GDP : using dataflow properties to accurately estimate interference-free performance at runtime

Multi-core memory systems commonly share resources between processors. Resource sharing improves utilization at the cost of increased inter-application interference which may lead to priority inversion, missed deadlines and unpredictable interactive performance. A key component to effectively manage multi-core resources is performance accounting which aims to accurately estimate interference-free application performance. Previously proposed accounting systems are either invasive or transparent. Invasive accounting systems can be accurate, but slow down latency-sensitive processes. Transparent accounting systems do not affect performance, but tend to provide less accurate performance estimates. We propose a novel class of performance accounting systems that achieve both performance-transparency and superior accuracy. We call the approach dataflow accounting, and the key idea is to track dynamic dataflow properties and use these to estimate interference-free performance. Our main contribution is Graph-based Dynamic Performance (GDP) accounting. GDP dynamically builds a dataflow graph of load requests and periods where the processor commits instructions. This graph concisely represents the relationship between memory loads and forward progress in program execution. More specifically, GDP estimates interference-free stall cycles by multiplying the critical path length of the dataflow graph with the estimated interference-free memory latency. GDP is very accurate with mean IPC estimation errors of 3.4% and 9.8% for our 4- and 8-core processors, respectively. When GDP is used in a cache partitioning policy, we observe average system throughput improvements of 11.9% and 20.8% compared to partitioning using the state-of-the-art Application Slowdown Model

Performance analysis methods for understanding scaling bottlenecks in multi-threaded applications

In dit proefschrift stellen we drie nieuwe methodes voor om de prestatie van meerdradige programma's te analyseren. Onze eerste methode, criticality stacks, is bruikbaar voor het analyseren van onevenwicht tussen draden. Om deze stacks te construeren stellen we een nieuwe criticaliteitsmetriek voor, die de uitvoeringstijd van een applicatie opsplitst in een deel voor iedere draad. Hoe groter dit deel is voor een draad, hoe kritischer deze draad is voor de applicatie. De tweede methode, bottle graphs, stelt iedere draad van een meerdradig programma voor als een rechthoek in een grafiek. De hoogte van de rechthoek wordt berekend door middel van onze criticaliteitsmetriek, en de breedte stelt het parallellisme van een draad voor. Rechthoeken die bovenaan in de grafiek zitten, als het ware in de hals van de fles, hebben een beperkt parallellisme, waardoor we ze beschouwen als “bottlenecks” voor de applicatie. Onze derde methode, speedup stacks, toont de bereikte speedup van een applicatie en de verschillende componenten die speedup beperken in een gestapelde grafiek. De intuïtie achter dit concept is dat door het reduceren van de invloed van een bepaalde component, de speedup van een applicatie proportioneel toeneemt met de grootte van die component in de stapel

