Exploiting data locality in cache-coherent NUMA systems

The end of Dennard scaling has caused a stagnation of the clock frequency in computers.To overcome this issue, in the last two decades vendors have been integrating larger numbers of processing elements in the systems, interconnecting many nodes, including multiple chips in the nodes and increasing the number of cores in each chip. The speed of main memory has not evolved at the same rate as processors, it is much slower and there is a need to provide more total bandwidth to the processors, especially with the increase in the number of cores and chips. Still keeping a shared address space, where all processors can access the whole memory, solutions have come by integrating more memories: by using newer technologies like high-bandwidth memories (HBM) and non-volatile memories (NVM), by giving groups cores (like sockets, for example) faster access to some subset of the DRAM, or by combining many of these solutions. This has caused some heterogeneity in the access speed to main memory, depending on the CPU requesting access to a memory address and the actual physical location of that address, causing non-uniform memory access (NUMA) behaviours. Moreover, many of these systems are cache-coherent (ccNUMA), meaning that changes in the memory done from one CPU must be visible by the other CPUs and transparent for the programmer. These NUMA behaviours reduce the performance of applications and can pose a challenge to the programmers. To tackle this issue, this thesis proposes solutions, at the software and hardware levels, to improve the data locality in NUMA systems and, therefore, the performance of applications in these computer systems. The first contribution shows how considering hardware prefetching simultaneously with thread and data placement in NUMA systems can find configurations with better performance than considering these aspects separately. The performance results combined with performance counters are then used to build a performance model to predict, both offline and online, the best configuration for new applications not in the model. The evaluation is done using two different high performance NUMA systems, and the performance counters collected in one machine are used to predict the best configurations in the other machine. The second contribution builds on the idea that prefetching can have a strong effect in NUMA systems and proposes a NUMA-aware hardware prefetching scheme. This scheme is generic and can be applied to multiple hardware prefetchers with a low hardware cost but giving very good results. The evaluation is done using a cycle-accurate architectural simulator and provides detailed results of the performance, the data transfer reduction and the energy costs. Finally, the third and last contribution consists in scheduling algorithms for task-based programming models. These programming models help improve the programmability of applications in parallel systems and also provide useful information to the underlying runtime system. This information is used to build a task dependency graph (TDG), a directed acyclic graph that models the application where the nodes are sequential pieces of code known as tasks and the edges are the data dependencies between the different tasks. The proposed scheduling algorithms use graph partitioning techniques and provide a scheduling for the tasks in the TDG that minimises the data transfers between the different NUMA regions of the system. The results have been evaluated in real ccNUMA systems with multiple NUMA regions.La fi de la llei de Dennard ha provocat un estancament de la freqüència de rellotge dels computadors. Amb l'objectiu de superar aquest fet, durant les darreres dues dècades els fabricants han integrat més quantitat d'unitats de còmput als sistemes mitjançant la interconnexió de nodes diferents, la inclusió de múltiples xips als nodes i l'increment de nuclis de processador a cada xip. La rapidesa de la memòria principal no ha evolucionat amb el mateix factor que els processadors; és molt més lenta i hi ha la necessitat de proporcionar més ample de banda als processadors, especialment amb l'increment del nombre de nuclis i xips. Tot mantenint un adreçament compartit en el qual tots els processadors poden accedir a la memòria sencera, les solucions han estat al voltant de la integració de més memòries: amb tecnologies modernes com HBM (high-bandwidth memories) i NVM (non-volatile memories), fent que grups de nuclis (com sòcols sencers) tinguin accés més ràpid a una part de la DRAM o amb la combinació de solucions. Això ha provocat una heterogeneïtat en la velocitat d'accés a la memòria principal, en funció del nucli que sol·licita l'accés a una adreça en particular i la seva localització física, fet que provoca uns comportaments no uniformes en l'accés a la memòria (non-uniform memory access, NUMA). A més, sovint