Summarizing multiprocessor program execution with versatile, microarchitecture-independent snapshots

Thesis (Ph. D.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Electrical Engineering and Computer Science, 2006.Includes bibliographical references (p. 131-137).Computer architects rely heavily on software simulation to evaluate, refine, and validate new designs before they are implemented. However, simulation time continues to increase as computers become more complex and multicore designs become more common. This thesis investigates software structures and algorithms for quickly simulating modern cache-coherent multiprocessors by amortizing the time spent to simulate the memory system and branch predictors. The Memory Timestamp Record (MTR) summarizes the directory and cache state of a multiprocessor system in a compact data structure. A single MTR snapshot is versatile enough to reconstruct the microarchitectural state resulting from various coherence protocols and cache organizations. The MTR may be quickly updated by each simulated processor during a fast-forwarding phase and optionally stored off-line for reuse. To fill large branch prediction tables, we introduce Branch Predictor-based Compression (BPC) which compactly stores a branch trace so that it may be used to fill in any branch predictor structure. An entire BPC trace requires less space than single discrete predictor snapshots, and it may be decompressed 3-6x faster than performing functional simulation.by Kenneth C. Barr.Ph.D

Temporal Streaming of Shared Memory

Coherent read misses in shared-memory multiprocessors account for a substantial fraction of execution time in many important scientific and commercial workloads. We propose Temporal Streaming, to eliminate coherent read misses by streaming data to a processor in advance of the corresponding memory accesses. Temporal streaming dynamically identifies address sequences to be streamed by exploiting two common phenomena in shared-memory access patterns: (1) temporal address correlation — groups of shared addresses tend to be accessed together and in the same order, and (2) temporal stream locality — recently- accessed address streams are likely to recur. We present a practical design for temporal streaming. We evaluate our design using a combination of trace-driven and cycle- accurate full-system simulation of a cache-coherent distributed shared-memory system. We show that temporal streaming can eliminate 98% of coherent read misses in scientific applications, and between 43% and 60% in database and web server workloads. Our design yields speedups of 1.07 to 3.29 in scientific applications, and 1.06 to 1.21 in commercial workloads

The effect of an optical network on-chip on the performance of chip multiprocessors

Optical networks on-chip (ONoC) have been proposed to reduce power consumption and increase bandwidth density in high performance chip multiprocessors (CMP), compared to electrical NoCs. However, as buffering in an ONoC is not viable, the end-to-end message path needs to be acquired in advance during which the message is buffered at the network ingress. This waiting latency is therefore a combination of path setup latency and contention and forms a significant part of the total message latency. Many proposed ONoCs, such as Single Writer, Multiple Reader (SWMR), avoid path setup latency at the expense of increased optical components. In contrast, this thesis investigates a simple circuit-switched ONoC with lower component count where nodes need to request a channel before transmission. To hide the path setup latency, a coherence-based message predictor is proposed, to setup circuits before message arrival. Firstly, the effect of latency and bandwidth on application performance is thoroughly investigated using full-system simulations of shared memory CMPs. It is shown that the latency of an ideal NoC affects the CMP performance more than the NoC bandwidth. Increasing the number of wavelengths per channel decreases the serialisation latency and improves the performance of both ONoC types. With 2 or more wavelengths modulating at 25 Gbit=s , the ONoCs will outperform a conventional electrical mesh (maximal speedup of 20%). The SWMR ONoC outperforms the circuit-switched ONoC. Next coherence-based prediction techniques are proposed to reduce the waiting latency. The ideal coherence-based predictor reduces the waiting latency by 42%. A more streamlined predictor (smaller than a L1 cache) reduces the waiting latency by 31%. Without prediction, the message latency in the circuit-switched ONoC is 11% larger than in the SWMR ONoC. Applying the realistic predictor reverses this: the message latency in the SWMR ONoC is now 18% larger than the predictive circuitswitched ONoC

Transparent management of scratchpad memories in shared memory programming models

