On the Enhancement of Remote GPU Virtualization in High Performance Clusters

Graphics Processing Units (GPUs) are being adopted in many computing facilities given their extraordinary computing power, which makes it possible to accelerate many general purpose applications from different domains. However, GPUs also present several side effects, such as increased acquisition costs as well as larger space requirements. They also require more powerful energy supplies. Furthermore, GPUs still consume some amount of energy while idle and their utilization is usually low for most workloads. In a similar way to virtual machines, the use of virtual GPUs may address the aforementioned concerns. In this regard, the remote GPU virtualization mechanism allows an application being executed in a node of the cluster to transparently use the GPUs installed at other nodes. Moreover, this technique allows to share the GPUs present in the computing facility among the applications being executed in the cluster. In this way, several applications being executed in different (or the same) cluster nodes can share one or more GPUs located in other nodes of the cluster. Sharing GPUs should increase overall GPU utilization, thus reducing the negative impact of the side effects mentioned before. Reducing the total amount of GPUs installed in the cluster may also be possible. In this dissertation we enhance one framework offering remote GPU virtualization capabilities, referred to as rCUDA, for its use in high-performance clusters. While the initial prototype version of rCUDA demonstrated its functionality, it also revealed concerns with respect to usability, performance, and support for new GPU features, which prevented its used in production environments. These issues motivated this thesis, in which all the research is primarily conducted with the aim of turning rCUDA into a production-ready solution for eventually transferring it to industry. The new version of rCUDA resulting from this work presents a reduction of up to 35% in execution time of the applications analyzed with respect to the initial version. Compared to the use of local GPUs, the overhead of this new version of rCUDA is below 5% for the applications studied when using the latest high-performance computing networks available.Las unidades de procesamiento gráfico (Graphics Processing Units, GPUs) están siendo utilizadas en muchas instalaciones de computación dada su extraordinaria capacidad de cálculo, la cual hace posible acelerar muchas aplicaciones de propósito general de diferentes dominios. Sin embargo, las GPUs también presentan algunas desventajas, como el aumento de los costos de adquisición, así como mayores requerimientos de espacio. Asimismo, también requieren un suministro de energía más potente. Además, las GPUs consumen una cierta cantidad de energía aún estando inactivas, y su utilización suele ser baja para la mayoría de las cargas de trabajo. De manera similar a las máquinas virtuales, el uso de GPUs virtuales podría hacer frente a los inconvenientes mencionados. En este sentido, el mecanismo de virtualización remota de GPUs permite que una aplicación que se ejecuta en un nodo de un clúster utilice de forma transparente las GPUs instaladas en otros nodos de dicho clúster. Además, esta técnica permite compartir las GPUs presentes en el clúster entre las aplicaciones que se ejecutan en el mismo. De esta manera, varias aplicaciones que se ejecutan en diferentes nodos de clúster (o los mismos) pueden compartir una o más GPUs ubicadas en otros nodos del clúster. Compartir GPUs aumenta la utilización general de la GPU, reduciendo así el impacto negativo de las desventajas anteriormente mencionadas. De igual forma, este mecanismo también permite reducir la cantidad total de GPUs instaladas en el clúster. En esta tesis mejoramos un entorno de