A hierarchical model to manage hardware topology in MPI applications

International audienceThe MPI standard is a major contribution in the landscape of parallel programming. Since its inception in the mid 90's it has ensured portability and performance for parallel applications on a wide spectrum of machines and architectures. With the advent of multicore machines, understanding and taking into account the underlying physical topology and memory hierarchy have become of paramount importance. The MPI standard in its current state, however, and despite recent evolutions is still unable to offer mechanisms to achieve this. In this paper, we detail several additions to the standard that give the user tools to address the hardware topology and data locality issues while improving application performance

Un modèle hièrarchique pour la gestion de la topologie dans les applications MPI

The MPI standard is a major contribution in the landscape of parallel programming. Since its inception in the mid 90's it has ensured portability and performance for parallel applications on a wide spectrum of machines and architectures. With the advent of multicore machines, understanding and taking into account the underlying physical topology and memory hierarchy as become of paramount importance. The MPI standard in its current state, however, and despite recent evolutions is still unable to offer mechanisms to achieve this. In this paper, we detail several additions to the standard that give the user tools to address the hardware topology and data locality issues while improving application performance.Le standard MPI est une contribution importante dans le domaine de la programmation parallèle. Il est destiné à l'écriture d'applications parallèles pour un large éventail d'architectures parallèles. L'arrivée des machines multicœur implique une compréhension plus fine de la topologie matérielle sous-jacente, notamment en ce qui concerne les hiérarchies mémoire et réseau. Or, dans son statut actuel, MPI ne permet pas de prendre ces aspects en compte. Nous détaillons dans cet article des modifications à MPI pour permettre la prise en compte de ces aspects afind'améliorer les performances applicatives

Hardware topology management in MPI applications through hierarchical communicators

International audienceThe MPI standard is a major contribution in the landscape of parallel programming. Since its inception in the mid 90s it has ensured portability and performance for parallel applications on a wide spectrum of machines and architectures. With the advent of multicore machines, understanding and taking into account the underlying physical topology and memory hierarchy have become of paramount importance. On the other hand, providing abstract mechanisms to manipulate the hardware topology is also fundamental. The MPI standard in its current state, however, and despite recent evolutions is still unable to offer mechanisms to achieve this. In this paper, we detail several additions to the standard for building new MPI communicators corresponding to hardware hierarchy levels. It provides the user with tools to address hardware topology and locality issues while improving application performance

Vers des machines exaflopiques vertes

National audienceMoving to exascale era can not be done without taking into account the energy consumption of such systems. In this paper, we wonder if the solutions found for the petascale era will still be available for the exascale era. We propose to adapt some of them within a green framework.Les superordinateurs ont connu une croissance rapide en particulier ces dernières années. À peine avons-nous franchi l'échelle du petaflop que l'on s'intéresse déjà à concevoir des machines pouvant atteindre 1 exaflop par seconde et ce, afin d'être en mesure de satisfaire les besoins importants en terme de performances qu'expriment les scientifiques dans divers domaines. Cependant, pour concevoir des machines exaflopiques, il faut au préalable relever certains défis dont le principal est d'être capable de réduire les importants coûts de consommations énergétiques dans ces machines. Dans cet article, nous nous demandons si les solutions existantes pour réduire la consommation énergétique au niveau péta- flopique resteront valables à l'échelle exaflopique et dans quelles mesures il est possible de les adap- ter pour qu'elles puissent passer à l'échelle. Nous proposons également des solutions nouvelles pour l'échelle exaflopique, qui débouchent sur une architecture verte pour les machines exaflopiques

Design and Evaluation of Low-Latency Communication Middleware on High Performance Computing Systems

