IMPROVING MULTIBANK MEMORY ACCESS PARALLELISM ON SIMT ARCHITECTURES

Memory mapping has traditionally been an important optimization problem for high-performance parallel systems. Today, these issues are increasingly affecting a much wider range of platforms. Several techniques have been presented to solve bank conflicts and reduce memory access latency but none of them turns out to be generally applicable to different application contexts. One of the ambitious goals of this Thesis is to contribute to modelling the problem of the memory mapping in order to find an approach that generalizes on existing conflict-avoiding techniques, supporting a systematic exploration of feasible mapping schemes

A Simple MPI Library for Lightweight Manycore Processors

TCC(graduação) - Universidade Federal de Santa Catarina. Centro Tecnológico. Ciências da Computação.Nas últimas décadas, melhorar o desempenho de núcleos individuais e aumentar o nú- mero de núcleos de alta potência por chip foram as principais tendências na construção de processadores. No entanto, esta combinação levou não apenas a um aumento no poder computacional, mas também a um aumento considerável no seu consumo de energia. Há uma preocupação crescente entre a comunidade científica a respeito da eficiência ener- gética dos supercomputadores modernos. Nos últimos anos, muitos esforços têm sido feitos em pesquisas, buscando soluções alternativas capazes de resolver este problema de escalabilidade e eficiência energética. O desempenho e a eficiência energética providos pelos manycores leves são inegáveis. Contudo, a falta de suporte avançado e portátil para esses processadores, como interfaces padrão de alto desempenho para o desenvolvi- mento de código portável, torna o desenvolvimento de software um desafio. Atualmente, duas abordagens são empregadas tentando aumentar a programabilidade em manycores leves: Sistemas operacionais (SOs) e sistemas de execução (runtimes). A primeira fornece portabilidade mas expõe interfaces de programação complexas no nível do SO aos desen- volvedores. Já a segunda se concentra em fornecer interfaces ricas e de alto desempenho, as quais são específicas do fabricante e resultam em software não portável. Portanto, as soluções existentes forçam os desenvolvedores a escolher entre a portabilidade do software ou um processo de desenvolvimento mais rápido. Para resolver esse dilema, neste traba- lho é proposta uma biblioteca MPI leve e portável (LWMPI) projetada do zero para lidar com as restrições e complexidades dos manycores leves. A LWMPI foi integrada a um SO direcionado a esses processadores, oferecendo assim uma melhor programabilidade e portabilidade implícita para manycores leves, sem incorrer em sobrecargas de desempe- nho excessivas que inviabilizariam o seu uso. Para fornecer uma avaliação abrangente da LWMPI, foram utilizadas três aplicações de uma suíte de benchmarking representativa, usada para avaliar o desempenho de manycores leves, além de um benchmark sintético. Os resultados obtidos no processador Kalray MPPA-256 revelaram que a LWMPI atinge uma performance e uma escalabilidade de desempenho melhor do que uma solução feita especificamente para essa análise e que se utiliza puramente das abstrações de IPC do Nanvix, ao mesmo tempo em que oferece uma interface de programação mais rica.In the last decades, improving the performance of individual cores and increasing the number of high power cores per chip were the main trends in the construction of proces- sors. However, this combination led not only to an increase in the computing capacity, but also to a considerable growth in energy consumption. There is a crescent concern among the scientific community about the energy efficiency of modern supercomputers. In the last years, many efforts have been made in research, searching for alternative solutions capable of solving this problem of scalability and energy efficiency. The performance and energy efficiency provided by lightweight manycores is undeniable. Although, the lack of rich and portable support for these processors, such as high-performance standard inter- faces that deliver portable source codes, makes software development a challenging task. Currently, two approaches are employed trying to improve programmability in lightweight manycores: Operating Systems (OSes) and baremetal runtime systems. The former pro- vides portability but exposes complex OS-level programming interfaces to developers. The latter focuses on providing rich and high performance interfaces, which are vendor- specific and yield to non-portable software. Thus, the existing solutions force software engineers to choose between software portability or a faster development process. To address this dilemma, we propose a portable and lightweight MPI library (LWMPI) de- signed from scratch to cope with restrictions and intricacies of lightweight manycores. We integrated LWMPI into a distributed OS that targets these processors, thus featuring bet- ter programmability and implicit portability for lightweight manycores, without incurring excessive performance overheads that could hinder its use. To deliver a comprehensive evaluation of LWMPI, we relied on three applications from a representative benchmark suite used to assess the performance of lightweight manycores, and a synthetic benchmark. Our results obtained on the Kalray MPPA-256 processor unveiled that LWMPI present better performance and scalability when compared with a specifically made solution that uses the raw Nanvix Inter-Process Communication (IPC) abstractions, while exposing a richer programming interface

Aspects of Code Generation and Data Transfer Techniques for Modern Parallel Architectures