trabajo llamado rCUDA, el cual ofrece funcionalidades de virtualización remota de GPUs para su uso en clusters de altas prestaciones. Si bien la versión inicial del prototipo de rCUDA demostró su funcionalidad, también reveló dificultades con respecto a la usabilidad, el rendimiento y el soporte para nuevas características de las GPUs, lo cual impedía su uso en entornos de producción. Estas consideraciones motivaron la presente tesis, en la que toda la investigación llevada a cabo tiene como objetivo principal convertir rCUDA en una solución lista para su uso entornos de producción, con la finalidad de transferirla eventualmente a la industria. La nueva versión de rCUDA resultante de este trabajo presenta una reducción de hasta el 35% en el tiempo de ejecución de las aplicaciones analizadas con respecto a la versión inicial. En comparación con el uso de GPUs locales, la sobrecarga de esta nueva versión de rCUDA es inferior al 5% para las aplicaciones estudiadas cuando se utilizan las últimas redes de computación de altas prestaciones disponibles.Les unitats de processament gràfic (Graphics Processing Units, GPUs) estan sent utilitzades en moltes instal·lacions de computació donada la seva extraordinària capacitat de càlcul, la qual fa possible accelerar moltes aplicacions de propòsit general de diferents dominis. No obstant això, les GPUs també presenten alguns desavantatges, com l'augment dels costos d'adquisició, així com major requeriment d'espai. Així mateix, també requereixen un subministrament d'energia més potent. A més, les GPUs consumeixen una certa quantitat d'energia encara estant inactives, i la seua utilització sol ser baixa per a la majoria de les càrregues de treball. D'una manera semblant a les màquines virtuals, l'ús de GPUs virtuals podria fer front als inconvenients esmentats. En aquest sentit, el mecanisme de virtualització remota de GPUs permet que una aplicació que s'executa en un node d'un clúster utilitze de forma transparent les GPUs instal·lades en altres nodes d'aquest clúster. A més, aquesta tècnica permet compartir les GPUs presents al clúster entre les aplicacions que s'executen en el mateix. D'aquesta manera, diverses aplicacions que s'executen en diferents nodes de clúster (o els mateixos) poden compartir una o més GPUs ubicades en altres nodes del clúster. Compartir GPUs augmenta la utilització general de la GPU, reduint així l'impacte negatiu dels desavantatges anteriorment esmentades. A més a més, aquest mecanisme també permet reduir la quantitat total de GPUs instal·lades al clúster. En aquesta tesi millorem un entorn de treball anomenat rCUDA, el qual ofereix funcionalitats de virtualització remota de GPUs per al seu ús en clústers d'altes prestacions. Si bé la versió inicial del prototip de rCUDA va demostrar la seua funcionalitat, també va revelar dificultats pel que fa a la usabilitat, el rendiment i el suport per a noves característiques de les GPUs, la qual cosa impedia el seu ús en entorns de producció. Aquestes consideracions van motivar la present tesi, en què tota la investigació duta a terme té com a objectiu principal convertir rCUDA en una solució preparada per al seu ús entorns de producció, amb la finalitat de transferir-la eventualment a la indústria. La nova versió de rCUDA resultant d'aquest treball presenta una reducció de fins al 35% en el temps d'execució de les aplicacions analitzades respecte a la versió inicial. En comparació amb l'ús de GPUs locals, la sobrecàrrega d'aquesta nova versió de rCUDA és inferior al 5% per a les aplicacions estudiades quan s'utilitzen les últimes xarxes de computació d'altes prestacions disponibles.Reaño González, C. (2017). On the Enhancement of Remote GPU Virtualization in High Performance Clusters [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/86219TESISPremios Extraordinarios de tesis doctorale