Hardware thread scheduling algorithms for single-ISA asymmetric CMPs

Through the past several decades, based on the Moore's law, the semiconductor industry was doubling the number of transistors on the single chip roughly every eighteen months. For a long time this continuous increase in transistor budget drove the increase in performance as the processors continued to exploit the instruction level parallelism (ILP) of the sequential programs. This pattern hit the wall in the early years of the twentieth century when designing larger and more complex cores became difficult because of the power and complexity reasons. Computer architects responded by integrating many cores on the same die thereby creating Chip Multicore Processors (CMP). In the last decade, the computing technology experienced tremendous developments, Chip Multiprocessors (CMP) expanded from the symmetric and homogeneous to the asymmetric or heterogeneous Multiprocessors. Having cores of different types in a single processor enables optimizing performance, power and energy efficiency for a wider range of workloads. It enables chip designers to employ specialization (that is, we can use each type of core for the type of computation where it delivers the best performance/energy trade-off). The benefits of Asymmetric Chip Multiprocessors (ACMP) are intuitive as it is well known that different workloads have different resource requirements. The CMPs improve the performance of applications by exploiting the Thread Level Parallelism (TLP). Parallel applications relying on multiple threads must be efficiently managed and dispatched for execution if the parallelism is to be properly exploited. Since more and more applications become multi-threaded we expect to find a growing number of threads executing on a machine. Consequently, the operating system will require increasingly larger amounts of CPU time to schedule these threads efficiently. Thus, dynamic thread scheduling techniques are of paramount importance in ACMP designs since they can make or break performance benefits derived from the asymmetric hardware or parallel software. Several thread scheduling methods have been proposed and applied to ACMPs. In this thesis, we first study the state of the art thread scheduling techniques and identify the main reasons limiting the thread level parallelism in an ACMP systems. We propose three novel approaches to schedule and manage threads and exploit thread level parallelism implemented in hardware, instead of perpetuating the trend of performing more complex thread scheduling in the operating system. Our first goal is to improve the performance of an ACMP systems by improving thread scheduling at the hardware level. We also show that the hardware thread scheduling reduces the energy consumption of an ACMP systems by allowing better utilization of the underlying hardware.A través de las últimas décadas, con base en la ley de Moore, la industria de semiconductores duplica el número de transistores en el chip alrededor de una vez cada dieciocho meses. Durante mucho tiempo, este aumento continuo en el número de transistores impulsó el aumento en el rendimiento de los procesadores solo explotando el paralelismo a nivel de instrucción (ILP) y el aumento de la frecuencia de los procesadores, permitiendo un aumento del rendimiento de los programas secuenciales. Este patrón llego a su limite en los primeros años del siglo XX, cuando el diseño de procesadores más grandes y complejos se convirtió en una tareá difícil debido a las debido al consumo requerido. La respuesta a este problema por parte de los arquitectos fue la integración de muchos núcleos en el mismo chip creando así chip multinúcleo Procesadores (CMP). En la última década, la tecnología de la computación experimentado enormes avances, sobre todo el en chip multiprocesadores (CMP) donde se ha pasado de diseños simetricos y homogeneous a sistemas asimétricos y heterogeneous. Tener núcleos de diferentes tipos en un solo procesador permite optimizar el rendimiento, la potencia y la eficiencia energética para una amplia gama de cargas de trabajo. Permite a los diseñadores de chips emplear especialización (es decir, podemos utilizar un tipo de núcleo diferente para distintos tipos de cálculo dependiendo del trade-off respecto del consumo y rendimiento). Los beneficios de la asimétrica chip multiprocesadores (ACMP) son intuitivos, ya que es bien sabido que diferentes cargas de trabajo tienen diferentes necesidades de recursos. Los CMP mejoran el rendimiento de las aplicaciones mediante la explotación del paralelismo a nivel de hilo (TLP). En las aplicaciones paralelas que dependen de múltiples hilos, estos deben ser manejados y enviados para su ejecución, y el paralelismo se debe explotar de manera eficiente. Cada día hay mas aplicaciones multi-hilo, por lo tanto encotraremos un numero mayor de hilos que se estaran ejecutando en la máquina. En consecuencia, el sistema operativo requerirá cantidades cada vez mayores de tiempo de CPU para organizar y ejecutar estos hilos de manera eficiente. Por lo tanto, las técnicas de optimizacion dinámica para la organizacion de la ejecucion de hilos son de suma importancia en los diseños ACMP ya que pueden incrementar o dsiminuir el rendimiento del hardware asimétrico o del software paralelo. Se han propuesto y aplicado a ACMPs varios métodos de organizar y ejecutar los hilos. En esta tesis, primero estudiamos el estado del arte en las técnicas para la gestionar la ejecucion de los hilos y hemos identificado las principales razones que limitan el paralelismo en sistemas ACMP. Proponemos tres nuevos enfoques para programar y gestionar los hilos y explotar el paralelismo a nivel de hardware, en lugar de perpetuar la tendencia actual de dejar esta gestion cada vez maas compleja al sistema operativo. Nuestro primer objetivo es mejorar el rendimiento de un sistema ACMP mediante la mejora en la gestion de los hilos a nivel de hardware. También mostramos que la gestion del los hilos a nivel de hardware reduce el consumo de energía de un sistemas de ACMP al permitir una mejor utilización del hardware subyacente

