Evaluating techniques for parallelization tuning in MPI, OmpSs and MPI/OmpSs

Parallel programming is used to partition a computational problem among multiple processing units and to define how they interact (communicate and synchronize) in order to guarantee the correct result. The performance that is achieved when executing the parallel program on a parallel architecture is usually far from the optimal: computation unbalance and excessive interaction among processing units often cause lost cycles, reducing the efficiency of parallel computation. In this thesis we propose techniques oriented to better exploit parallelism in parallel applications, with emphasis in techniques that increase asynchronism. Theoretically, this type of parallelization tuning promises multiple benefits. First, it should mitigate communication and synchronization delays, thus increasing the overall performance. Furthermore, parallelization tuning should expose additional parallelism and therefore increase the scalability of execution. Finally, increased asynchronism would provide higher tolerance to slower networks and external noise. In the first part of this thesis, we study the potential for tuning MPI parallelism. More specifically, we explore automatic techniques to overlap communication and computation. We propose a speculative messaging technique that increases the overlap and requires no changes of the original MPI application. Our technique automatically identifies the application’s MPI activity and reinterprets that activity using optimally placed non-blocking MPI requests. We demonstrate that this overlapping technique increases the asynchronism of MPI messages, maximizing the overlap, and consequently leading to execution speedup and higher tolerance to bandwidth reduction. However, in the case of realistic scientific workloads, we show that the overlapping potential is significantly limited by the pattern by which each MPI process locally operates on MPI messages. In the second part of this thesis, we study the potential for tuning hybrid MPI/OmpSs parallelism. We try to gain a better understanding of the parallelism of hybrid MPI/OmpSs applications in order to evaluate how these applications would execute on future machines and to predict the execution bottlenecks that are likely to emerge. We explore how MPI/OmpSs applications could scale on the parallel machine with hundreds of cores per node. Furthermore, we investigate how this high parallelism within each node would reflect on the network constraints. We especially focus on identifying critical code sections in MPI/OmpSs. We devised a technique that quickly evaluates, for a given MPI/OmpSs application and the selected target machine, which code section should be optimized in order to gain the highest performance benefits. Also, this thesis studies techniques to quickly explore the potential OmpSs parallelism inherent in applications. We provide mechanisms to easily evaluate potential parallelism of any task decomposition. Furthermore, we describe an iterative trialand-error approach to search for a task decomposition that will expose sufficient parallelism for a given target machine. Finally, we explore potential of automating the iterative approach by capturing the programmers’ experience into an expert system that can autonomously lead the search process. Also, throughout the work on this thesis, we designed development tools that can be useful to other researchers in the field. The most advanced of these tools is Tareador – a tool to help porting MPI applications to MPI/OmpSs programming model. Tareador provides a simple interface to propose some decomposition of a code into OmpSs tasks. Tareador dynamically calculates data dependencies among the annotated tasks, and automatically estimates the potential OmpSs parallelization. Furthermore, Tareador gives additional hints on how to complete the process of porting the application to OmpSs. Tareador already proved itself useful, by being