Improving Performance and Energy Efficiency of Heterogeneous Systems with rCUDA

Tesis por compendio[ES] En la última década la utilización de la GPGPU (General Purpose computing in Graphics Processing Units; Computación de Propósito General en Unidades de Procesamiento Gráfico) se ha vuelto tremendamente popular en los centros de datos de todo el mundo. Las GPUs (Graphics Processing Units; Unidades de Procesamiento Gráfico) se han establecido como elementos aceleradores de cómputo que son usados junto a las CPUs formando sistemas heterogéneos. La naturaleza masivamente paralela de las GPUs, destinadas tradicionalmente al cómputo de gráficos, permite realizar operaciones numéricas con matrices de datos a gran velocidad debido al gran número de núcleos que integran y al gran ancho de banda de acceso a memoria que poseen. En consecuencia, aplicaciones de todo tipo de campos, tales como química, física, ingeniería, inteligencia artificial, ciencia de materiales, etc. que presentan este tipo de patrones de cómputo se ven beneficiadas, reduciendo drásticamente su tiempo de ejecución. En general, el uso de la aceleración del cómputo en GPUs ha significado un paso adelante y una revolución. Sin embargo, no está exento de problemas, tales como problemas de eficiencia energética, baja utilización de las GPUs, altos costes de adquisición y mantenimiento, etc. En esta tesis pretendemos analizar las principales carencias que presentan estos sistemas heterogéneos y proponer soluciones basadas en el uso de la virtualización remota de GPUs. Para ello hemos utilizado la herramienta rCUDA, desarrollada en la Universitat Politècnica de València, ya que multitud de publicaciones la avalan como el framework de virtualización remota de GPUs más avanzado de la actualidad. Los resutados obtenidos en esta tesis muestran que el uso de rCUDA en entornos de Cloud Computing incrementa el grado de libertad del sistema, ya que permite crear instancias virtuales de las GPUs físicas totalmente a medida de las necesidades de cada una de las máquinas virtuales. En entornos HPC (High Performance Computing; Computación de Altas Prestaciones), rCUDA también proporciona un mayor grado de flexibilidad de uso de las GPUs de todo el clúster de cómputo, ya que permite desacoplar totalmente la parte CPU de la parte GPU de las aplicaciones. Además, las GPUs pueden estar en cualquier nodo del clúster, independientemente del nodo en el que se está ejecutando la parte CPU de la aplicación. En general, tanto para Cloud Computing como en el caso de HPC, este mayor grado de flexibilidad se traduce en un aumento hasta 2x de la productividad de todo el sistema al mismo tiempo que se reduce el consumo energético en un 15%. Finalmente, también hemos desarrollado un mecanismo de migración de trabajos de la parte GPU de las aplicaciones que ha sido integrado dentro del framework rCUDA. Este mecanismo de migración ha sido evaluado y los resultados muestran claramente que, a cambio de una pequeña sobrecarga, alrededor de 400 milisegundos, en el tiempo de ejecución de las aplicaciones, es una potente herramienta con la que, de nuevo, aumentar la productividad y reducir el gasto energético del sistema. En resumen, en esta tesis se analizan los principales problemas derivados del uso de las GPUs como aceleradores de cómputo, tanto en entornos HPC como de Cloud Computing, y se demuestra cómo a través del uso del framework rCUDA, estos problemas pueden solucionarse. Además se desarrolla un potente mecanismo de migración de trabajos GPU, que integrado dentro del framework rCUDA, se convierte en una herramienta clave para los futuros planificadores de trabajos en clusters heterogéneos.[CA] En l'última dècada la utilització de la GPGPU(General Purpose computing in Graphics Processing Units; Computació de Propòsit General en Unitats de Processament Gràfic) s'ha tornat extremadament popular en els centres de dades de tot el món. Les GPUs (Graphics Processing Units; Unitats de Processament Gràfic) s'han establert com a elements acceleradors de còmput que s'utilitzen al costat de les CPUs formant sistemes heterogenis. La naturalesa massivament paral·lela de les GPUs, destinades tradicionalment al còmput de gràfics, permet realitzar operacions numèriques amb matrius de dades a gran velocitat degut al gran nombre de nuclis que integren i al gran ample de banda d'accés a memòria que posseeixen. En conseqüència, les aplicacions de tot tipus de camps, com ara química, física, enginyeria, intel·ligència artificial, ciència de materials, etc. que presenten aquest tipus de patrons de còmput es veuen beneficiades reduint dràsticament el seu temps d'execució. En general, l'ús de l'acceleració del còmput en GPUs ha significat un pas endavant i una revolució, però no està exempt de problemes, com ara poden ser problemes d'eficiència energètica, baixa utilització de les GPUs, alts costos d'adquisició i manteniment, etc. En aquesta tesi pretenem analitzar les principals mancances que presenten aquests sistemes heterogenis i proposar solucions basades en l'ús de la virtualització remota de GPUs. Per a això hem utilitzat l'eina rCUDA, desenvolupada a la Universitat Politècnica de València, ja que multitud de publicacions l'avalen com el framework de virtualització remota de GPUs més avançat de l'actualitat. Els resultats obtinguts en aquesta tesi mostren que l'ús de rCUDA en entorns de Cloud Computing incrementa el grau de llibertat del sistema, ja que permet crear instàncies virtuals de les GPUs físiques totalment a mida de les necessitats de cadascuna de les màquines virtuals. En entorns HPC (High Performance Computing; Computació d'Altes Prestacions), rCUDA també proporciona un major grau de flexibilitat en l'ús de les GPUs de tot el clúster de còmput, ja que permet