tenen memòries cau coherents (cache-coherent NUMA, ccNUMA), que implica que qualsevol canvi fet a la memòria des d'un nucli d'un processador ha de ser visible la resta de manera transparent. Aquests comportaments redueixen el rendiment de les aplicacions i suposen un repte. Per abordar el problema, a la tesi s'hi proposen solucions, a nivell de programari i maquinari, que milloren la localitat de dades als sistemes NUMA i, en conseqüència, el rendiment de les aplicacions en aquests sistemes. La primera contribució mostra que, quan es tenen en compte alhora la precàrrega d'adreces de memòria amb maquinari (hardware prefetching) i les decisions d'ubicació dels fils d'execució i les dades als sistemes NUMA, es poden trobar millors configuracions que quan es condieren per separat. Una combinació dels resultats de rendiment i dels comptadors disponibles al sistema s'utilitza per construir un model de rendiment per fer la predicció, tant per avançat com també en temps d'execució, de la millor configuració per aplicacions que no es troben al model. L'avaluació es du a terme a dos sistemes NUMA d'alt rendiment, i els comptadors mesurats en un sistema s'usen per predir les millors configuracions a l'altre sistema. La segona contribució es basa en la idea que el prefetching pot tenir un efecte considerable als sistemes NUMA i proposa un esquema de precàrrega a nivell de maquinari que té en compte els efectes NUMA. L'esquema és genèric i es pot aplicar als algorismes de precàrrega existents amb un cost de maquinari molt baix però amb molt bons resultats. S'avalua amb un simulador arquitectural acurat a nivell de cicle i proporciona resultats detallats del rendiment, la reducció de les comunicacions de dades i els costos energètics. La tercera i darrera contribució consisteix en algorismes de planificació per models de programació basats en tasques. Aquests simplifiquen la programabilitat de les aplicacions paral·leles i proveeixen informació molt útil al sistema en temps d'execució (runtime system) que en controla el funcionament. Amb aquesta informació es construeix un graf de dependències entre tasques (task dependency graph, TDG), un graf dirigit i acíclic que modela l'aplicació i en el qual els nodes són fragments de codi seqüencial (o tasques) i els arcs són les dependències de dades entre les tasques. Els algorismes de planificació proposats fan servir tècniques de particionat de grafs i proporcionen una planificació de les tasques del TDG que minimitza la comunicació de dades entre les diferents regions NUMA del sistema. Els resultats han estat avaluats en sistemes ccNUMA reals amb múltiples regions NUMA.El final de la ley de Dennard ha provocado un estancamiento de la frecuencia de reloj de los computadores. Con el objetivo de superar este problema, durante las últimas dos décadas los fabricantes han integrado más unidades de cómputo en los sistemas mediante la interconexión de nodos diferentes, la inclusión de múltiples chips en los nodos y el incremento de núcleos de procesador en cada chip. La rapidez de la memoria principal no ha evolucionado con el mismo factor que los procesadores; es mucho más lenta y hay la necesidad de proporcionar más ancho de banda a los procesadores, especialmente con el incremento del número de núcleos y chips. Aun manteniendo un sistema de direccionamiento compartido en el que todos los procesadores pueden acceder al conjunto de la memoria, las soluciones han oscilado alrededor de la integración de más memorias: usando tecnologías modernas como las memorias de alto ancho de banda (highbandwidth memories, HBM) y memorias no volátiles (non-volatile memories, NVM), haciendo que grupos de núcleos (como zócalos completos) tengan acceso más veloz a un subconjunto de la DRAM, o con la combinación de soluciones. Esto ha provocado una heterogeneidad en la velocidad de acceso a la memoria principal, en función del núcleo que solicita el acceso a una dirección de memoria en particular y la ubicación física de esta dirección, lo que provoca unos comportamientos no uniformes en el acceso a la memoria (non-uniform memory access, NUMA). Además, muchos de estos sistemas tienen memorias caché coherentes (cache-coherent NUMA, ccNUMA), lo que implica que cualquier cambio hecho en la memoria desde un núcleo de un procesador debe ser visible por el resto de procesadores de forma transparente para los programadores. Estos comportamientos NUMA reducen el rendimiento de las aplicaciones y pueden suponer un reto para los programadores. Para abordar dicho problema, en esta tesis se proponen soluciones, a nivel de software y hardware, que mejoran la localidad de datos en los sistemas NUMA y, en consecuencia, el rendimiento de las aplicaciones en estos sistemas informáticos. La primera contribución muestra que, cuando se tienen en cuenta a la vez la precarga de direcciones de memoria mediante hardware (o hardware prefetching ) y las