Cache-coherent shared memory has traditionally been the favorite memory organization for chip multiprocessors thanks to its high programmability. In this organization the cache hierarchy is in charge of moving the data and keeping it coherent between all the caches, enabling the usage of shared memory programming models where the programmer does not need to carry out any data management operation. Unfortunately, performing all the data management operations in hardware causes severe problems, being the primary concerns the power consumption originated in the caches and the amount of coherence traffic in the interconnection network. A good solution is to introduce ScratchPad Memories (SPMs) alongside the cache hierarchy, forming a hybrid memory hierarchy. SPMs are more power-efficient than caches and do not generate coherence traffic, but they degrade programmability. In particular, SPMs require the programmer to partition the data, to program data transfers, and to keep coherence between different copies of the data. A promising solution to exploit the benefits of the SPMs without harming programmability is to allow programmers to use shared memory programming models and to automatically generate code that manages the SPMs. Unfortunately, current compilers and runtime systems encounter serious limitations to automatically generate code for hybrid memory hierarchies from shared memory programming models. This thesis proposes to transparently manage the SPMs of hybrid memory hierarchies in shared memory programming models. In order to achieve this goal this thesis proposes a combination of hardware and compiler techniques to manage the SPMs in fork-join programming models and a set of runtime system techniques to manage the SPMs in task programming models. The proposed techniques allow to program hybrid memory hierarchies with these two well-known and easy-to-use forms of shared memory programming models, capitalizing on the benefits of hybrid memory hierarchies in power consumption and network traffic without harming programmability. The first contribution of this thesis is a hardware/software co-designed coherence protocol to transparently manage the SPMs of hybrid memory hierarchies in fork-join programming models. The solution allows the compiler to always generate code to manage the SPMs with tiling software caches, even in the presence of unknown memory aliasing hazards between memory references to the SPMs and to the cache hierarchy. On the software side, the compiler generates a special form of memory instruction for memory references with possible aliasing hazards. On the hardware side, the special memory instructions are diverted to the correct copy of the data using a set of directories that track what data is mapped to the SPMs. The second contribution of this thesis is a set of runtime system techniques to manage the SPMs of hybrid memory hierarchies in task programming models. The proposed runtime system techniques exploit the characteristics of these programming models to map the data specified in the task dependences to the SPMs. Different policies are proposed to mitigate the communication costs of the data transfers, overlapping them with other execution phases such as the task scheduling phase or the execution of the previous task. The runtime system can also reduce the number of data transfers by using a task scheduler that exploits data locality in the SPMs. In addition, the proposed techniques are combined with mechanisms that reduce the impact of fine-grained tasks, such as hardware runtime systems or large SPM sizes. The accomplishment of this thesis is that hybrid memory hierarchies can be programmed with fork-join and task programming models. Consequently, architectures with hybrid memory hierarchies can be exposed to the programmer as a shared memory multiprocessor, taking advantage of the benefits of the SPMs while maintaining the programming simplicity of shared memory programming models.La memoria compartida con coherencia de caches es la jerarquía de memoria más utilizada en multiprocesadores gracias a su programabilidad. En esta solución la jerarquía de caches se encarga de mover los datos y mantener la coherencia entre las caches, habilitando el uso de modelos de programación de memoria compartida donde el programador no tiene que realizar ninguna operación para gestionar las memorias. Desafortunadamente, realizar estas operaciones en la arquitectura causa problemas severos, siendo especialmente relevantes el consumo de energía de las caches y la cantidad de tráfico de coherencia en la red de interconexión. Una buena solución es añadir Memorias ScratchPad (SPMs) acompañando la jerarquía de caches, formando una jerarquía de memoria híbrida. Las SPMs son más eficientes en energía y tráfico de coherencia, pero dificultan la programabilidad ya que requieren que el programador particione los datos, programe transferencias de datos y mantenga la coherencia entre diferentes copias de datos. Una solución prometedora para beneficiarse de las ventajas de las SPMs sin dificultar la programabilidad es permitir que el programador use modelos de programación de memoria compartida y generar código para gestionar las SPMs automáticamente. El problema es que los compiladores y los entornos de ejecución actuales sufren graves limitaciones al gestionar automáticamente una jerarquía de memoria híbrida en modelos de programación de memoria compartida. Esta tesis propone gestionar automáticamente una jerarquía de memoria híbrida en modelos de programación de memoria compartida. Para conseguir este objetivo esta tesis propone una combinación de técnicas hardware y de compilador para gestionar las SPMs en modelos de programación fork-join, y técnicas en entornos de ejecución para gestionar las SPMs en modelos de programación basados en tareas. Las técnicas propuestas hacen que las jerarquías de memoria híbridas puedan programarse con estos dos modelos de programación de memoria compartida, de tal forma que las ventajas en energía y tráfico de coherencia se puedan explotar sin dificultar la programabilidad. La primera contribución de esta tesis en un protocolo de coherencia hardware/software para gestionar SPMs en modelos de programación fork-join. La propuesta consigue que el compilador siempre pueda generar código para gestionar las SPMs, incluso cuando hay posibles alias de memoria entre referencias a memoria a las SPMs y a la jerarquía de caches. En la solución el compilador genera instrucciones especiales para las referencias a memoria con posibles alias, y el hardware sirve las instrucciones especiales con la copia válida de los datos usando directorios que guardan información sobre qué datos están mapeados en las SPMs. La segunda contribución de esta tesis son una serie de técnicas para gestionar SPMs en modelos de programación basados en tareas. Las técnicas aprovechan las características de estos modelos de programación para mapear las dependencias de las tareas en las SPMs y se complementan con políticas para minimizar los costes de las transferencias de datos, como solaparlas con fases del entorno de ejecución o la ejecución de tareas anteriores. El número de transferencias también se puede reducir utilizando un planificador que tenga en cuenta la localidad de datos y, además, las técnicas se pueden combinar con mecanismos para reducir los efectos negativos de tener tareas pequeñas, como entornos de ejecución en hardware o SPMs de más capacidad. Las propuestas de esta tesis consiguen que las jerarquías de memoria híbridas se puedan programar con modelos de programación fork-join y basados en tareas. En consecuencia, las arquitecturas con jerarquías de memoria híbridas se pueden exponer al programador como multiprocesadores de memoria compartida, beneficiándose de las ventajas de las SPMs en energía y tráfico de coherencia y manteniendo la simplicidad de uso de los modelos de programación de memoria compartida