desacoblar totalment la part CPU de la part GPU de les aplicacions. A més, les GPUs poden estar en qualsevol node del clúster, sense importar el node en el qual s'està executant la part CPU de l'aplicació. En general, tant per a Cloud Computing com en el cas del HPC, aquest major grau de flexibilitat es tradueix en un augment fins 2x de la productivitat de tot el sistema al mateix temps que es redueix el consum energètic en aproximadament un 15%. Finalment, també hem desenvolupat un mecanisme de migració de treballs de la part GPU de les aplicacions que ha estat integrat dins del framework rCUDA. Aquest mecanisme de migració ha estat avaluat i els resultats mostren clarament que, a canvi d'una petita sobrecàrrega, al voltant de 400 mil·lisegons, en el temps d'execució de les aplicacions, és una potent eina amb la qual, de nou, augmentar la productivitat i reduir la despesa energètica de sistema. En resum, en aquesta tesi s'analitzen els principals problemes derivats de l'ús de les GPUs com acceleradors de còmput, tant en entorns HPC com de Cloud Computing, i es demostra com a través de l'ús del framework rCUDA, aquests problemes poden solucionar-se. A més es desenvolupa un potent mecanisme de migració de treballs GPU, que integrat dins del framework rCUDA, esdevé una eina clau per als futurs planificadors de treballs en clústers heterogenis.[EN] In the last decade the use of GPGPU (General Purpose computing in Graphics Processing Units) has become extremely popular in data centers around the world. GPUs (Graphics Processing Units) have been established as computational accelerators that are used alongside CPUs to form heterogeneous systems. The massively parallel nature of GPUs, traditionally intended for graphics computing, allows to perform numerical operations with data arrays at high speed. This is achieved thanks to the large number of cores GPUs integrate and the large bandwidth of memory access. Consequently, applications of all kinds of fields, such as chemistry, physics, engineering, artificial intelligence, materials science, and so on, presenting this type of computational patterns are benefited by drastically reducing their execution time. In general, the use of computing acceleration provided by GPUs has meant a step forward and a revolution, but it is not without problems, such as energy efficiency problems, low utilization of GPUs, high acquisition and maintenance costs, etc. In this PhD thesis we aim to analyze the main shortcomings of these heterogeneous systems and propose solutions based on the use of remote GPU virtualization. To that end, we have used the rCUDA middleware, developed at Universitat Politècnica de València. Many publications support rCUDA as the most advanced remote GPU virtualization framework nowadays. The results obtained in this PhD thesis show that the use of rCUDA in Cloud Computing environments increases the degree of freedom of the system, as it allows to create virtual instances of the physical GPUs fully tailored to the needs of each of the virtual machines. In HPC (High Performance Computing) environments, rCUDA also provides a greater degree of flexibility in the use of GPUs throughout the computing cluster, as it allows the CPU part to be completely decoupled from the GPU part of the applications. In addition, GPUs can be on any node in the cluster, regardless of the node on which the CPU part of the application is running. In general, both for Cloud Computing and in the case of HPC, this greater degree of flexibility translates into an up to 2x increase in system-wide throughput while reducing energy consumption by approximately 15%. Finally, we have also developed a job migration mechanism for the GPU part of applications that has been integrated within the rCUDA middleware. This migration mechanism has been evaluated and the results clearly show that, in exchange for a small overhead of about 400 milliseconds in the execution time of the applications, it is a powerful tool with which, again, we can increase productivity and reduce energy foot print of the computing system. In summary, this PhD thesis analyzes the main problems arising from the use of GPUs as computing accelerators, both in HPC and Cloud Computing environments, and demonstrates how thanks to the use of the rCUDA middleware these problems can be addressed. In addition, a powerful GPU job migration mechanism is being developed, which, integrated within the rCUDA framework, becomes a key tool for future job schedulers in heterogeneous clusters.This work jointly supported by the Fundación Séneca (Agencia Regional de Ciencia y Tecnología, Región de Murcia) under grants (20524/PDC/18, 20813/PI/18 and 20988/PI/18) and by the Spanish MEC and European Commission FEDER under grants TIN2015-66972-C5-3-R, TIN2016-78799-P and CTQ2017-87974-R (AEI/FEDER, UE). We also thank NVIDIA for hardware donation under GPU Educational Center 2014-2016 and Research Center 2015-2016. The authors thankfully acknowledge the computer resources at CTE-POWER and the technical support provided by Barcelona Supercomputing Center - Centro Nacional de Supercomputación (RES-BCV-2018-3-0008). Furthermore, researchers from Universitat Politècnica de València are supported by the Generalitat Valenciana under Grant PROMETEO/2017/077. Authors are also grateful for the generous support provided by Mellanox Technologies Inc. Prof. Pradipta Purkayastha, from Department of Chemical Sciences, Indian Institute of Science Education and Research (IISER) Kolkata, is acknowledged for kindly providing the initial ligand and DNA structures.Prades Gasulla, J. (2021). Improving Performance and Energy Efficiency of Heterogeneous Systems with rCUDA [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/168081TESISCompendi

