fabricantes han integrado más unidades de cómputo en los sistemas mediante la interconexión de nodos diferentes, la inclusión de múltiples chips en los nodos y el incremento de núcleos de procesador en cada chip. La rapidez de la memoria principal no ha evolucionado con el mismo factor que los procesadores; es mucho más lenta y hay la necesidad de proporcionar más ancho de banda a los procesadores, especialmente con el incremento del número de núcleos y chips. Aun manteniendo un sistema de direccionamiento compartido en el que todos los procesadores pueden acceder al conjunto de la memoria, las soluciones han oscilado alrededor de la integración de más memorias: usando tecnologías modernas como las memorias de alto ancho de banda (highbandwidth memories, HBM) y memorias no volátiles (non-volatile memories, NVM), haciendo que grupos de núcleos (como zócalos completos) tengan acceso más veloz a un subconjunto de la DRAM, o con la combinación de soluciones. Esto ha provocado una heterogeneidad en la velocidad de acceso a la memoria principal, en función del núcleo que solicita el acceso a una dirección de memoria en particular y la ubicación física de esta dirección, lo que provoca unos comportamientos no uniformes en el acceso a la memoria (non-uniform memory access, NUMA). Además, muchos de estos sistemas tienen memorias caché coherentes (cache-coherent NUMA, ccNUMA), lo que implica que cualquier cambio hecho en la memoria desde un núcleo de un procesador debe ser visible por el resto de procesadores de forma transparente para los programadores. Estos comportamientos NUMA reducen el rendimiento de las aplicaciones y pueden suponer un reto para los programadores. Para abordar dicho problema, en esta tesis se proponen soluciones, a nivel de software y hardware, que mejoran la localidad de datos en los sistemas NUMA y, en consecuencia, el rendimiento de las aplicaciones en estos sistemas informáticos. La primera contribución muestra que, cuando se tienen en cuenta a la vez la precarga de direcciones de memoria mediante hardware (o hardware prefetching ) y las decisiones de la ubicación de los hilos de ejecución y los datos en los sistemas NUMA, se pueden hallar mejores configuraciones que cuando se consideran ambos aspectos por separado. Con una combinación de los resultados de rendimiento y de los contadores disponibles en el sistema se construye un modelo de rendimiento, tanto por avanzado como en en tiempo de ejecución, de la mejor configuración para aplicaciones que no están incluidas en el modelo. La evaluación se realiza en dos sistemas NUMA de alto rendimiento, y los contadores medidos en uno de los sistemas se usan para predecir las mejores configuraciones en el otro sistema. La segunda contribución se basa en la idea de que el prefetching puede tener un efecto considerable en los sistemas NUMA y propone un esquema de precarga a nivel hardware que tiene en cuenta los efectos NUMA. Este esquema es genérico y se puede aplicar a diferentes algoritmos de precarga existentes con un coste de hardware muy bajo pero que proporciona muy buenos resultados. Dichos resultados se obtienen y evalúan mediante un simulador arquitectural preciso a nivel de ciclo y proporciona resultados detallados del rendimiento, la reducción de las comunicaciones de datos y los costes energéticos. Finalmente, la tercera y última contribución consiste en algoritmos de planificación para modelos de programación basados en tareas. Estos modelos simplifican la programabilidad de las aplicaciones paralelas y proveen información muy útil al sistema en tiempo de ejecución (runtime system) que controla su funcionamiento. Esta información se utiliza para construir un grafo de dependencias entre tareas (task dependency graph, TDG), un grafo dirigido y acíclico que modela la aplicación y en el ue los nodos son fragmentos de código secuencial, conocidos como tareas, y los arcos son las dependencias de datos entre las distintas tareas. Los algoritmos de planificación que se proponen usan técnicas e particionado de grafos y proporcionan una planificación de las tareas del TDG que minimiza la comunicación de datos entre las distintas regiones NUMA del sistema. Los resultados se han evaluado en sistemas ccNUMA reales con múltiples regiones NUMA.Postprint (published version