[Resumen]El interés en Java para computación paralela está motivado por sus interesantes características, tales como su soporte multithread, portabilidad, facilidad de aprendizaje,alta productividad y el aumento significativo en su rendimiento omputacional. No obstante, las aplicaciones paralelas en Java carecen generalmente de mecanismos de comunicación eficientes, los cuales utilizan a menudo protocolos basados en sockets incapaces de obtener el máximo provecho de las redes de baja latencia, obstaculizando la adopción de Java en computación de altas prestaciones (High Per- formance Computing, HPC). Esta Tesis Doctoral presenta el diseño, implementación y evaluación de soluciones de comunicación en Java que superan esta limitación. En consecuencia, se desarrollaron múltiples dispositivos de comunicación a bajo nivel para paso de mensajes en Java (Message-Passing in Java, MPJ) que aprovechan al máximo el hardware de red subyacente mediante operaciones de acceso directo a memoria remota que proporcionan comunicaciones de baja latencia. También se incluye una biblioteca de paso de mensajes en Java totalmente funcional, FastMPJ, en la cual se integraron los dispositivos de comunicación. La evaluación experimental ha mostrado que las primitivas de comunicación de FastMPJ son competitivas en comparación con bibliotecas nativas, aumentando significativamente la escalabilidad de aplicaciones MPJ. Por otro lado, esta Tesis analiza el potencial de la computación en la nube (cloud computing) para HPC, donde el modelo de distribución de infraestructura como servicio (Infrastructure as a Service, IaaS) emerge como una alternativa viable a los sistemas HPC tradicionales. La evaluación del rendimiento de recursos cloud específicos para HPC del proveedor líder, Amazon EC2, ha puesto de manifiesto el impacto significativo que la virtualización impone en la red, impidiendo mover las aplicaciones intensivas en comunicaciones a la nube. La clave reside en un soporte de virtualización apropiado, como el acceso directo al hardware de red, junto con las directrices para la optimización del rendimiento sugeridas en esta Tesis.[Resumo]O interese en Java para computación paralela está motivado polas súas interesantes características, tales como o seu apoio multithread, portabilidade, facilidade de aprendizaxe, alta produtividade e o aumento signi cativo no seu rendemento computacional. No entanto, as aplicacións paralelas en Java carecen xeralmente de mecanismos de comunicación e cientes, os cales adoitan usar protocolos baseados en sockets que son incapaces de obter o máximo proveito das redes de baixa latencia, obstaculizando a adopción de Java na computación de altas prestacións (High Performance Computing, HPC). Esta Tese de Doutoramento presenta o deseño, implementaci ón e avaliación de solucións de comunicación en Java que superan esta limitación. En consecuencia, desenvolvéronse múltiples dispositivos de comunicación a baixo nivel para paso de mensaxes en Java (Message-Passing in Java, MPJ) que aproveitan ao máaximo o hardware de rede subxacente mediante operacións de acceso directo a memoria remota que proporcionan comunicacións de baixa latencia. Tamén se inclúe unha biblioteca de paso de mensaxes en Java totalmente funcional, FastMPJ, na cal foron integrados os dispositivos de comunicación. A avaliación experimental amosou que as primitivas de comunicación de FastMPJ son competitivas en comparación con bibliotecas nativas, aumentando signi cativamente a escalabilidade de aplicacións MPJ. Por outra banda, esta Tese analiza o potencial da computación na nube (cloud computing) para HPC, onde o modelo de distribución de infraestrutura como servizo (Infrastructure as a Service, IaaS) xorde como unha alternativa viable aos sistemas HPC tradicionais. A ampla avaliación do rendemento de recursos cloud específi cos para HPC do proveedor líder, Amazon EC2, puxo de manifesto o impacto signi ficativo que a virtualización impón na rede, impedindo mover as aplicacións intensivas en comunicacións á nube. A clave atópase no soporte de virtualización apropiado, como o acceso directo ao hardware de rede, xunto coas directrices para a optimización do rendemento suxeridas nesta Tese.[Abstract]The use of Java for parallel computing is becoming more promising owing to its appealing features, particularly its multithreading support, portability, easy-tolearn properties, high programming productivity and the noticeable improvement in its computational performance. However, parallel Java applications generally su er from inefficient communication middleware, most of which use socket-based protocols that are unable to take full advantage of high-speed networks, hindering the adoption of Java in the High Performance Computing (HPC) area. This PhD Thesis presents the design, development and evaluation of scalable Java communication solutions that overcome these constraints. Hence, we have implemented several lowlevel message-passing devices that fully exploit the underlying network hardware while taking advantage of Remote Direct Memory Access (RDMA) operations to provide low-latency communications. Moreover, we have developed a productionquality Java message-passing middleware, FastMPJ, in which the devices have been integrated seamlessly, thus allowing the productive development of Message-Passing in Java (MPJ) applications. The performance evaluation has shown that FastMPJ communication primitives are competitive with native message-passing libraries, improving signi cantly the scalability of MPJ applications. Furthermore, this Thesis has analyzed the potential of cloud computing towards spreading the outreach of HPC, where Infrastructure as a Service (IaaS) o erings have emerged as a feasible alternative to traditional HPC systems. Several cloud resources from the leading IaaS provider, Amazon EC2, which speci cally target HPC workloads, have been thoroughly assessed. The experimental results have shown the signi cant impact that virtualized environments still have on network performance, which hampers porting communication-intensive codes to the cloud. The key is the availability of the proper virtualization support, such as the direct access to the network hardware, along with the guidelines for performance optimization suggested in this Thesis