On the Virtualization of CUDA Based GPU Remoting on ARM and X86 Machines in the GVirtuS Framework

The astonishing development of diverse and different hardware platforms is twofold: on one side, the challenge for the exascale performance for big data processing and management; on the other side, the mobile and embedded devices for data collection and human machine interaction. This drove to a highly hierarchical evolution of programming models. GVirtuS is the general virtualization system developed in 2009 and firstly introduced in 2010 enabling a completely transparent layer among GPUs and VMs. This paper shows the latest achievements and developments of GVirtuS, now supporting CUDA 6.5, memory management and scheduling. Thanks to the new and improved remoting capabilities, GVirtus now enables GPU sharing among physical and virtual machines based on x86 and ARM CPUs on local workstations, computing clusters and distributed cloud appliances

Using remote accelerators to improve the performance of mathematical libraries

[EN] Virtualization technologies, such as virtual machines, have demonstrated to provide economic savings to data centers because they increase overall resource utilization. However, in addition to virtualize entire computers, the virtualization of individual devices also provides significant benefits. As an example, the remote GPU virtualization technique moves local GPU computations to remote GPU devices. Nevertheless, it is also possible to offload the computationally intensive CPU parts of an application to remote accelerators. In this work we present a first implementation of a new middleware that uses remote accelerators to perform the computations of scientific libraries, which were initially intended to be executed in the local CPU. Moreover, forwarding the computationally intensive parts of these libraries to remote accelerators is done in a transparent way to applications, not having to modify their source code. The first implementation of the new middleware is based on offloading the FFT and BLAS libraries, which are used to present the benefits of the new proposal by carrying out an in-depth performance evaluation. Results demonstrate that the new middleware is feasible. Moreover, scientific libraries such as FFTW may experience a speed-up larger than 25x, despite of having to transfer data back and forth to the remote server owning the accelerator.Mislata Valero, S. (2016). Using remote accelerators to improve the performance of mathematical libraries. http://hdl.handle.net/10251/76426Archivo delegad

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

Enhancing large-scale docking simulation on heterogeneous systems: An MPI vs rCUDA study

