Optimizing MapReduce for Multicore Architectures

MapReduce is a programming model for data-parallel programs originally intended for data centers. MapReduce simplifies parallel programming, hiding synchronization and task management. These properties make it a promising programming model for future processors with many cores, and existing MapReduce libraries such as Phoenix have demonstrated that applications written with MapReduce perform competitively with those written with Pthreads. This paper explores the design of the MapReduce data structures for grouping intermediate key/value pairs, which is often a performance bottleneck on multicore processors. The paper finds the best choice depends on workload characteristics, such as the number of keys used by the application, the degree of repetition of keys, etc. This paper also introduces a new MapReduce library, Metis, with a compromise data structure designed to perform well for most workloads. Experiments with the Phoenix benchmarks on a 16-core AMD-based servershow that Metisâ data structure performs better than simpler alternatives, including Phoenix

Fairness-aware scheduling on single-ISA heterogeneous multi-cores

Single-ISA heterogeneous multi-cores consisting of small (e.g., in-order) and big (e.g., out-of-order) cores dramatically improve energy- and power-efficiency by scheduling workloads on the most appropriate core type. A significant body of recent work has focused on improving system throughput through scheduling. However, none of the prior work has looked into fairness. Yet, guaranteeing that all threads make equal progress on heterogeneous multi-cores is of utmost importance for both multi-threaded and multi-program workloads to improve performance and quality-of-service. Furthermore, modern operating systems affinitize workloads to cores (pinned scheduling) which dramatically affects fairness on heterogeneous multi-cores. In this paper, we propose fairness-aware scheduling for single-ISA heterogeneous multi-cores, and explore two flavors for doing so. Equal-time scheduling runs each thread or workload on each core type for an equal fraction of the time, whereas equal-progress scheduling strives at getting equal amounts of work done on each core type. Our experimental results demonstrate an average 14% (and up to 25%) performance improvement over pinned scheduling through fairness-aware scheduling for homogeneous multi-threaded workloads; equal-progress scheduling improves performance by 32% on average for heterogeneous multi-threaded workloads. Further, we report dramatic improvements in fairness over prior scheduling proposals for multi-program workloads, while achieving system throughput comparable to throughput-optimized scheduling, and an average 21% improvement in throughput over pinned scheduling

Approximation and Relaxation Approaches for Parallel and Distributed Machine Learning

Large scale machine learning requires tradeoffs. Commonly this tradeoff has led practitioners to choose simpler, less powerful models, e.g. linear models, in order to process more training examples in a limited time. In this work, we introduce parallelism to the training of non-linear models by leveraging a different tradeoff--approximation. We demonstrate various techniques by which non-linear models can be made amenable to larger data sets and significantly more training parallelism by strategically introducing approximation in certain optimization steps. For gradient boosted regression tree ensembles, we replace precise selection of tree splits with a coarse-grained, approximate split selection, yielding both faster sequential training and a significant increase in parallelism, in the distributed setting in particular. For metric learning with nearest neighbor classification, rather than explicitly train a neighborhood structure we leverage the implicit neighborhood structure induced by task-specific random forest classifiers, yielding a highly parallel method for metric learning. For support vector machines, we follow existing work to learn a reduced basis set with extremely high parallelism, particularly on GPUs, via existing linear algebra libraries. We believe these optimization tradeoffs are widely applicable wherever machine learning is put in practice in large scale settings. By carefully introducing approximation, we also introduce significantly higher parallelism and consequently can process more training examples for more iterations than competing exact methods. While seemingly learning the model with less precision, this tradeoff often yields noticeably higher accuracy under a restricted training time budget