Advances in Grid Computing

This book approaches the grid computing with a perspective on the latest achievements in the field, providing an insight into the current research trends and advances, and presenting a large range of innovative research papers. The topics covered in this book include resource and data management, grid architectures and development, and grid-enabled applications. New ideas employing heuristic methods from swarm intelligence or genetic algorithm and quantum encryption are considered in order to explain two main aspects of grid computing: resource management and data management. The book addresses also some aspects of grid computing that regard architecture and development, and includes a diverse range of applications for grid computing, including possible human grid computing system, simulation of the fusion reaction, ubiquitous healthcare service provisioning and complex water systems

Directive-based Approach to Heterogeneous Computing

El mundo de la computación de altas prestaciones está sufriendo grandes cambios que incrementan notablemente su complejidad. La incapacidad de los sistemas monoprocesador o incluso multiprocesador de mantener el incremento de la potencia de cómputo para suplir las necesidades de la comunidad científica ha forzado la irrupción de arquitecturas hardware masivamente paralelas y de unidades específicas para realizar operaciones concretas. Un buen ejemplo de este tipo de dispositivos son las GPU (Unidades de procesamiento gráfico). Estos dispositivos, tradicionalmente dedicados a la programación gráfica, se han convertido recientemente en una plataforma ideal para implementar cómputos masivamente paralelos. La combinación de GPUs para realizar tareas intensivas en cómputo con multi-procesadores para llevar tareas menos intensas pero con lógica de control más compleja, se ha convertido en los últimos años en una de las plataformas más comunes para la realización de cálculos científicos a bajo coste, dado que la potencia desplegada en muchos casos puede alcanzar la de clústers de pequeño o mediano tamaño, con un coste inicial y de mantenimiento notablemente inferior. La incorporación de GPUs en clústers ha permitido también aumentar la capacidad de éstos. Sin embargo, la complejidad de la programación de GPUs, y su integración con códigos existentes, dificultan enormemente la introducción de estas tecnologías entre usuarios menos expertos. En esta tésis exploramos la utilización de modelos de programación basados en directivas para este tipo de entornos, multi-core, many-core, GPUs y clústers, donde el usuario medio ve disminuida notablemente su productividad debido a la dificultad de programación en estos entornos. Para explorar la mejor forma de aplicar directivas en estos entornos, hemos desarrollado un conjunto de herramientas software altamente flexibles (un compilador y un runtime), que permiten explorar diversas técnicas con relativamente poco esfuerzo. La irrupción del estándar de programación de directivas de OpenACC nos permitió demostrar la capacidad de estas herramientas, realizando una implementación experimental del estándar (accULL) en muy poco tiempo y con un rendimiento nada desdeñable. Los resultados computacionales aportados nos permiten demostrar: (a) La disminución en el esfuerzo de programación que permiten las aproximaciones basadas en directivas, (b) La capacidad y flexibilidad de las herramientas diseñadas durante esta tésis para explorar estas aproximaciones y finalmente (c) El potencial de desarrollo futuro de accULL como herramienta experimental en OpenACC en base al rendimiento obtenido actualmente frente al rendimiento de otras aproximaciones comerciales

3rd Many-core Applications Research Community (MARC) Symposium. (KIT Scientific Reports ; 7598)

This manuscript includes recent scientific work regarding the Intel Single Chip Cloud computer and describes approaches for novel approaches for programming and run-time organization