Novel Cache Hierarchies with Photonic Interconnects for Chip Multiprocessors

[ES] Los procesadores multinúcleo actuales cuentan con recursos compartidos entre los diferentes núcleos. Dos de estos recursos compartidos, la cache de último nivel y el ancho de banda de memoria principal, pueden convertirse en cuellos de botella para el rendimiento. Además, con el crecimiento del número de núcleos que implementan los diseños más recientes, la red dentro del chip también se convierte en un cuello de botella que puede afectar negativamente al rendimiento, ya que las redes tradicionales pueden encontrar limitaciones a su escalabilidad en el futuro cercano. Prácticamente la totalidad de los diseños actuales implementan jerarquías de memoria que se comunican mediante rápidas redes de interconexión. Esta organización es eficaz dado que permite reducir el número de accesos que se realizan a memoria principal y la latencia media de acceso a memoria. Las caches, la red de interconexión y la memoria principal, conjuntamente con otras técnicas conocidas como la prebúsqueda, permiten reducir las enormes latencias de acceso a memoria principal, limitando así el impacto negativo ocasionado por la diferencia de rendimiento existente entre los núcleos de cómputo y la memoria. Sin embargo, compartir los recursos mencionados es fuente de diferentes problemas y retos, siendo uno de los principales el manejo de la interferencia entre aplicaciones. Hacer un uso eficiente de la jerarquía de memoria y las caches, así como contar con una red de interconexión apropiada, es necesario para sostener el crecimiento del rendimiento en los diseños tanto actuales como futuros. Esta tesis analiza y estudia los principales problemas e inconvenientes observados en estos dos recursos: la cache de último nivel y la red dentro del chip. En primer lugar, se estudia la escalabilidad de las tradicionales redes dentro del chip con topología de malla, así como esta puede verse comprometida en próximos diseños que cuenten con mayor número de núcleos. Los resultados de este estudio muestran que, a mayor número de núcleos, el impacto negativo de la distancia entre núcleos en la latencia puede afectar seriamente al rendimiento del procesador. Como solución a este problema, en esta tesis proponemos una de red de interconexión óptica modelada en un entorno de simulación detallado, que supone una solución viable a los problemas de escalabilidad observados en los diseños tradicionales. A continuación, esta tesis dedica un esfuerzo importante a identificar y proponer soluciones a los principales problemas de diseño de las jerarquías de memoria actuales como son, por ejemplo, el sobredimensionado del espacio de cache privado, la existencia de réplicas de datos y rigidez e incapacidad de adaptación de las estructuras de cache. Aunque bien conocidos, estos problemas y sus efectos adversos en el rendimiento pueden ser evitados en procesadores de alto rendimiento gracias a la enorme capacidad de la cache de último nivel que este tipo de procesadores típicamente implementan. Sin embargo, en procesadores de bajo consumo, no existe la posibilidad de contar con tales capacidades y hacer un uso eficiente del espacio disponible es crítico para mantener el rendimiento. Como solución a estos problemas en procesadores de bajo consumo, proponemos una novedosa organización de jerarquía de dos niveles cache que utiliza una red de interconexión óptica. Los resultados obtenidos muestran que, comparado con diseños convencionales, el consumo de energía estática en la arquitectura propuesta es un 60% menor, pese a que los resultados de rendimiento presentan valores similares. Por último, hemos extendido la arquitectura propuesta para dar soporte tanto a aplicaciones paralelas como secuenciales. Los resultados obtenidos con la esta nueva arquitectura muestran un ahorro de hasta el 78 % de energía estática en la ejecución de aplicaciones paralelas.[CA] Els processadors multinucli actuals compten amb recursos compartits entre els diferents nuclis. Dos d'aquests recursos compartits, la memòria d’últim nivell i l'ample de banda de memòria principal, poden convertir-se en colls d'ampolla per al rendiment. A mes, amb el creixement del nombre de nuclis que implementen els dissenys mes recents, la xarxa dins del xip també es converteix en un coll d'ampolla que pot afectar negativament el rendiment, ja que les xarxes tradicionals poden trobar limitacions a la seva escalabilitat en el futur proper. Pràcticament la totalitat dels dissenys actuals implementen jerarquies de memòria que es comuniquen mitjançant rapides xarxes d’interconnexió. Aquesta organització es eficaç ates que permet reduir el nombre d'accessos que es realitzen a memòria principal i la latència mitjana d’accés a memòria. Les caches, la xarxa d’interconnexió i la memòria principal, conjuntament amb altres tècniques conegudes com la prebúsqueda, permeten reduir les enormes latències d’accés a memòria principal, limitant així l'impacte negatiu ocasionat per la diferencia de rendiment existent entre els nuclis de còmput i la memòria. No obstant això, compartir els recursos esmentats és font de diversos problemes i reptes, sent un dels principals la gestió de la interferència entre aplicacions. Fer un us eficient de la jerarquia de memòria i les caches, així com comptar amb una xarxa d’interconnexió apropiada, es necessari per sostenir el creixement del rendiment en els dissenys tant actuals com futurs. Aquesta tesi analitza i estudia els principals problemes i inconvenients observats en aquests dos recursos: la memòria cache d’últim nivell i la xarxa dins del xip. En primer lloc, s'estudia l'escalabilitat de les xarxes tradicionals dins del xip amb topologia de malla, així com aquesta es pot veure compromesa en propers dissenys que compten amb major nombre de nuclis. Els resultats d'aquest estudi mostren que, a major nombre de nuclis, l'impacte negatiu de la