Speedup stacks: identifying scaling Bottlenecks in multi-threaded applications

Multi-threaded workloads typically show sublinear speedup on multi-core hardware, i.e., the achieved speedup is not proportional to the number of cores and threads. Sublinear scaling may have multiple causes, such as poorly scalable synchronization leading to spinning and/or yielding, and interference in shared resources such as the lastlevel cache (LLC) as well as the main memory subsystem. It is vital for programmers and processor designers to understand scaling bottlenecks in existing and emerging workloads in order to optimize application performance and design future hardware. In this paper, we propose the speedup stack, which quantifies the impact of the various scaling delimiters on multithreaded application speedup in a single stack. We describe a mechanism for computing speedup stacks on a multi-core processor, and we find speedup stacks to be accurate within 5.1% on average for sixteen-threaded applications. We present several use cases: we discuss how speedup stacks can be used to identify scaling bottlenecks, classify benchmarks, optimize performance, and understand LLC performance

Runtime-assisted optimizations in the on-chip memory hierarchy

Following Moore's Law, the number of transistors on chip has been increasing exponentially, which has led to the increasing complexity of modern processors. As a result, the efficient programming of such systems has become more difficult. Many programming models have been developed to answer this issue. Of particular interest are task-based programming models that employ simple annotations to define parallel work in an application. The information available at the level of the runtime systems associated with these programming models offers great potential for improving hardware design. Moreover, due to technological limitations, Moore's Law is predicted to eventually come to an end, so novel paradigms are necessary to maintain the current performance improvement trends. The main goal of this thesis is to exploit the knowledge about a parallel application available at the runtime system level to improve the design of the on-chip memory hierarchy. The coupling of the runtime system and the microprocessor enables a better hardware design without hurting the programmability. The first contribution is a set of insertion policies for shared last-level caches that exploit information about tasks and task data dependencies. The intuition behind this proposal revolves around the observation that parallel threads exhibit different memory access patterns. Even within the same thread, accesses to different variables often follow distinct patterns. The proposed policies insert cache lines into different logical positions depending on the dependency type and task type to which the corresponding memory request belongs. The second proposal optimizes the execution of reductions, defined as a programming pattern that combines input data to form the resulting reduction variable. This is achieved with a runtime-assisted technique for performing reductions in the processor's cache hierarchy. The proposal's goal is to be a universally applicable solution regardless of the reduction variable type, size and access pattern. On the software level, the programming model is extended to let a programmer specify the reduction variables for tasks, as well as the desired cache level where a certain reduction will be performed. The source-to-source compiler and the runtime system are extended to translate and forward this information to the underlying hardware. On the hardware level, private and shared caches are equipped with functional units and the accompanying logic to perform reductions at the cache level. This design avoids unnecessary data movements to the core and back as the data is operated at the place where it resides. The third contribution is a runtime-assisted prioritization scheme for memory requests inside the on-chip memory hierarchy. The proposal is based on the notion of a critical path in the context of parallel codes and a known fact that accelerating critical tasks reduces the execution time of the whole application. In the context of this work, task criticality is observed at a level of a task type as it enables simple annotation by the programmer. The acceleration of critical tasks is achieved by the prioritization of corresponding memory requests in the microprocessor.Siguiendo la ley de Moore, el número de transistores en los chips ha crecido exponencialmente, lo que ha comportado una mayor complejidad en los procesadores modernos y, como resultado, de la dificultad de la programación eficiente de estos sistemas. Se han desarrollado muchos modelos de programación para resolver este problema; un ejemplo particular son los modelos de programación basados en tareas, que emplean anotaciones sencillas para definir los Trabajos paralelos de una aplicación. La información de que disponen los sistemas en tiempo de ejecución (runtime systems) asociada con estos modelos de programación ofrece un enorme potencial para la mejora del diseño del hardware. Por otro lado, las limitaciones tecnológicas hacen que la ley de Moore pueda dejar de cumplirse próximamente, por lo que se necesitan paradigmas nuevos para mantener las tendencias actuales de mejora de rendimiento. El objetivo principal de esta tesis es aprovechar el conocimiento de las aplicaciones paral·leles de que dispone el runtime system para mejorar el diseño de la jerarquía de memoria del chip. El acoplamiento del runtime system junto con el microprocesador permite realizar mejores diseños hardware sin afectar Negativamente en la programabilidad de dichos sistemas. La primera contribución de esta tesis consiste en un conjunto de políticas de inserción para las memorias caché compartidas de último nivel que aprovecha la información de las tareas y las dependencias de datos