included in the academic classes on parallel programming at UPC.La programación paralela consiste en dividir un problema de computación entre múltiples unidades de procesamiento y definir como interactúan (comunicación y sincronización) para garantizar un resultado correcto. El rendimiento de un programa paralelo normalmente está muy lejos de ser óptimo: el desequilibrio de la carga computacional y la excesiva interacción entre las unidades de procesamiento a menudo causa ciclos perdidos, reduciendo la eficiencia de la computación paralela. En esta tesis proponemos técnicas orientadas a explotar mejor el paralelismo en aplicaciones paralelas, poniendo énfasis en técnicas que incrementan el asincronismo. En teoría, estas técnicas prometen múltiples beneficios. Primero, tendrían que mitigar el retraso de la comunicación y la sincronización, y por lo tanto incrementar el rendimiento global. Además, la calibración de la paralelización tendría que exponer un paralelismo adicional, incrementando la escalabilidad de la ejecución. Finalmente, un incremente en el asincronismo proveería una tolerancia mayor a redes de comunicación lentas y ruido externo. En la primera parte de la tesis, estudiamos el potencial para la calibración del paralelismo a través de MPI. En concreto, exploramos técnicas automáticas para solapar la comunicación con la computación. Proponemos una técnica de mensajería especulativa que incrementa el solapamiento y no requiere cambios en la aplicación MPI original. Nuestra técnica identifica automáticamente la actividad MPI de la aplicación y la reinterpreta usando solicitudes MPI no bloqueantes situadas óptimamente. Demostramos que esta técnica maximiza el solapamiento y, en consecuencia, acelera la ejecución y permite una mayor tolerancia a las reducciones de ancho de banda. Aún así, en el caso de cargas de trabajo científico realistas, mostramos que el potencial de solapamiento está significativamente limitado por el patrón según el cual cada proceso MPI opera localmente en el paso de mensajes. En la segunda parte de esta tesis, exploramos el potencial para calibrar el paralelismo híbrido MPI/OmpSs. Intentamos obtener una comprensión mejor del paralelismo de aplicaciones híbridas MPI/OmpSs para evaluar de qué manera se ejecutarían en futuras máquinas. Exploramos como las aplicaciones MPI/OmpSs pueden escalar en una máquina paralela con centenares de núcleos por nodo. Además, investigamos cómo este paralelismo de cada nodo se reflejaría en las restricciones de la red de comunicación. En especia, nos concentramos en identificar secciones críticas de código en MPI/OmpSs. Hemos concebido una técnica que rápidamente evalúa, para una aplicación MPI/OmpSs dada y la máquina objetivo seleccionada, qué sección de código tendría que ser optimizada para obtener la mayor ganancia de rendimiento. También estudiamos técnicas para explorar rápidamente el paralelismo potencial de OmpSs inherente en las aplicaciones. Proporcionamos mecanismos para evaluar fácilmente el paralelismo potencial de cualquier descomposición en tareas. Además, describimos una aproximación iterativa para buscar una descomposición en tareas que mostrará el suficiente paralelismo en la máquina objetivo dada. Para finalizar, exploramos el potencial para automatizar la aproximación iterativa. En el trabajo expuesto en esta tesis hemos diseñado herramientas que pueden ser útiles para otros investigadores de este campo. La más avanzada es Tareador, una herramienta para ayudar a migrar aplicaciones al modelo de programación MPI/OmpSs. Tareador proporciona una interfaz simple para proponer una descomposición del código en tareas OmpSs. Tareador también calcula dinámicamente las dependencias de datos entre las tareas anotadas, y automáticamente estima el potencial de paralelización OmpSs. Por último, Tareador da indicaciones adicionales sobre como completar el proceso de migración a OmpSs. Tareador ya se ha mostrado útil al ser incluido en las clases de programación de la UPC