distància entre nuclis en la latència pot afectar seriosament al rendiment del processador. Com a solució' a aquest problema, en aquesta tesi proposem una xarxa d’interconnexió' òptica modelada en un entorn de simulació detallat, que suposa una solució viable als problemes d'escalabilitat observats en els dissenys tradicionals. A continuació, aquesta tesi dedica un esforç important a identificar i proposar solucions als principals problemes de disseny de les jerarquies de memòria actuals com son, per exemple, el sobredimensionat de l'espai de memòria cache privat, l’existència de repliques de dades i la rigidesa i incapacitat d’adaptació' de les estructures de memòria cache. Encara que ben coneguts, aquests problemes i els seus efectes adversos en el rendiment poden ser evitats en processadors d'alt rendiment gracies a l'enorme capacitat de la memòria cache d’últim nivell que aquest tipus de processadors típicament implementen. No obstant això, en processadors de baix consum, no hi ha la possibilitat de comptar amb aquestes capacitats, i fer un us eficient de l'espai disponible es torna crític per mantenir el rendiment. Com a solució a aquests problemes en processadors de baix consum, proposem una nova organització de jerarquia de dos nivells de memòria cache que utilitza una xarxa d’interconnexió òptica. Els resultats obtinguts mostren que, comparat amb dissenys convencionals, el consum d'energia estàtica en l'arquitectura proposada és un 60% menor, malgrat que els resultats de rendiment presenten valors similars. Per últim, hem estes l'arquitectura proposada per donar suport tant a aplicacions paral·leles com seqüencials. Els resultats obtinguts amb aquesta nova arquitectura mostren un estalvi de fins al 78 % d'energia estàtica en l’execució d'aplicacions paral·leles.[EN] Current multicores face the challenge of sharing resources among the different processor cores. Two main shared resources act as major performance bottlenecks in current designs: the off-chip main memory bandwidth and the last level cache. Additionally, as the core count grows, the network on-chip is also becoming a potential performance bottleneck, since traditional designs may find scalability issues in the near future. Memory hierarchies communicated through fast interconnects are implemented in almost every current design as they reduce the number of off-chip accesses and the overall latency, respectively. Main memory, caches, and interconnection resources, together with other widely-used techniques like prefetching, help alleviate the huge memory access latencies and limit the impact of the core-memory speed gap. However, sharing these resources brings several concerns, being one of the most challenging the management of the inter-application interference. Since almost every running application needs to access to main memory, all of them are exposed to interference from other co-runners in their way to the memory controller. For this reason, making an efficient use of the available cache space, together with achieving fast and scalable interconnects, is critical to sustain the performance in current and future designs. This dissertation analyzes and addresses the most important shortcomings of two major shared resources: the Last Level Cache (LLC) and the Network on Chip (NoC). First, we study the scalability of both electrical and optical NoCs for future multicoresand many-cores. To perform this study, we model optical interconnects in a cycle-accurate multicore simulation framework. A proper model is required; otherwise, important performance deviations may be observed otherwise in the evaluation results. The study reveals that, as the core count grows, the effect of distance on the end-to-end latency can negatively impact on the processor performance. In contrast, the study also shows that silicon nanophotonics are a viable solution to solve the mentioned latency problems. This dissertation is also motivated by important design concerns related to current memory hierarchies, like the oversizing of private cache space, data replication overheads, and lack of flexibility regarding sharing of cache structures. These issues, which can be overcome in high performance processors by virtue of huge LLCs, can compromise performance in low power processors. To address these issues we propose a more efficient cache hierarchy organization that leverages optical interconnects. The proposed architecture is conceived as an optically interconnected two-level cache hierarchy composed of multiple cache modules that can be dynamically turned on and off independently. Experimental results show that, compared to conventional designs, static energy consumption is improved by up to 60% while achieving similar performance results. Finally, we extend the proposal to support both sequential and parallel applications. This extension is required since the proposal adapts to the dynamic cache space needs of the running applications, and multithreaded applications's behaviors widely differ from those of single threaded programs. In addition, coherence management is also addressed, which is challenging since each cache module can be assigned to any core at a given time in the proposed approach. For parallel applications, the evaluation shows that the proposal achieves up to 78% static energy savings. In summary, this thesis tackles major challenges originated by the sharing of on-chip caches and communication resources in current multicores, and proposes new cache hierarchy organizations leveraging optical interconnects to address them. The proposed organizations reduce both static and dynamic energy consumption compared to conventional approaches while achieving similar performance; which results in better energy efficiency.Puche Lara, J. (2021). Novel Cache Hierarchies with Photonic Interconnects for Chip Multiprocessors [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/165254TESI