Incremental parallel and distributed systems

Incremental computation strives for efficient successive runs of applications by re-executing only those parts of the computation that are affected by a given input change instead of recomputing everything from scratch. To realize the benefits of incremental computation, researchers and practitioners are developing new systems where the application programmer can provide an efficient update mechanism for changing application data. Unfortunately, most of the existing solutions are limiting because they not only depart from existing programming models, but also require programmers to devise an incremental update mechanism (or a dynamic algorithm) on a per-application basis. In this thesis, we present incremental parallel and distributed systems that enable existing real-world applications to automatically benefit from efficient incremental updates. Our approach neither requires departure from current models of programming, nor the design and implementation of dynamic algorithms. To achieve these goals, we have designed and built the following incremental systems: (i) Incoop — a system for incremental MapReduce computation; (ii) Shredder — a GPU-accelerated system for incremental storage; (iii) Slider — a stream processing platform for incremental sliding window analytics; and (iv) iThreads — a threading library for parallel incremental computation. Our experience with these systems shows that significant performance can be achieved for existing applications without requiring any additional effort from programmers.Inkrementelle Berechnungen ermöglichen die effizientere Ausführung aufeinanderfolgender Anwendungsaufrufe, indem nur die Teilbereiche der Anwendung erneut ausgefürt werden, die von den Änderungen der Eingabedaten betroffen sind. Dieses Berechnungsverfahren steht dem konventionellen und vollständig neu berechnenden Verfahren gegenüber. Um den Vorteil inkrementeller Berechnungen auszunutzen, entwickeln sowohl Wissenschaft als auch Industrie neue Systeme, bei denen der Anwendungsprogrammierer den effizienten Aktualisierungsmechanismus für die Änderung der Anwendungsdaten bereitstellt. Bedauerlicherweise lassen sich existierende Lösungen meist nur eingeschränkt anwenden, da sie das konventionelle Programmierungsmodel beibehalten und dadurch die erneute Entwicklung vom Programmierer des inkrementellen Aktualisierungsmechanismus (oder einen dynamischen Algorithmus) für jede Anwendung verlangen. Diese Doktorarbeit stellt inkrementelle Parallele- und Verteiltesysteme vor, die es existierenden Real-World-Anwendungen ermöglichen vom Vorteil der inkre- mentellen Berechnung automatisch zu profitieren. Unser Ansatz erfordert weder eine Abkehr von gegenwärtigen Programmiermodellen, noch Design und Implementierung von anwendungsspezifischen dynamischen Algorithmen. Um dieses Ziel zu erreichen, haben wir die folgenden Systeme zur inkrementellen parallelen und verteilten Berechnung entworfen und implementiert: (i) Incoop — ein System für inkrementelle Map-Reduce-Programme; (ii) Shredder — ein GPU- beschleunigtes System zur inkrementellen Speicherung; (iii) Slider — eine Plat- tform zur Batch-basierten Streamverarbeitung via inkrementeller Sliding-Window- Berechnung; und (iv) iThreads — eine Threading-Bibliothek zur parallelen inkre- mentellen Berechnung. Unsere Erfahrungen mit diesen Systemen zeigen, dass unsere Methoden sehr gute Performanz liefern können, und dies ohne weiteren Aufwand des Programmierers

The Parallelism Motifs of Genomic Data Analysis

Genomic data sets are growing dramatically as the cost of sequencing continues to decline and small sequencing devices become available. Enormous community databases store and share this data with the research community, but some of these genomic data analysis problems require large scale computational platforms to meet both the memory and computational requirements. These applications differ from scientific simulations that dominate the workload on high end parallel systems today and place different requirements on programming support, software libraries, and parallel architectural design. For example, they involve irregular communication patterns such as asynchronous updates to shared data structures. We consider several problems in high performance genomics analysis, including alignment, profiling, clustering, and assembly for both single genomes and metagenomes. We identify some of the common computational patterns or motifs that help inform parallelization strategies and compare our motifs to some of the established lists, arguing that at least two key patterns, sorting and hashing, are missing

Automatic Selection of MapReduce Machine Learning Algorithms: A Model Building Approach