A grid-enabled problem solving environment for parallel computational engineering design

This paper describes the development and application of a piece of engineering software that provides a problem solving environment (PSE) capable of launching, and interfacing with, computational jobs executing on remote resources on a computational grid. In particular it is demonstrated how a complex, serial, engineering optimisation code may be efficiently parallelised, grid-enabled and embedded within a PSE. The environment is highly flexible, allowing remote users from different sites to collaborate, and permitting computational tasks to be executed in parallel across multiple grid resources, each of which may be a parallel architecture. A full working prototype has been built and successfully applied to a computationally demanding engineering optimisation problem. This particular problem stems from elastohydrodynamic lubrication and involves optimising the computational model for a lubricant based on the match between simulation results and experimentally observed data

Towards resource-aware computing for task-based runtimes and parallel architectures

Current large scale systems show increasing power demands, to the point that it has become a huge strain on facilities and budgets. The increasing restrictions in terms of power consumption of High Performance Computing (HPC) systems and data centers have forced hardware vendors to include power capping capabilities in their commodity processors. Power capping opens up new opportunities for applications to directly manage their power behavior at user level. However, constraining power consumption causes the individual sockets of a parallel system to deliver different performance levels under the same power cap, even when they are equally designed, which is an effect caused by manufacturing variability. Modern chips suffer from heterogeneous power consumption due to manufacturing issues, a problem known as manufacturing or process variability. As a result, systems that do not consider such variability caused by manufacturing issues lead to performance degradations and wasted power. In order to avoid such negative impact, users and system administrators must actively counteract any manufacturing variability. In this thesis we show that parallel systems benefit from taking into account the consequences of manufacturing variability, in terms of both performance and energy efficiency. In order to evaluate our work we have also implemented our own task-based version of the PARSEC benchmark suite. This allows to test our methodology using state-of-the-art parallelization techniques and real world workloads. We present two approaches to mitigate manufacturing variability, by power redistribution at runtime level and by power- and variability-aware job scheduling at system-wide level. A parallel runtime system can be used to effectively deal with this new kind of performance heterogeneity by compensating the uneven effects of power capping. In the context of a NUMA node composed of several multi core sockets, our system is able to optimize the energy and concurrency levels assigned to each socket to maximize performance. Applied transparently within the parallel runtime system, it does not require any programmer interaction like changing the application source code or manually reconfiguring the parallel system. We compare our novel runtime analysis with an offline approach and demonstrate that it can achieve equal performance at a fraction of the cost. The next approach presented in this theis, we show that it is possible to predict the impact of this variability on specific applications by using variability-aware power prediction models. Based on these power models, we propose two job scheduling policies that consider the effects of manufacturing variability for each application and that ensures that power consumption stays under a system wide power budget. We evaluate our policies under different power budgets and traffic scenarios, consisting of both single- and multi-node parallel applications.Los sistemas modernos de gran escala muestran crecientes demandas de energía, hasta el punto de que se ha convertido en una gran presión para las instalaciones y los presupuestos. Las restricciones crecientes de consumo de energía de los sistemas de alto rendimiento (HPC) y los centros de datos han obligado a los proveedores de hardware a incluir capacidades de limitación de energía en sus procesadores. La limitación de energía abre nuevas oportunidades para que las aplicaciones administren directamente su comportamiento de energía a nivel de usuario. Sin embargo, la restricción en el consumo de energía de sockets individuales de un sistema paralelo resulta en diferentes niveles de rendimiento, por el mismo límite de potencia, incluso cuando están diseñados por igual. Esto es un efecto causado durante el proceso de la fabricación. Los chips modernos sufren de un consumo de energía heterogéneo debido a problemas de fabricación, un problema conocido como variabilidad del proceso o fabricación. Como resultado, los sistemas que no consideran este tipo de variabilidad causada por problemas de fabricación conducen a degradaciones del rendimiento y desperdicio de energía. Para evitar dicho impacto negativo, los usuarios y administradores del sistema deben contrarrestar activamente cualquier variabilidad de fabricación. En esta tesis, demostramos que los sistemas paralelos se benefician de tener en cuenta las consecuencias de la variabilidad de la fabricación, tanto en términos de rendimiento como de eficiencia energética. Para evaluar nuestro trabajo, también hemos implementado nuestra propia versión del paquete de aplicaciones de prueba PARSEC, basada en tareas paralelos. Esto permite probar nuestra metodología utilizando técnicas avanzadas de paralelización con cargas de trabajo del mundo real. Presentamos dos enfoques para mitigar la variabilidad de fabricación, mediante la redistribución de la energía a durante la ejecución de las aplicaciones y mediante la programación de trabajos a nivel de todo el sistema. Se puede utilizar un sistema runtime paralelo para tratar con eficacia este nuevo tipo de heterogeneidad de rendimiento, compensando los efectos desiguales de la limitación de potencia. En el contexto de un nodo NUMA compuesto de varios sockets y núcleos, nuestro sistema puede optimizar los niveles de energía y concurrencia asignados a cada socket para maximizar el rendimiento. Aplicado de manera transparente dentro del sistema runtime paralelo, no requiere ninguna interacción del programador como cambiar el código fuente de la aplicación o reconfigurar manualmente el sistema paralelo. Comparamos nuestro novedoso análisis de runtime con los resultados óptimos, obtenidos de una análisis manual exhaustiva, y demostramos que puede lograr el mismo rendimiento a una fracción del costo. El siguiente enfoque presentado en esta tesis, muestra que es posible predecir el impacto de la variabilidad de fabricación en aplicaciones específicas mediante el uso de modelos de predicción de potencia conscientes de la variabilidad. Basados ​​en estos modelos de predicción de energía, proponemos dos políticas de programación de trabajos que consideran los efectos de la variabilidad de fabricación para cada aplicación y que aseguran que el consumo se mantiene bajo un presupuesto de energía de todo el sistema. Evaluamos nuestras políticas con diferentes presupuestos de energía y escenarios de tráfico, que consisten en aplicaciones paralelas que corren en uno o varios nodos