entre estas. La intuición tras esta propuesta se basa en la observación de que los hilos de ejecución paralelos muestran distintos patrones de acceso a memoria e, incluso dentro del mismo hilo, los accesos a diferentes variables a menudo siguen patrones distintos. Las políticas que se proponen insertan líneas de caché en posiciones lógicas diferentes en función de los tipos de dependencia y tarea a los que corresponde la petición de memoria. La segunda propuesta optimiza la ejecución de las reducciones, que se definen como un patrón de programación que combina datos de entrada para conseguir la variable de reducción como resultado. Esto se consigue mediante una técnica asistida por el runtime system para la realización de reducciones en la jerarquía de la caché del procesador, con el objetivo de ser una solución aplicable de forma universal sin depender del tipo de la variable de la reducción, su tamaño o el patrón de acceso. A nivel de software, el modelo de programación se extiende para que el programador especifique las variables de reducción de las tareas, así como el nivel de caché escogido para que se realice una determinada reducción. El compilador fuente a Fuente (compilador source-to-source) y el runtime ssytem se modifican para que traduzcan y pasen esta información al hardware subyacente, evitando así movimientos de datos innecesarios hacia y desde el núcleo del procesador, al realizarse la operación donde se encuentran los datos de la misma. La tercera contribución proporciona un esquema de priorización asistido por el runtime system para peticiones de memoria dentro de la jerarquía de memoria del chip. La propuesta se basa en la noción de camino crítico en el contexto de los códigos paralelos y en el hecho conocido de que acelerar tareas críticas reduce el tiempo de ejecución de la aplicación completa. En el contexto de este trabajo, la criticidad de las tareas se considera a nivel del tipo de tarea ya que permite que el programador las indique mediante anotaciones sencillas. La aceleración de las tareas críticas se consigue priorizando las correspondientes peticiones de memoria en el microprocesador.Seguint la llei de Moore, el nombre de transistors que contenen els xips ha patit un creixement exponencial, fet que ha provocat un augment de la complexitat dels processadors moderns i, per tant, de la dificultat de la programació eficient d’aquests sistemes. Per intentar solucionar-ho, s’han desenvolupat diversos models de programació; un exemple particular en són els models basats en tasques, que fan servir anotacions senzilles per definir treballs paral·lels dins d’una aplicació. La informació que hi ha al nivell dels sistemes en temps d’execució (runtime systems) associada amb aquests models de programació ofereix un gran potencial a l’hora de millorar el disseny del maquinari. D’altra banda, les limitacions tecnològiques fan que la llei de Moore pugui deixar de complir-se properament, per la qual cosa calen nous paradigmes per mantenir les tendències actuals en la millora de rendiment. L’objectiu principal d’aquesta tesi és aprofitar els coneixements que el runtime System té d’una aplicació paral·lela per millorar el disseny de la jerarquia de memòria dins el xip. L’acoblament del runtime system i el microprocessador permet millorar el disseny del maquinari sense malmetre la programabilitat d’aquests sistemes. La primera contribució d’aquesta tesi consisteix en un conjunt de polítiques d’inserció a les memòries cau (cache memories) compartides d’últim nivell que aprofita informació sobre tasques i les dependències de dades entre aquestes. La intuïció que hi ha al darrere d’aquesta proposta es basa en el fet que els fils d’execució paral·lels mostren diferents patrons d’accés a la memòria; fins i tot dins el mateix fil, els accessos a variables diferents sovint segueixen patrons diferents. Les polítiques que s’hi proposen insereixen línies de la memòria cau a diferents ubicacions lògiques en funció dels tipus de dependència i de tasca als quals correspon la petició de memòria. La segona proposta optimitza l’execució de les reduccions, que es defineixen com un patró de programació que combina dades d’entrada per aconseguir la variable de reducció com a resultat. Això s’aconsegueix mitjançant una tècnica assistida pel runtime system per dur a terme reduccions en la jerarquia de la memòria cau del processador, amb l’objectiu que la proposta sigui aplicable de manera universal, sense dependre del tipus de la variable a la qual es realitza la reducció, la seva mida o el patró d’accés. A nivell de programari, es realitza una extensió del model de programació per facilitar que el programador especifiqui les variables de les reduccions que usaran les tasques, així com el nivell de memòria cau desitjat on s’hauria de realitzar una certa reducció. El compilador font a font (compilador source-to-source) i el runtime system s’amplien per traduir i passar aquesta informació al maquinari subjacent. A nivell de maquinari, les memòries cau privades i compartides s’equipen amb unitats funcionals i la lògica corresponent per poder dur a terme les reduccions a la pròpia memòria cau, evitant així moviments de dades innecessaris entre el nucli del processador i la jerarquia de memòria. La tercera contribució proporciona un esquema de priorització assistit pel runtime System per peticions de memòria dins de la jerarquia de memòria del xip. La proposta es basa en la noció de camí crític en el context dels codis paral·lels i en el fet conegut que l’acceleració de les tasques que formen part del camí crític redueix el temps d’execució de l’aplicació sencera. En el context d’aquest treball, la criticitat de les tasques s’observa al nivell del seu tipus ja que permet que el programador les indiqui mitjançant anotacions senzilles. L’acceleració de les tasques crítiques s’aconsegueix prioritzant les corresponents peticions de memòria dins el microprocessador