As the amount of information available for data mining grows larger, the amount of time needed to train models on those huge volumes of data also grows longer. Techniques such as sub-sampling and parallel algorithms have been employed to deal with this growth. Some studies have shown that sub-sampling can have adverse effects on the quality of models produced, and the degree to which it affects different types of learning algorithms varies. Parallel algorithms perform well when enough computing resources (e.g. cores, memory) are available, however for a limited sized cluster the growth in data will still cause an unacceptable growth in model training time. In addition to the data size mitigation problem, picking which algorithms are well suited to a particular dataset, can be a challenge. While some studies have looked at selection criteria for picking a learning algorithm based on the properties of the dataset, the additional complexity of parallel learners or possible run time limitations has not been considered. This study explores run time and model quality results of various techniques for dealing with large datasets, including using different numbers of compute cores, sub-sampling the datasets, and exploiting the iterative anytime nature of the training algorithms. The algorithms were studied using MapReduce implementations of four supervised learning algorithms, logistic regression, tree induction, bagged trees, and boosted stumps for binary classification using probabilistic models. Evaluation of these techniques was done using a modified form of learning curves which has a temporal component. Finally, the data collected was used to train a set of models to predict which type of parallel learner best suits a particular dataset, given run time limitations and the number of compute cores to be used. The predictions of those models were then compared to the actual results of running the algorithms on the datasets they were attempting to predict

Cheetah: Detecting False Sharing Efficiently and Effectively

False sharing is a notorious performance problem that may occur in multithreaded programs when they are running on ubiquitous multicore hardware. It can dramatically degrade the performance by up to an order of magnitude, significantly hurting the scalability. Identifying false sharing in complex programs is challenging. Existing tools either incur significant performance overhead or do not provide adequate information to guide code optimization. To address these problems, we develop Cheetah, a profiler that detects false sharing both efficiently and effectively. Cheetah leverages the lightweight hardware performance monitoring units (PMUs) that are available in most modern CPU architectures to sample memory accesses. Cheetah develops the first approach to quantify the optimization potential of false sharing instances without actual fixes, based on the latency information collected by PMUs. Cheetah precisely reports false sharing and provides insightful optimization guidance for programmers, while adding less than 7% runtime overhead on average. Cheetah is ready for real deployment

Cross-Layer Rapid Prototyping and Synthesis of Application-Specific and Reconfigurable Many-accelerator Platforms