Towards resource-aware computing for task-based runtimes and parallel architectures

Current large scale systems show increasing power demands, to the point that it has become a huge strain on facilities and budgets. The increasing restrictions in terms of power consumption of High Performance Computing (HPC) systems and data centers have forced hardware vendors to include power capping capabilities in their commodity processors. Power capping opens up new opportunities for applications to directly manage their power behavior at user level. However, constraining power consumption causes the individual sockets of a parallel system to deliver different performance levels under the same power cap, even when they are equally designed, which is an effect caused by manufacturing variability. Modern chips suffer from heterogeneous power consumption due to manufacturing issues, a problem known as manufacturing or process variability. As a result, systems that do not consider such variability caused by manufacturing issues lead to performance degradations and wasted power. In order to avoid such negative impact, users and system administrators must actively counteract any manufacturing variability. In this thesis we show that parallel systems benefit from taking into account the consequences of manufacturing variability, in terms of both performance and energy efficiency. In order to evaluate our work we have also implemented our own task-based version of the PARSEC benchmark suite. This allows to test our methodology using state-of-the-art parallelization techniques and real world workloads. We present two approaches to mitigate manufacturing variability, by power redistribution at runtime level and by power- and variability-aware job scheduling at system-wide level. A parallel runtime system can be used to effectively deal with this new kind of performance heterogeneity by compensating the uneven effects of power capping. In the context of a NUMA node composed of several multi core sockets, our system is able to optimize the energy and concurrency levels assigned to each socket to maximize performance. Applied transparently within the parallel runtime system, it does not require any programmer interaction like changing the application source code or manually reconfiguring the parallel system. We compare our novel runtime analysis with an offline approach and demonstrate that it can achieve equal performance at a fraction of the cost. The next approach presented in this theis, we show that it is possible to predict the impact of this variability on specific applications by using variability-aware power prediction models. Based on these power models, we propose two job scheduling policies that consider the effects of manufacturing variability for each application and that ensures that power consumption stays under a system wide power budget. We evaluate our policies under different power budgets and traffic scenarios, consisting of both single- and multi-node parallel applications.Los sistemas modernos de gran escala muestran crecientes demandas de energía, hasta el punto de que se ha convertido en una gran presión para las instalaciones y los presupuestos. Las restricciones crecientes de consumo de energía de los sistemas de alto rendimiento (HPC) y los centros de datos han obligado a los proveedores de hardware a incluir capacidades de limitación de energía en sus procesadores. La limitación de energía abre nuevas oportunidades para que las aplicaciones administren directamente su comportamiento de energía a nivel de usuario. Sin embargo, la restricción en el consumo de energía de sockets individuales de un sistema paralelo resulta en diferentes niveles de rendimiento, por el mismo límite de potencia, incluso cuando están diseñados por igual. Esto es un efecto causado durante el proceso de la fabricación. Los chips modernos sufren de un consumo de energía heterogéneo debido a problemas de fabricación, un problema conocido como variabilidad del proceso o fabricación. Como resultado, los sistemas que no consideran este tipo de variabilidad causada por problemas de fabricación conducen a degradaciones del rendimiento y desperdicio de energía. Para evitar dicho impacto negativo, los usuarios y administradores del sistema deben contrarrestar activamente cualquier variabilidad de fabricación. En esta tesis, demostramos que los sistemas paralelos se benefician de tener en cuenta las consecuencias de la variabilidad de la fabricación, tanto en términos de rendimiento como de eficiencia energética. Para evaluar nuestro trabajo, también hemos implementado nuestra propia versión del paquete de aplicaciones de prueba PARSEC, basada en tareas paralelos. Esto permite probar nuestra metodología utilizando técnicas avanzadas de paralelización con cargas de trabajo del mundo real. Presentamos dos enfoques para mitigar la variabilidad de fabricación, mediante la redistribución de la energía a durante la ejecución de las aplicaciones y mediante la programación de trabajos a nivel de todo el sistema. Se puede utilizar un sistema runtime paralelo para tratar con eficacia este nuevo tipo de heterogeneidad de rendimiento, compensando los efectos desiguales de la limitación de potencia. En el contexto de un nodo NUMA compuesto de varios sockets y núcleos, nuestro sistema puede optimizar los niveles de energía y concurrencia asignados a cada socket para maximizar el rendimiento. Aplicado de manera transparente dentro del sistema runtime paralelo, no requiere ninguna interacción del programador como cambiar el código fuente de la aplicación o reconfigurar manualmente el sistema paralelo. Comparamos nuestro novedoso análisis de runtime con los resultados óptimos, obtenidos de una análisis manual exhaustiva, y demostramos que puede lograr el mismo rendimiento a una fracción del costo. El siguiente enfoque presentado en esta tesis, muestra que es posible predecir el impacto de la variabilidad de fabricación en aplicaciones específicas mediante el uso de modelos de predicción de potencia conscientes de la variabilidad. Basados ​​en estos modelos de predicción de energía, proponemos dos políticas de programación de trabajos que consideran los efectos de la variabilidad de fabricación para cada aplicación y que aseguran que el consumo se mantiene bajo un presupuesto de energía de todo el sistema. Evaluamos nuestras políticas con diferentes presupuestos de energía y escenarios de tráfico, que consisten en aplicaciones paralelas que corren en uno o varios nodos.Postprint (published version

Reliability for exascale computing : system modelling and error mitigation for task-parallel HPC applications