decisiones de la ubicación de los hilos de ejecución y los datos en los sistemas NUMA, se pueden hallar mejores configuraciones que cuando se consideran ambos aspectos por separado. Con una combinación de los resultados de rendimiento y de los contadores disponibles en el sistema se construye un modelo de rendimiento, tanto por avanzado como en en tiempo de ejecución, de la mejor configuración para aplicaciones que no están incluidas en el modelo. La evaluación se realiza en dos sistemas NUMA de alto rendimiento, y los contadores medidos en uno de los sistemas se usan para predecir las mejores configuraciones en el otro sistema. La segunda contribución se basa en la idea de que el prefetching puede tener un efecto considerable en los sistemas NUMA y propone un esquema de precarga a nivel hardware que tiene en cuenta los efectos NUMA. Este esquema es genérico y se puede aplicar a diferentes algoritmos de precarga existentes con un coste de hardware muy bajo pero que proporciona muy buenos resultados. Dichos resultados se obtienen y evalúan mediante un simulador arquitectural preciso a nivel de ciclo y proporciona resultados detallados del rendimiento, la reducción de las comunicaciones de datos y los costes energéticos. Finalmente, la tercera y última contribución consiste en algoritmos de planificación para modelos de programación basados en tareas. Estos modelos simplifican la programabilidad de las aplicaciones paralelas y proveen información muy útil al sistema en tiempo de ejecución (runtime system) que controla su funcionamiento. Esta información se utiliza para construir un grafo de dependencias entre tareas (task dependency graph, TDG), un grafo dirigido y acíclico que modela la aplicación y en el ue los nodos son fragmentos de código secuencial, conocidos como tareas, y los arcos son las dependencias de datos entre las distintas tareas. Los algoritmos de planificación que se proponen usan técnicas e particionado de grafos y proporcionan una planificación de las tareas del TDG que minimiza la comunicación de datos entre las distintas regiones NUMA del sistema. Los resultados se han evaluado en sistemas ccNUMA reales con múltiples regiones NUMA.Postprint (published version

Parallel architectures and runtime systems co-design for task-based programming models

The increasing parallelism levels in modern computing systems has extolled the need for a holistic vision when designing multiprocessor architectures taking in account the needs of the programming models and applications. Nowadays, system design consists of several layers on top of each other from the architecture up to the application software. Although this design allows to do a separation of concerns where it is possible to independently change layers due to a well-known interface between them, it is hampering future systems design as the Law of Moore reaches to an end. Current performance improvements on computer architecture are driven by the shrinkage of the transistor channel width, allowing faster and more power efficient chips to be made. However, technology is reaching physical limitations were the transistor size will not be able to be reduced furthermore and requires a change of paradigm in systems design. This thesis proposes to break this layered design, and advocates for a system where the architecture and the programming model runtime system are able to exchange information towards a common goal, improve performance and reduce power consumption. By making the architecture aware of runtime information such as a Task Dependency Graph (TDG) in the case of dataflow task-based programming models, it is possible to improve power consumption by exploiting the critical path of the graph. Moreover, the architecture can provide hardware support to create such a graph in order to reduce the runtime overheads and making possible the execution of fine-grained tasks to increase the available parallelism. Finally, the current status of inter-node communication primitives can be exposed to the runtime system in order to perform a more efficient communication scheduling, and also creates new opportunities of computation and communication overlap that were not possible before. An evaluation of the proposals introduced in this thesis is provided and a methodology to simulate and characterize the application behavior is also presented.El aumento del paralelismo proporcionado por los sistemas de cómputo modernos ha provocado la necesidad de una visión holística en el diseño de arquitecturas multiprocesador que tome en cuenta las necesidades de los modelos de programación y las aplicaciones. Hoy en día el diseño de los computadores consiste en diferentes capas de abstracción con una interfaz bien definida entre ellas. Las limitaciones de esta aproximación junto con el fin de la ley de Moore limitan el potencial de los futuros computadores. La mayoría de las mejoras actuales en