Technological advances of recent years laid the foundation consolidation of informatisationof society, impacting on economic, political, cultural and socialdimensions. At the peak of this realization, today, more and more everydaydevices are connected to the web, giving the term ”Internet of Things”. The futureholds the full connection and interaction of IT and communications systemsto the natural world, delimiting the transition to natural cyber systems and offeringmeta-services in the physical world, such as personalized medical care, autonomoustransportation, smart energy cities etc. . Outlining the necessities of this dynamicallyevolving market, computer engineers are required to implement computingplatforms that incorporate both increased systemic complexity and also cover awide range of meta-characteristics, such as the cost and design time, reliabilityand reuse, which are prescribed by a conflicting set of functional, technical andconstruction constraints. This thesis aims to address these design challenges bydeveloping methodologies and hardware/software co-design tools that enable therapid implementation and efficient synthesis of architectural solutions, which specifyoperating meta-features required by the modern market. Specifically, this thesispresents a) methodologies to accelerate the design flow for both reconfigurableand application-specific architectures, b) coarse-grain heterogeneous architecturaltemplates for processing and communication acceleration and c) efficient multiobjectivesynthesis techniques both at high abstraction level of programming andphysical silicon level.Regarding to the acceleration of the design flow, the proposed methodologyemploys virtual platforms in order to hide architectural details and drastically reducesimulation time. An extension of this framework introduces the systemicco-simulation using reconfigurable acceleration platforms as co-emulation intermediateplatforms. Thus, the development cycle of a hardware/software productis accelerated by moving from a vertical serial flow to a circular interactive loop.Moreover the simulation capabilities are enriched with efficient detection and correctiontechniques of design errors, as well as control methods of performancemetrics of the system according to the desired specifications, during all phasesof the system development. In orthogonal correlation with the aforementionedmethodological framework, a new architectural template is proposed, aiming atbridging the gap between design complexity and technological productivity usingspecialized hardware accelerators in heterogeneous systems-on-chip and networkon-chip platforms. It is presented a novel co-design methodology for the hardwareaccelerators and their respective programming software, including the tasks allocationto the available resources of the system/network. The introduced frameworkprovides implementation techniques for the accelerators, using either conventionalprogramming flows with hardware description language or abstract programmingmodel flows, using techniques from high-level synthesis. In any case, it is providedthe option of systemic measures optimization, such as the processing speed,the throughput, the reliability, the power consumption and the design silicon area.Finally, on addressing the increased complexity in design tools of reconfigurablesystems, there are proposed novel multi-objective optimization evolutionary algo-rithms which exploit the modern multicore processors and the coarse-grain natureof multithreaded programming environments (e.g. OpenMP) in order to reduce theplacement time, while by simultaneously grouping the applications based on theirintrinsic characteristics, the effectively explore the design space effectively.The efficiency of the proposed architectural templates, design tools and methodologyflows is evaluated in relation to the existing edge solutions with applicationsfrom typical computing domains, such as digital signal processing, multimedia andarithmetic complexity, as well as from systemic heterogeneous environments, suchas a computer vision system for autonomous robotic space navigation and manyacceleratorsystems for HPC and workstations/datacenters. The results strengthenthe belief of the author, that this thesis provides competitive expertise to addresscomplex modern - and projected future - design challenges.Οι τεχνολογικές εξελίξεις των τελευταίων ετών έθεσαν τα θεμέλια εδραίωσης της πληροφοριοποίησης της κοινωνίας, επιδρώντας σε οικονομικές,πολιτικές, πολιτιστικές και κοινωνικές διαστάσεις. Στο απόγειο αυτής τη ςπραγμάτωσης, σήμερα, ολοένα και περισσότερες καθημερινές συσκευές συνδέονται στο παγκόσμιο ιστό, αποδίδοντας τον όρο «Ίντερνετ των πραγμάτων».