As high performance computing (HPC) systems continue to grow, their fault rate increases. Applications running on these systems have to deal with rates on the order of hours or days. Furthermore, some studies for future Exascale systems predict the rates to be on the order of minutes. As a result, efficient fault tolerance solutions are needed to be able to tolerate frequent failures. A fault tolerance solution for future HPC and Exascale systems must be low-cost, efficient and highly scalable. It should have low overhead in fault-free execution and provide fast restart because long-running applications are expected to experience many faults during the execution. Meanwhile task-based dataflow parallel programming models (PM) are becoming a popular paradigm in HPC applications at large scale. For instance, we see the adaptation of task-based dataflow parallelism in OpenMP 4.0, OmpSs PM, Argobots and Intel Threading Building Blocks. In this thesis we propose fault-tolerance solutions for task-parallel dataflow HPC applications. Specifically, first we design and implement a checkpoint/restart and message-logging framework to recover from errors. We then develop performance models to investigate the benefits of our task-level frameworks when integrated with system-wide checkpointing. Moreover, we design and implement selective task replication mechanisms to detect and recover from silent data corruptions in task-parallel dataflow HPC applications. Finally, we introduce a runtime-based coding scheme to detect and recover from memory errors in these applications. Considering the span of all of our schemes, we see that they provide a fairly high failure coverage where both computation and memory is protected against errors.A medida que los Sistemas de Cómputo de Alto rendimiento (HPC por sus siglas en inglés) siguen creciendo, también las tasas de fallos aumentan. Las aplicaciones que se ejecutan en estos sistemas tienen una tasa de fallos que pueden estar en el orden de horas o días. Además, algunos estudios predicen que los fallos estarán en el orden de minutos en los Sistemas Exascale. Por lo tanto, son necesarias soluciones eficientes para la tolerancia a fallos que puedan tolerar fallos frecuentes. Las soluciones para tolerancia a fallos en los Sistemas futuros de HPC y Exascale tienen que ser de bajo costo, eficientes y altamente escalable. El sobrecosto en la ejecución sin fallos debe ser bajo y también se debe proporcionar reinicio rápido, ya que se espera que las aplicaciones de larga duración experimenten muchos fallos durante la ejecución. Por otra parte, los modelos de programación paralelas basados en tareas ordenadas de acuerdo a sus dependencias de datos, se están convirtiendo en un paradigma popular en aplicaciones HPC a gran escala. Por ejemplo, los siguientes modelos de programación paralela incluyen este tipo de modelo de programación OpenMP 4.0, OmpSs, Argobots e Intel Threading Building Blocks. En esta tesis proponemos soluciones de tolerancia a fallos para aplicaciones de HPC programadas en un modelo de programación paralelo basado tareas. Específicamente, en primer lugar, diseñamos e implementamos mecanismos “checkpoint/restart” y “message-logging” para recuperarse de los errores. Para investigar los beneficios de nuestras herramientas a nivel de tarea cuando se integra con los “system-wide checkpointing” se han desarrollado modelos de rendimiento. Por otra parte, diseñamos e implementamos mecanismos de replicación selectiva de tareas que permiten detectar y recuperarse de daños de datos silenciosos en aplicaciones programadas siguiendo el modelo de programación paralela basadas en tareas. Por último, se introduce un esquema de codificación que funciona en tiempo de ejecución para detectar y recuperarse de los errores de la memoria en estas aplicaciones. Todos los esquemas propuestos, en conjunto, proporcionan una cobertura bastante alta a los fallos tanto si estos se producen el cálculo o en la memoria.Postprint (published version

Flexible Rollback Recovery in Dynamic Heterogeneous Grid Computing

Abstract—Large applications executing on Grid or cluster architectures consisting of hundreds or thousands of computational nodes create problems with respect to reliability. The source of the problems are node failures and the need for dynamic configuration over extensive runtime. This paper presents two fault-tolerance mechanisms called Theft-Induced Checkpointing and Systematic Event Logging. These are transparent protocols capable of overcoming problems associated with both benign faults, i.e., crash faults, and node or subnet volatility. Specifically, the protocols base the state of the execution on a dataflow graph, allowing for efficient recovery in dynamic heterogeneous systems as well as multithreaded applications. By allowing recovery even under different numbers of processors, the approaches are especially suitable for applications with a need for adaptive or reactionary configuration control. The low-cost protocols offer the capability of controlling or bounding the overhead. A formal cost model is presented, followed by an experimental evaluation. It is shown that the overhead of the protocol is very small, and the maximum work lost by a crashed process is small and bounded. Index Terms—Grid computing, rollback recovery, checkpointing, event logging. Ç