el diseño de los computadores provienen fundamentalmente de la reducción del tamaño del canal del transistor, lo cual permite chips más rápidos y con un consumo eficiente sin apenas cambios fundamentales en el diseño de la arquitectura. Sin embargo, la tecnología actual está alcanzando limitaciones físicas donde no será posible reducir el tamaño de los transistores motivando así un cambio de paradigma en la construcción de los computadores. Esta tesis propone romper este diseño en capas y abogar por un sistema donde la arquitectura y el sistema de tiempo de ejecución del modelo de programación sean capaces de intercambiar información para alcanzar una meta común: La mejora del rendimiento y la reducción del consumo energético. Haciendo que la arquitectura sea consciente de la información disponible en el modelo de programación, como puede ser el grafo de dependencias entre tareas en los modelos de programación dataflow, es posible reducir el consumo energético explotando el camino critico del grafo. Además, la arquitectura puede proveer de soporte hardware para crear este grafo con el objetivo de reducir el overhead de construir este grado cuando la granularidad de las tareas es demasiado fina. Finalmente, el estado de las comunicaciones entre nodos puede ser expuesto al sistema de tiempo de ejecución para realizar una mejor planificación de las comunicaciones y creando nuevas oportunidades de solapamiento entre cómputo y comunicación que no eran posibles anteriormente. Esta tesis aporta una evaluación de todas estas propuestas, así como una metodología para simular y caracterizar el comportamiento de las aplicacionesPostprint (published version

Exploiting task-based programming models for resilience

Hardware errors become more common as silicon technologies shrink and become more vulnerable, especially in memory cells, which are the most exposed to errors. Permanent and intermittent faults are caused by manufacturing variability and circuits ageing. While these can be mitigated once they are identified, their continuous rate of appearance throughout the lifetime of memory devices will always cause unexpected errors. In addition, transient faults are caused by effects such as radiation or small voltage/frequency margins, and there is no efficient way to shield against these events. Other constraints related to the diminishing sizes of transistors, such as power consumption and memory latency have caused the microprocessor industry to turn to increasingly complex processor architectures. To solve the difficulties arising from programming such architectures, programming models have emerged that rely on runtime systems. These systems form a new intermediate layer on the hardware-software abstraction stack, that performs tasks such as distributing work across computing resources: processor cores, accelerators, etc. These runtime systems dispose of a lot of information, both from the hardware and the applications, and offer thus many possibilities for optimisations. This thesis proposes solutions to the increasing fault rates in memory, across multiple resilience disciplines, from algorithm-based fault tolerance to hardware error correcting codes, through OS reliability strategies. These solutions rely for their efficiency on the opportunities presented by runtime systems. The first contribution of this thesis is an algorithmic-based resilience technique, allowing to tolerate detected errors in memory. This technique allows to recover data that is lost by performing computations that rely on simple redundancy relations identified in the program. The recovery is demonstrated for a family of iterative solvers, the Krylov subspace methods, and evaluated for the conjugate gradient solver. The runtime can transparently overlap the recovery with the computations of the algorithm, which allows to mask the already low overheads of this technique. The second part of this thesis proposes a metric to characterise the impact of faults in memory, which outperforms state-of-the-art metrics in precision and assurances on the error rate. This metric reveals a key insight into data that is not relevant to the program, and we propose an OS-level strategy to ignore errors in such data, by delaying the reporting of detected errors. This allows to reduce failure rates of running programs, by ignoring errors that have no impact. The architectural-level contribution of this thesis is a dynamically adaptable Error Correcting Code (ECC) scheme, that can increase protection of memory regions where the impact of errors is highest. A runtime methodology is presented to estimate the fault rate at runtime using our metric, through performance monitoring tools of current commodity processors. Guiding the dynamic ECC scheme online using the methodology's vulnerability estimates allows to decrease error rates of programs at a fraction of the redundancy cost required