Το μέλλον επιφυλάσσει την πλήρη σύνδεση και αλληλεπίδραση των συστημάτων πληροφορικής και επικοινωνιών με τον φυσικό κόσμο, οριοθετώντας τη μετάβαση στα συστήματα φυσικού κυβερνοχώρου και προσφέροντας μεταυπηρεσίες στον φυσικό κόσμο όπως προσωποποιημένη ιατρική περίθαλψη, αυτόνομες μετακινήσεις, έξυπνες ενεργειακά πόλεις κ.α. . Σκιαγραφώντας τις ανάγκες αυτής της δυναμικά εξελισσόμενης αγοράς, οι μηχανικοί υπολογιστών καλούνται να υλοποιήσουν υπολογιστικές πλατφόρμες που αφενός ενσωματώνουν αυξημένη συστημική πολυπλοκότητα και αφετέρου καλύπτουν ένα ευρύ φάσμα μεταχαρακτηριστικών, όπως λ.χ. το κόστος σχεδιασμού, ο χρόνος σχεδιασμού, η αξιοπιστία και η επαναχρησιμοποίηση, τα οποία προδιαγράφονται από ένα αντικρουόμενο σύνολο λειτουργικών, τεχνολογικών και κατασκευαστικών περιορισμών. Η παρούσα διατριβή στοχεύει στην αντιμετώπιση των παραπάνω σχεδιαστικών προκλήσεων, μέσω της ανάπτυξης μεθοδολογιών και εργαλείων συνσχεδίασης υλικού/λογισμικού που επιτρέπουν την ταχεία υλοποίηση καθώς και την αποδοτική σύνθεση αρχιτεκτονικών λύσεων, οι οποίες προδιαγράφουν τα μετα-χαρακτηριστικά λειτουργίας που απαιτεί η σύγχρονη αγορά. Συγκεκριμένα, στα πλαίσια αυτής της διατριβής, παρουσιάζονται α) μεθοδολογίες επιτάχυνσης της ροής σχεδιασμού τόσο για επαναδιαμορφούμενες όσο και για εξειδικευμένες αρχιτεκτονικές, β) ετερογενή αδρομερή αρχιτεκτονικά πρότυπα επιτάχυνσης επεξεργασίας και επικοινωνίας και γ) αποδοτικές τεχνικές πολυκριτηριακής σύνθεσης τόσο σε υψηλό αφαιρετικό επίπεδο προγραμματισμού,όσο και σε φυσικό επίπεδο πυριτίου.Αναφορικά προς την επιτάχυνση της ροής σχεδιασμού, προτείνεται μια μεθοδολογία που χρησιμοποιεί εικονικές πλατφόρμες, οι οποίες αφαιρώντας τις αρχιτεκτονικές λεπτομέρειες καταφέρνουν να μειώσουν σημαντικά το χρόνο εξομοίωσης. Παράλληλα, εισηγείται η συστημική συν-εξομοίωση με τη χρήση επαναδιαμορφούμενων πλατφορμών, ως μέσων επιτάχυνσης. Με αυτόν τον τρόπο, ο κύκλος ανάπτυξης ενός προϊόντος υλικού, μετατεθειμένος από την κάθετη σειριακή ροή σε έναν κυκλικό αλληλεπιδραστικό βρόγχο, καθίσταται ταχύτερος, ενώ οι δυνατότητες προσομοίωσης εμπλουτίζονται με αποδοτικότερες μεθόδους εντοπισμού και διόρθωσης σχεδιαστικών σφαλμάτων, καθώς και μεθόδους ελέγχου των μετρικών απόδοσης του συστήματος σε σχέση με τις επιθυμητές προδιαγραφές, σε όλες τις φάσεις ανάπτυξης του συστήματος. Σε ορθογώνια συνάφεια με το προαναφερθέν μεθοδολογικό πλαίσιο, προτείνονται νέα αρχιτεκτονικά πρότυπα που στοχεύουν στη γεφύρωση του χάσματος μεταξύ της σχεδιαστικής πολυπλοκότητας και της τεχνολογικής παραγωγικότητας, με τη χρήση συστημάτων εξειδικευμένων επιταχυντών υλικού σε ετερογενή συστήματα-σε-ψηφίδα καθώς και δίκτυα-σε-ψηφίδα. Παρουσιάζεται κατάλληλη μεθοδολογία συν-σχεδίασης των επιταχυντών υλικού και του λογισμικού προκειμένου να αποφασισθεί η κατανομή των εργασιών στους διαθέσιμους πόρους του συστήματος/δικτύου. Το μεθοδολογικό πλαίσιο προβλέπει την υλοποίηση των επιταχυντών είτε με συμβατικές μεθόδους προγραμματισμού σε γλώσσα περιγραφής υλικού είτε με αφαιρετικό προγραμματιστικό μοντέλο με τη χρήση τεχνικών υψηλού επιπέδου σύνθεσης. Σε κάθε περίπτωση, δίδεται η δυνατότητα στο σχεδιαστή για βελτιστοποίηση συστημικών μετρικών, όπως η ταχύτητα επεξεργασίας, η ρυθμαπόδοση, η αξιοπιστία, η κατανάλωση ενέργειας και η επιφάνεια πυριτίου του σχεδιασμού. Τέλος, προκειμένου να αντιμετωπισθεί η αυξημένη πολυπλοκότητα στα σχεδιαστικά εργαλεία επαναδιαμορφούμενων συστημάτων, προτείνονται νέοι εξελικτικοί αλγόριθμοι πολυκριτηριακής βελτιστοποίησης, οι οποίοι εκμεταλλευόμενοι τους σύγχρονους πολυπύρηνους επεξεργαστές και την αδρομερή φύση των πολυνηματικών περιβαλλόντων προγραμματισμού (π.χ. OpenMP), μειώνουν το χρόνο επίλυσης του προβλήματος της τοποθέτησης των λογικών πόρων σε φυσικούς,ενώ ταυτόχρονα, ομαδοποιώντας τις εφαρμογές βάση των εγγενών χαρακτηριστικών τους, διερευνούν αποτελεσματικότερα το χώρο σχεδίασης.Η αποδοτικότητά των προτεινόμενων αρχιτεκτονικών προτύπων και μεθοδολογιών επαληθεύτηκε σε σχέση με τις υφιστάμενες λύσεις αιχμής τόσο σε αυτοτελής εφαρμογές, όπως η ψηφιακή επεξεργασία σήματος, τα πολυμέσα και τα προβλήματα αριθμητικής πολυπλοκότητας, καθώς και σε συστημικά ετερογενή περιβάλλοντα, όπως ένα σύστημα όρασης υπολογιστών για αυτόνομα διαστημικά ρομποτικά οχήματα και ένα σύστημα πολλαπλών επιταχυντών υλικού για σταθμούς εργασίας και κέντρα δεδομένων, στοχεύοντας εφαρμογές υψηλής υπολογιστικής απόδοσης (HPC). Τα αποτελέσματα ενισχύουν την πεποίθηση του γράφοντα, ότι η παρούσα διατριβή παρέχει ανταγωνιστική τεχνογνωσία για την αντιμετώπιση των πολύπλοκων σύγχρονων και προβλεπόμενα μελλοντικών σχεδιαστικών προκλήσεων