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

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

Efficient openMP over sequentially consistent distributed shared memory systems

Nowadays clusters are one of the most used platforms in High Performance Computing and most programmers use the Message Passing Interface (MPI) library to program their applications in these distributed platforms getting their maximum performance, although it is a complex task. On the other side, OpenMP has been established as the de facto standard to program applications on shared memory platforms because it is easy to use and obtains good performance without too much effort. So, could it be possible to join both worlds? Could programmers use the easiness of OpenMP in distributed platforms? A lot of researchers think so. And one of the developed ideas is the distributed shared memory (DSM), a software layer on top of a distributed platform giving an abstract shared memory view to the applications. Even though it seems a good solution it also has some inconveniences. The memory coherence between the nodes in the platform is difficult to maintain (complex management, scalability issues, high overhead and others) and the latency of the remote-memory accesses which can be orders of magnitude greater than on a shared bus due to the interconnection network. Therefore this research improves the performance of OpenMP applications being executed on distributed memory platforms using a DSM with sequential consistency evaluating thoroughly the results from the NAS parallel benchmarks. The vast majority of designed DSMs use a relaxed consistency model because it avoids some major problems in the area. In contrast, we use a sequential consistency model because we think that showing these potential problems that otherwise are hidden may allow the finding of some solutions and, therefore, apply them to both models. The main idea behind this work is that both runtimes, the OpenMP and the DSM layer, should cooperate to achieve good performance, otherwise they interfere one each other trashing the final performance of applications. We develop three different contributions to improve the performance of these applications: (a) a technique to avoid false sharing at runtime, (b) a technique to mimic the MPI behaviour, where produced data is forwarded to their consumers and, finally, (c) a mechanism to avoid the network congestion due to the DSM coherence messages. The NAS Parallel Benchmarks are used to test the contributions. The results of this work shows that the false-sharing problem is a relative problem depending on each application. Another result is the importance to move the data flow outside of the critical path and to use techniques that forwards data as early as possible, similar to MPI, benefits the final application performance. Additionally, this data movement is usually concentrated at single points and affects the application performance due to the limited bandwidth of the network. Therefore it is necessary to provide mechanisms that allows the distribution of this data through the computation time using an otherwise idle network. Finally, results shows that the proposed contributions improve the performance of OpenMP applications on this kind of environments