Doctor of Philosophy

dissertationDataflow pipeline models are widely used in visualization systems. Despite recent advancements in parallel architecture, most systems still support only a single CPU or a small collection of CPUs such as a SMP workstation. Even for systems that are specifically tuned towards parallel visualization, their execution models only provide support for data-parallelism while ignoring taskparallelism and pipeline-parallelism. With the recent popularization of machines equipped with multicore CPUs and multi-GPU units, these visualization systems are undoubtedly falling further behind in reaching maximum efficiency. On the other hand, there exist several libraries that can schedule program executions on multiple CPUs and/or multiple GPUs. However, due to differences in executing a task graph and a pipeline along with their APIs being considerably low-level, it still remains a challenge to integrate these run-time libraries into current visualization systems. Thus, there is a need for a redesigned dataflow architecture to fully support and exploit the power of highly parallel machines in large-scale visualization. The new design must be able to schedule executions on heterogeneous platforms while at the same time supporting arbitrarily large datasets through the use of streaming data structures. The primary goal of this dissertation work is to develop a parallel dataflow architecture for streaming large-scale visualizations. The framework includes supports for platforms ranging from multicore processors to clusters consisting of thousands CPUs and GPUs. We achieve this in our system by introducing the notion of Virtual Processing Elements and Task-Oriented Modules along with a highly customizable scheduler that controls the assignment of tasks to elements dynamically. This creates an intuitive way to maintain multiple CPU/GPU kernels yet still provide coherency and synchronization across module executions. We have implemented these techniques into HyperFlow which is made of an API with all basic dataflow constructs described in the dissertation, and a distributed run-time library that can be used to deploy those pipelines on multicore, multi-GPU and cluster-based platforms