Incremental parallel and distributed systems

Incremental computation strives for efficient successive runs of applications by re-executing only those parts of the computation that are affected by a given input change instead of recomputing everything from scratch. To realize the benefits of incremental computation, researchers and practitioners are developing new systems where the application programmer can provide an efficient update mechanism for changing application data. Unfortunately, most of the existing solutions are limiting because they not only depart from existing programming models, but also require programmers to devise an incremental update mechanism (or a dynamic algorithm) on a per-application basis. In this thesis, we present incremental parallel and distributed systems that enable existing real-world applications to automatically benefit from efficient incremental updates. Our approach neither requires departure from current models of programming, nor the design and implementation of dynamic algorithms. To achieve these goals, we have designed and built the following incremental systems: (i) Incoop — a system for incremental MapReduce computation; (ii) Shredder — a GPU-accelerated system for incremental storage; (iii) Slider — a stream processing platform for incremental sliding window analytics; and (iv) iThreads — a threading library for parallel incremental computation. Our experience with these systems shows that significant performance can be achieved for existing applications without requiring any additional effort from programmers.Inkrementelle Berechnungen ermöglichen die effizientere Ausführung aufeinanderfolgender Anwendungsaufrufe, indem nur die Teilbereiche der Anwendung erneut ausgefürt werden, die von den Änderungen der Eingabedaten betroffen sind. Dieses Berechnungsverfahren steht dem konventionellen und vollständig neu berechnenden Verfahren gegenüber. Um den Vorteil inkrementeller Berechnungen auszunutzen, entwickeln sowohl Wissenschaft als auch Industrie neue Systeme, bei denen der Anwendungsprogrammierer den effizienten Aktualisierungsmechanismus für die Änderung der Anwendungsdaten bereitstellt. Bedauerlicherweise lassen sich existierende Lösungen meist nur eingeschränkt anwenden, da sie das konventionelle Programmierungsmodel beibehalten und dadurch die erneute Entwicklung vom Programmierer des inkrementellen Aktualisierungsmechanismus (oder einen dynamischen Algorithmus) für jede Anwendung verlangen. Diese Doktorarbeit stellt inkrementelle Parallele- und Verteiltesysteme vor, die es existierenden Real-World-Anwendungen ermöglichen vom Vorteil der inkre- mentellen Berechnung automatisch zu profitieren. Unser Ansatz erfordert weder eine Abkehr von gegenwärtigen Programmiermodellen, noch Design und Implementierung von anwendungsspezifischen dynamischen Algorithmen. Um dieses Ziel zu erreichen, haben wir die folgenden Systeme zur inkrementellen parallelen und verteilten Berechnung entworfen und implementiert: (i) Incoop — ein System für inkrementelle Map-Reduce-Programme; (ii) Shredder — ein GPU- beschleunigtes System zur inkrementellen Speicherung; (iii) Slider — eine Plat- tform zur Batch-basierten Streamverarbeitung via inkrementeller Sliding-Window- Berechnung; und (iv) iThreads — eine Threading-Bibliothek zur parallelen inkre- mentellen Berechnung. Unsere Erfahrungen mit diesen Systemen zeigen, dass unsere Methoden sehr gute Performanz liefern können, und dies ohne weiteren Aufwand des Programmierers