Im Bereich der Prozessorarchitekturen hat sich der Fokus neuer Entwicklungen von immer höheren Taktfrequenzen hin zu immer mehr Kernen auf einem Chip verschoben. Eine hohe Kernanzahl ermöglicht es unterschiedlich leistungsfähige Kerne anzubieten, und sogar dedizierte Kerne mit speziellen Befehlssätzen. Die Entwicklung für solch heterogene Plattformen ist herausfordernd und benötigt entsprechende Unterstützung von Entwicklungswerkzeugen, wie beispielsweise Übersetzern. Neben ihrer heterogenen Kernstruktur gibt es eine zweite Dimension, die die Entwicklung für solche Architekturen anspruchsvoll macht: ihre Speicherstruktur. Die Aufrechterhaltung von globaler Cache-Kohärenz erschwert das Erreichen hoher Kernzahlen. Hardwarebasierte Cache-Kohärenz-Protokolle skalieren entweder schlecht, oder sind kompliziert und führen zu Problemen bei Ausführungszeit und Energieeffizienz. Eine radikale Lösung dieses Problems stellt die Abschaffung der globalen Cache-Kohärenz dar. Jedoch ist es schwierig, bestehende Programmiermodelle effizient auf solch eine Hardware-Architektur mit schwachen Garantien abzubilden. Der erste Teil dieser Dissertation beschäftigt sich Datentransfertechniken für nicht-cache-kohärente Architekturen mit gemeinsamem Speicher. Diese Architekturen bieten einen gemeinsamen physikalischen Adressraum, implementieren aber keine hardwarebasierte Kohärenz zwischen allen Caches des Systems. Die logische Partitionierung des gemeinsamen Speichers ermöglicht die sichere Programmierung einer solchen Plattform. Im Allgemeinen erzeugt dies die Notwendigkeit Daten zwischen Speicherpartitionen zu kopieren. Wir untersuchen die Übersetzung für invasive Architekturen, einer Familie von nicht-cache-kohärenten Vielkernarchitekturen. Wir betrachten die effiziente Implementierung von Datentransfers sowohl einfacher als auch komplexer Datenstrukturen auf invasiven Architekturen. Insbesondere schlagen wir eine neuartige Technik zum Kopieren komplexer verzeigerter Datenstrukturen vor, die ohne Serialisierung auskommt. Hierzu verallgemeinern wir den Objekt-Klon-Ansatz mit übersetzergesteuerter automatischer software-basierter Kohärenz, sodass er auch im Kontext nicht-kohärenter Caches funktioniert. Wir präsentieren Implementierungen mehrerer Datentransfertechniken im Rahmen eines existierenden Übersetzers und seines Laufzeitsystems. Wir führen eine ausführliche Auswertung dieser Implementierungen auf einem FPGA-basierten Prototypen einer invasiven Architektur durch. Schließlich schlagen wir vor, Hardwareunterstützung für bereichsbasierte Cache-Operationen hinzuzufügen und beschreiben und bewerten mögliche Implementierungen und deren Kosten. Der zweite Teil dieser Dissertation befasst sich mit der Beschleunigung von Shuffle-Code, der bei der Registerzuteilung auftritt, durch die Verwendung von Permutationsbefehlen. Die Aufgabe der Registerzuteilung während der Programmübersetzung ist die Abbildung von Programmvariablen auf Maschinenregister. Während der Registerzuteilung erzeugt der Übersetzer Shuffle-Code, der aus Kopier- und Tauschbefehlen besteht, um Werte zwischen Registern zu transferieren. Abhängig von der Qualität der Registerzuteilung und der Zahl der verfügbaren Register kann eine große Menge an Shuffle-Code erzeugt werden. Wir schlagen vor, die Ausführung von Shuffle-Code mit Hilfe von neuartigen Permutationsbefehlen zu beschleunigen, die die Inhalte von einigen Registern in einem Taktzyklus beliebig permutieren. Um die Machbarkeit dieser Idee zu demonstrieren, erweitern wir zunächst ein bestehendes RISC-Befehlsformat um Permutationsbefehle. Anschließend beschreiben wir, wie die vorgeschlagenen Permutationsbefehle in einer bestehenden RISC-Architektur implementiert werden können. Dann entwickeln wir zwei Verfahren zur Codeerzeugung, die die Permutationsbefehle ausnutzen, um Shuffle-Code zu beschleunigen: eine schnelle Heuristik und einen auf dynamischer Programmierung basierenden optimalen Ansatz. Wir beweisen Qualitäts- und Korrektheitseingeschaften beider Ansätze und zeigen die Optimalität des zweiten Ansatzes. Im Folgenden implementieren wir beide Codeerzeugungsverfahren in einem Übersetzer und untersuchen sowie vergleichen deren Codequalität ausführlich mit Hilfe standardisierter Benchmarks. Zunächst messen wir die genaue Zahl der dynamisch ausgeführten Befehle, welche wir folgend validieren, indem wir Programmlaufzeiten auf einer FPGA-basierten Prototypimplementierung der um Permutationsbefehle erweiterten RISC-Architektur messen. Schließlich argumentieren wir, dass Permutationsbefehle auf modernen Out-Of-Order-Prozessorarchitekturen, die bereits Registerumbenennung unterstützen, mit wenig Aufwand implementierbar sind