Methodology for malleable applications on distributed memory systems

A la portada logo BSC(English) The dominant programming approach for scientific and industrial computing on clusters is MPI+X. While there are a variety of approaches within the node, denoted by the ``X'', Message Passing interface (MPI) is the standard for programming multiple nodes with distributed memory. This thesis argues that the OmpSs-2 tasking model can be extended beyond the node to naturally support distributed memory, with three benefits: First, at small to medium scale the tasking model is a simpler and more productive alternative to MPI. It eliminates the need to distribute the data explicitly and convert all dependencies into explicit message passing. It also avoids the complexity of hybrid programming using MPI+X. Second, the ability to offload parts of the computation among the nodes enables the runtime to automatically balance the loads in a full-scale MPI+X program. This approach does not require a cost model, and it is able to transparently balance the computational loads across the whole program, on all its nodes. Third, because the runtime handles all low-level aspects of data distribution and communication, it can change the resource allocation dynamically, in a way that is transparent to the application. This thesis describes the design, development and evaluation of OmpSs-2@Cluster, a programming model and runtime system that extends the OmpSs-2 model to allow a virtually unmodified OmpSs-2 program to run across multiple distributed memory nodes. For well-balanced applications it provides similar performance to MPI+OpenMP on up to 16 nodes, and it improves performance by up to 2x for irregular and unbalanced applications like Cholesky factorization. This work also extended OmpSs-2@Cluster for interoperability with MPI and Barcelona Supercomputing Center (BSC)'s state-of-the-art Dynamic Load Balance (DLB) library in order to dynamically balance MPI+OmpSs-2 applications by transparently offloading tasks among nodes. This approach reduces the execution time of a microscale solid mechanics application by 46% on 64 nodes and on a synthetic benchmark, it is within 10% of perfect load balancing on up to 8 nodes. Finally, the runtime was extended to transparently support malleability for pure OmpSs-2@Cluster programs and interoperate with the Resources Management System (RMS). The only change to the application is to explicitly call an API function to control the addition or removal of nodes. In this regard we additionally provide the runtime with the ability to semi-transparently save and recover part of the application status to perform checkpoint and restart. Such a feature hides the complexity of data redistribution and parallel IO from the user while allowing the program to recover and continue previous executions. Our work is a starting point for future research on fault tolerance. In summary, OmpSs-2@Cluster expands the OmpSs-2 programming model to encompass distributed memory clusters. It allows an existing OmpSs-2 program, with few if any changes, to run across multiple nodes. OmpSs-2@Cluster supports transparent multi-node dynamic load balancing for MPI+OmpSs-2 programs, and enables semi-transparent malleability for OmpSs-2@Cluster programs. The runtime system has a high level of stability and performance, and it opens several avenues for future work.