for a uniformly stronger ECC. This provides a useful and wide range of trade-offs between redundancy and error rates. The work presented in this thesis demonstrates that runtime systems allow to make the most of redundancy stored in memory, to help tackle increasing error rates in DRAM. This exploited redundancy can be an inherent part of algorithms that allows to tolerate higher fault rates, or in the form of dead data stored in memory. Redundancy can also be added to a program, in the form of ECC. In all cases, the runtime allows to decrease failure rates efficiently, by diminishing recovery costs, identifying redundant data, or targeting critical data. It is thus a very valuable tool for the future computing systems, as it can perform optimisations across different layers of abstractions.Los errores en memoria se vuelven más comunes a medida que las tecnologías de silicio reducen su tamaño. La variabilidad de fabricación y el envejecimiento de los circuitos causan fallos permanentes e intermitentes. Aunque se pueden mitigar una vez identificados, su continua tasa de aparición siempre causa errores inesperados. Además, la memoria también sufre de fallos transitorios contra los cuales no se puede proteger eficientemente. Estos fallos están causados por efectos como la radiación o los reducidos márgenes de voltaje y frecuencia. Otras restricciones coetáneas, como el consumo de energía y la latencia de la memoria, obligaron a las arquitecturas de computadores a volverse cada vez más complejas. Para programar tales procesadores, se desarrollaron modelos de programación basados en entornos de ejecución. Estos sistemas forman una nueva abstracción entre hardware y software, realizando tareas como la distribución del trabajo entre recursos informáticos: núcleos de procesadores, aceleradores, etc. Estos entornos de ejecución disponen de mucha información tanto sobre el hardware como sobre las aplicaciones, y ofrecen así muchas posibilidades de optimización. Esta tesis propone soluciones a los fallos en memoria entre múltiples disciplinas de resiliencia, desde la tolerancia a fallos basada en algoritmos, hasta los códigos de corrección de errores en hardware, incluyendo estrategias de resiliencia del sistema operativo. La eficiencia de estas soluciones depende de las oportunidades que presentan los entornos de ejecución. La primera contribución de esta tesis es una técnica a nivel algorítmico que permite corregir fallos encontrados mientras el programa su ejecuta. Para corregir fallos se han identificado redundancias simples en los datos del programa para toda una clase de algoritmos, los métodos del subespacio de Krylov (gradiente conjugado, GMRES, etc). La estrategia de recuperación de datos desarrollada permite corregir errores sin tener que reinicializar el algoritmo, y aprovecha el modelo de programación para superponer las computaciones del algoritmo y de la recuperación de datos. La segunda parte de esta tesis propone una métrica para caracterizar el impacto de los fallos en la memoria. Esta métrica supera en precisión a las métricas de vanguardia y permite identificar datos que son menos relevantes para el programa. Se propone una estrategia a nivel del sistema operativo retrasando la notificación de los errores detectados, que permite ignorar fallos en estos datos y reducir la tasa de fracaso del programa. Por último, la contribución a nivel arquitectónico de esta tesis es un esquema de Código de Corrección de Errores (ECC por sus siglas en inglés) adaptable dinámicamente. Este esquema puede aumentar la protección de las regiones de memoria donde el impacto de los errores es mayor. Se presenta una metodología para estimar el riesgo de fallo en tiempo de ejecución utilizando nuestra métrica, a través de las herramientas de monitorización del rendimiento disponibles en los procesadores actuales. El esquema de ECC guiado dinámicamente con estas estimaciones de vulnerabilidad permite disminuir la tasa de fracaso de los programas a una fracción del coste de redundancia requerido para un ECC uniformemente más fuerte. El trabajo presentado en esta tesis demuestra que los entornos de ejecución permiten aprovechar al máximo la redundancia contenida en la memoria, para contener el aumento de los errores en ella. Esta redundancia explotada puede ser una parte inherente de los algoritmos que permite tolerar más fallos, en forma de datos inutilizados almacenados en la memoria, o agregada a la memoria de un programa en forma de ECC. En todos los casos, el entorno de ejecución permite disminuir los efectos de los fallos de manera eficiente, disminuyendo los costes de recuperación, identificando datos redundantes, o focalizando esfuerzos de protección en los datos críticos

The COMPLEX reference framework for HW/SW co-design and power management supporting platform-based design-space exploration

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