Tackling Exascale Software Challenges in Molecular Dynamics Simulations with GROMACS

GROMACS is a widely used package for biomolecular simulation, and over the last two decades it has evolved from small-scale efficiency to advanced heterogeneous acceleration and multi-level parallelism targeting some of the largest supercomputers in the world. Here, we describe some of the ways we have been able to realize this through the use of parallelization on all levels, combined with a constant focus on absolute performance. Release 4.6 of GROMACS uses SIMD acceleration on a wide range of architectures, GPU offloading acceleration, and both OpenMP and MPI parallelism within and between nodes, respectively. The recent work on acceleration made it necessary to revisit the fundamental algorithms of molecular simulation, including the concept of neighborsearching, and we discuss the present and future challenges we see for exascale simulation - in particular a very fine-grained task parallelism. We also discuss the software management, code peer review and continuous integration testing required for a project of this complexity.Comment: EASC 2014 conference proceedin

ACOTES project: Advanced compiler technologies for embedded streaming

Streaming applications are built of data-driven, computational components, consuming and producing unbounded data streams. Streaming oriented systems have become dominant in a wide range of domains, including embedded applications and DSPs. However, programming efficiently for streaming architectures is a challenging task, having to carefully partition the computation and map it to processes in a way that best matches the underlying streaming architecture, taking into account the distributed resources (memory, processing, real-time requirements) and communication overheads (processing and delay). These challenges have led to a number of suggested solutions, whose goal is to improve the programmer’s productivity in developing applications that process massive streams of data on programmable, parallel embedded architectures. StreamIt is one such example. Another more recent approach is that developed by the ACOTES project (Advanced Compiler Technologies for Embedded Streaming). The ACOTES approach for streaming applications consists of compiler-assisted mapping of streaming tasks to highly parallel systems in order to maximize cost-effectiveness, both in terms of energy and in terms of design effort. The analysis and transformation techniques automate large parts of the partitioning and mapping process, based on the properties of the application domain, on the quantitative information about the target systems, and on programmer directives. This paper presents the outcomes of the ACOTES project, a 3-year collaborative work of industrial (NXP, ST, IBM, Silicon Hive, NOKIA) and academic (UPC, INRIA, MINES ParisTech) partners, and advocates the use of Advanced Compiler Technologies that we developed to support Embedded Streaming.Peer ReviewedPostprint (published version

An OpenCL software compilation framework targeting an SoC-FPGA VLIW chip multiprocessor

Modern systems-on-chip augment their baseline CPU with coprocessors and accelerators to increase overall computational capability and power efficiency, and thus have evolved into heterogeneous multi-core systems. Several languages have been developed to enable this paradigm shift, including CUDA and OpenCL. This paper discusses a unified compilation environment to enable heterogeneous system design through the use of OpenCL and a highly configurable VLIW Chip Multiprocessor architecture known as the LE1. An LLVM compilation framework was researched and a prototype developed to enable the execution of OpenCL applications on a number of hardware configurations of the LE1 CMP. The presented OpenCL framework fully automates the compilation flow and supports work-item coalescing which better maps onto the ILP processor cores of the LE1 architecture. This paper discusses in detail both the software stack and target hardware architecture and evaluates the scalability of the proposed framework by running 12 industry-standard OpenCL benchmarks drawn from the AMD SDK and the Rodinia suites. The benchmarks are executed on 40 LE1 configurations with 10 implemented on an SoC-FPGA and the remaining on a cycle-accurate simulator. Across 12 OpenCL benchmarks results demonstrate near-linear wall-clock performance improvement of 1.8x (using 2 dual-issue cores), up to 5.2x (using 8 dual-issue cores) and on one case, super-linear improvement of 8.4x (FixOffset kernel, 8 dual-issue cores). The number of OpenCL benchmarks evaluated makes this study one of the most complete in the literature