(Español) El modelo de programación dominante para clusters tanto en ciencia como industria es actualmente MPI+X. A pesar de que hay alguna variedad de alternativas para programar dentro de un nodo (indicado por la "X"), el estandar para programar múltiples nodos con memoria distribuida sigue siendo Message Passing Interface (MPI). Esta tesis propone la extensión del modelo de programación basado en tareas OmpSs-2 para su funcionamiento en sistemas de memoria distribuida, destacando 3 beneficios principales: En primer lugar; a pequeña y mediana escala, un modelo basado en tareas es más simple y productivo que MPI y elimina la necesidad de distribuir los datos explícitamente y convertir todas las dependencias en mensajes. Además, evita la complejidad de la programacion híbrida MPI+X. En segundo lugar; la capacidad de enviar partes del cálculo entre los nodos permite a la librería balancear la carga de trabajo en programas MPI+X a gran escala. Este enfoque no necesita un modelo de coste y permite equilibrar cargas transversalmente en todo el programa y todos los nodos. En tercer lugar; teniendo en cuenta que es la librería quien maneja todos los aspectos relacionados con distribución y transferencia de datos, es posible la modificación dinámica y transparente de los recursos que utiliza la aplicación. Esta tesis describe el diseño, desarrollo y evaluación de OmpSs-2@Cluster; un modelo de programación y librería que extiende OmpSs-2 permitiendo la ejecución de programas OmpSs-2 existentes en múltiples nodos sin prácticamente necesidad de modificarlos. Para aplicaciones balanceadas, este modelo proporciona un rendimiento similar a MPI+OpenMP hasta 16 nodos y duplica el rendimiento en aplicaciones irregulares o desbalanceadas como la factorización de Cholesky. Este trabajo incluye la extensión de OmpSs-2@Cluster para interactuar con MPI y la librería de balanceo de carga Dynamic Load Balancing (DLB) desarrollada en el Barcelona Supercomputing Center (BSC). De este modo es posible equilibrar aplicaciones MPI+OmpSs-2 mediante la transferencia transparente de tareas entre nodos. Este enfoque reduce el tiempo de ejecución de una aplicación de mecánica de sólidos a micro-escala en un 46% en 64 nodos; en algunos experimentos hasta 8 nodos se pudo equilibrar perfectamente la carga con una diferencia inferior al 10% del equilibrio perfecto. Finalmente, se implementó otra extensión de la librería para realizar operaciones de maleabilidad en programas OmpSs-2@Cluster e interactuar con el Sistema de Manejo de Recursos (RMS). El único cambio requerido en la aplicación es la llamada explicita a una función de la interfaz que controla la adición o eliminación de nodos. Además, se agregó la funcionalidad de guardar y recuperar parte del estado de la aplicación de forma semitransparente con el objetivo de realizar operaciones de salva-reinicio. Dicha funcionalidad oculta al usuario la complejidad de la redistribución de datos y las operaciones de lectura-escritura en paralelo, mientras permite al programa recuperar y continuar ejecuciones previas. Este es un punto de partida para futuras investigaciones en tolerancia a fallos. En resumen, OmpSs-2@Cluster amplía el modelo de programación de OmpSs-2 para abarcar sistemas de memoria distribuida. El modelo permite la ejecución de programas OmpSs-2 en múltiples nodos prácticamente sin necesidad de modificarlos. OmpSs-2@Cluster permite además el balanceo dinámico de carga en aplicaciones híbridas MPI+OmpSs-2 ejecutadas en varios nodos y es capaz de realizar maleabilidad semi-transparente en programas OmpSs-2@Cluster puros. La librería tiene un niveles de rendimiento y estabilidad altos y abre varios caminos para trabajos futuro.Arquitectura de computador