Architectural support for task dependence management with flexible software scheduling

The growing complexity of multi-core architectures has motivated a wide range of software mechanisms to improve the orchestration of parallel executions. Task parallelism has become a very attractive approach thanks to its programmability, portability and potential for optimizations. However, with the expected increase in core counts, finer-grained tasking will be required to exploit the available parallelism, which will increase the overheads introduced by the runtime system. This work presents Task Dependence Manager (TDM), a hardware/software co-designed mechanism to mitigate runtime system overheads. TDM introduces a hardware unit, denoted Dependence Management Unit (DMU), and minimal ISA extensions that allow the runtime system to offload costly dependence tracking operations to the DMU and to still perform task scheduling in software. With lower hardware cost, TDM outperforms hardware-based solutions and enhances the flexibility, adaptability and composability of the system. Results show that TDM improves performance by 12.3% and reduces EDP by 20.4% on average with respect to a software runtime system. Compared to a runtime system fully implemented in hardware, TDM achieves an average speedup of 4.2% with 7.3x less area requirements and significant EDP reductions. In addition, five different software schedulers are evaluated with TDM, illustrating its flexibility and performance gains.This work has been supported by the RoMoL ERC Advanced Grant (GA 321253), by the European HiPEAC Network of Excellence, by the Spanish Ministry of Science and Innovation (contracts TIN2015-65316-P, TIN2016-76635-C2-2-R and TIN2016-81840-REDT), by the Generalitat de Catalunya (contracts 2014-SGR-1051 and 2014-SGR-1272), and by the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No 671697 and No. 671610. M. Moretó has been partially supported by the Ministry of Economy and Competitiveness under Juan de la Cierva postdoctoral fellowship number JCI-2012-15047.Peer ReviewedPostprint (author's final draft