[EN] Virtual Screening (VS) methods can considerably aid clinical research by predicting how ligands interact with pharmacological targets, thus accelerating the slow and critical process of finding new drugs. VS methods screen large databases of chemical compounds to find a candidate that interacts with a given target. The computational requirements of VS models, along with the size of the databases, containing up to millions of biological macromolecular structures, means computer clusters are a must. However, programming current clusters of computers is no easy task, as they have become heterogeneous and distributed systems where various programming models need to be used together to fully leverage their resources. This paper evaluates several strategies to provide peak performance to a GPU-based molecular docking application called METADOCK in heterogeneous clusters of computers based on CPU and NVIDIA Graphics Processing Units (GPUs). Our developments start with an OpenMP, MPI and CUDA METADOCK version as a baseline case of cluster utilization. Next, we explore the virtualized GPUs provided by the rCUDA framework in order to facilitate the programming process. rCUDA allows us to use remote GPUs, i.e. installed in other nodes of the cluster, as if they were installed in the local node, so enabling access to them using only OpenMP and CUDA. Finally, several load balancing strategies are analyzed in a search to enhance performance. Our results reveal that the use of middleware like rCUDA is a convincing alternative to leveraging heterogeneous clusters, as it offers even better performance than traditional approaches and also makes it easier to program these emerging clusters.This work is jointly supported by the Fundacion Seneca (Agencia Regional de Ciencia y Tecnologia, Region de Murcia) under grant 18946/JLI/13, and by the Spanish MEC and European Commission FEDER under grants TIN2015-66972-C5-3-R and TIN2016-78799-P (AEI/FEDER, UE). We also thank NVIDIA for hardware donation under GPU Educational Center 2014-2016 and Research Center 2015-2016. Furthermore, researchers from Universitat Politecnica de Valencia are supported by the Generalitat Valenciana under Grant PROMETEO/2017/077. Authors are also grateful for the generous support provided by Mellanox Technologies Inc.Imbernón, B.; Prades Gasulla, J.; Gimenez Canovas, D.; Cecilia, JM.; Silla Jiménez, F. (2018). Enhancing large-scale docking simulation on heterogeneous systems: An MPI vs rCUDA study. Future Generation Computer Systems. 79:26-37. https://doi.org/10.1016/j.future.2017.08.050S26377

On the Effect of using rCUDA to Provide CUDA Acceleration to Xen Virtual Machines

[EN] Nowadays, many data centers use virtual machines (VMs) in order to achieve a more efficient use of hardware resources. The use of VMs provides a reduction in equipment and maintenance expenses as well as a lower electricity consumption. Nevertheless, current virtualization solutions, such as Xen, do not easily provide graphics processing units (GPUs) to applications running in the virtualized domain with the flexibility usually required in data centers (i.e., managing virtual GPU instances and concurrently sharing them among several VMs). Therefore, the execution of GPU-accelerated applications within VMs is hindered by this lack of flexibility. In this regard, remote GPU virtualization solutions may address this concern. In this paper we analyze the use of the remote GPU virtualization mechanism to accelerate scientific applications running inside Xen VMs. We conduct our study with six different applications, namely CUDA-MEME, CUDASW++, GPU-BLAST, LAMMPS, a triangle count application, referred to as TRICO, and a synthetic benchmark used to emulate different application behaviors. Our experiments show that the use of remote GPU virtualization is a feasible approach to address the current concerns of sharing GPUs among several VMs, featuring a very low overhead if an InfiniBand fabric is already present in the cluster.This work was funded by the Generalitat Valenciana under Grant PROMETEO/2017/077. Authors are also grateful for the generous support provided by Mellanox Technologies Inc.Prades, J.; Reaño González, C.; Silla Jiménez, F. (2019). On the Effect of using rCUDA to Provide CUDA Acceleration to Xen Virtual Machines. Cluster Computing. 22(1):185-204. https://doi.org/10.1007/s10586-018-2845-0185204221Kernel-Based Virtual Machine, KVM. http://www.linux-kvm.org (2015). Accessed 19 Oct 2015Xen Project. http://www.xenproject.org/ (2015). Accessed 19 Oct 2015VMware Virtualization. http://www.vmware.com/ (2015). Accessed 19 Oct 2015Oracle VM VirtualBox. http://www.virtualbox.org/ (2015). Accessed 19 Oct 2015Semnanian, A., Pham, J., Englert, B., Wu, X.: Virtualization technology and its impact on computer hardware architecture. In: Proceedings of the Information Technology: New Generations, ITNG, pp. 719–724 (2011)Felter, W., Ferreira, A., Rajamony, R., Rubio, J.: An updated performance comparison of virtual machines and linux containers. In: IBM Research Report (2014)Zhang, J., Lu, X., Arnold, M., Panda, D.: MVAPICH2 over OpenStack with SR-IOV: an efficient approach to build HPC Clouds. 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