Fast Key-Value Lookups with Node Tracker

Lookup operations for in-memory databases are heavily memory bound, because they often rely on pointer-chasing linked data structure traversals. They also have many branches that are hard-to-predict due to random key lookups. In this study, we show that although cache misses are the primary bottleneck for these applications, without a method for eliminating the branch mispredictions only a small fraction of the performance benefit is achieved through prefetching alone. We propose the Node Tracker (NT), a novel programmable prefetcher/pre-execution unit that is highly effective in exploiting inter key-lookup parallelism to improve single-thread performance. We extend NT with branch outcome streaming (BOS) to reduce branch mispredictions and show that this achieves an extra 3× speedup. Finally, we evaluate the NT as a pre-execution unit and demonstrate that we can further improve the performance in both single- and multi-threaded execution modes. Our results show that, on average, NT improves single-thread performance by 4.1× when used as a prefetcher; 11.9× as a prefetcher with BOS; 14.9× as a pre-execution unit and 18.8× as a pre-execution unit with BOS. Finally, with 24 cores of the latter version, we achieve a speedup of 203× and 11× over the single-core and 24-core baselines, respectively

Architectural support for message queue task parallelism

The scaling of threads is an attractive way to exploit task-level parallelism and boost performance. From the perspective of software programming, many applications (e.g., network package processing, SQL queries) could be composite of a set of small tasks. Those tasks are arranged in a data flow graph and each task is undertaken by some threads. Message queues are often used to coordinate the tasks among the threads. On the other side, thread scaling is in favor of the hardware advancing trend that there are more Processing Elements (PE) in modern Chip Multiprocessors (CMP) than ever before. This is because single PE cannot simply run faster due to power and thermal limitations; instead architects have to use more transistors for increasing number of PEs, in order to improve the overall computing power of a processor. Unfortunately, this paradigm using message queues to drive parallel tasks sometime leads to diminishing performance returns due to issues lying in the architecture and system design. Particularly, the conventional coherent shared-memory architectures let task-parallel workloads suffer from unnecessary synchronization overhead and load-to-use latency. For instance, when passing messages through queues, multiple threads could contend for the exclusivity of the cacheline where the shared queue data structure stays. The more threads, the more severe the contention is, because every transition upgrading a cacheline from shared to exclusive state needs to invalidate more copies in the private caches of other cores, and waits for the acknowledgements from more cores. Such a overhead hurts the scalability of threads synchronizing via message queues. Adding to the coherence overhead, the load-to-use latency (from a consumer requesting data until the data being moved to the consumer to use) is often on the critical path, slowing down the computation. This is because the cache hierarchy in modern processors creates some layers of local storage to buffer data separately for different cores. Therefore, serving message queue data in an ondemand manner incurs longer load-to-use latency. It is also challenging to schedule message-driven tasks to use cores efficiently when arrival rate and service rate mismatch. It wastes CPU cycles if a runtime system leaves tasks blocked on full/empty message queues, while switching tasks has additional scheduling overheads. Diverse system topologies further complicate the problem, as the scheduling also needs to take data locality into consideration. This dissertation explores architectural supports for enhancing the scalability of message queue task parallelism, reducing the load-to-use latency, as well as avoiding blocking. Specifically, this dissertation designs and evaluates a message queue architecture that lowers the overhead of synchronization on shared queue states, a speculation technique to hide the load-to-use latency, as well as a locality-aware message queue runtime system with low overhead on scheduling and buffer resizing. The first contribution of the dissertation is Virtual-Link scalable message queue architecture (VL). Instead of having threads access the shared queue state variables (i.e., head, tail, or lock) atomically, VL provides configurable hardware support, providing both data transfer and synchronization. Unlike other hardware queue architectures with dedicated network, VL reuses the existing cache coherence network and delivers a virtualized channel as if there were a direct link (or route) between two arbitrary PEs. VL facilitates efficient synchronized data movement between M:N producers and consumers with several benefits: (i) the number of sharers on synchronization primitives is reduced to zero, eliminating a primary bottleneck of traditional lock-free queues, (ii) memory spills, snoops, and invalidations are reduced, (iii) data stays on the fast path (inside the interconnect) a majority of the time. Another contribution of the dissertation is SPAMeR speculation mechanism. SPAMeR has the capability to speculatively push messages in anticipation of consumer message requests. With the speculation, the latency of moving data from the source to the consumer that needs the data could be partially or fully overlapped with the message processing time. Unlike pre-fetch approaches which predict what addresses to fetch next, with a queue we know exactly what data is needed next but not when it is needed; SPAMeR proposes algorithms to learn from queue operation history in order to predict this. Finally the dissertation contributes ARMQ locality-aware runtime. ARMQ collects a set of approaches that avoids message queue blocking, ranging from the most general yielding, to dynamically resizing the buffer, and to spawning helper tasks. On one hand, ARMQ minimizes the overheads (e.g., wasteful polling, context switch, memory allocation and copying etc.) with a few techniques (e.g., userspace threading, chunk-based ringbuffer etc.) On the other hand, ARMQ schedules the message-driven tasks precisely and opportunely, in order to maximize the data locality preserved (in favor of cache) and balance the resource allocation.Electrical and Computer Engineerin

Preliminary multicore architecture for Introspective Computing

Thesis (S.M.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Electrical Engineering and Computer Science, 2007.This electronic version was submitted by the student author. The certified thesis is available in the Institute Archives and Special Collections.Includes bibliographical references (p. 243-245).This thesis creates a framework for Introspective Computing. Introspective Computing is a computing paradigm characterized by self-aware software. Self-aware software systems use hardware mechanisms to observe an application's execution so that they may adapt execution to improve performance, reduce power consumption, or balance user-defined fitness criteria over time-varying conditions in a system environment. We dub our framework Partner Cores. The Partner Cores framework builds upon tiled multicore architectures [11, 10, 25, 9], closely coupling cores such that one may be used to observe and optimize execution in another. Partner cores incrementally collect and analyze execution traces from code cores then exploit knowledge of the hardware to optimize execution. This thesis develops a tiled architecture for the Partner Cores framework that we dub Evolve. Evolve provides a versatile substrate upon which software may coordinate core partnerships and various forms of parallelism. To do so, Evolve augments a basic tiled architecture with introspection hardware and programmable functional units. Partner Cores software systems on the Evolve hardware may follow the style of helper threading [13, 12, 6] or utilize the programmable functional units in each core to evolve application-specific coprocessor engines. This thesis work develops two Partner Cores software systems: the Dynamic Partner-Assisted Branch Predictor and the Introspective L2 Memory System (IL2). The branch predictor employs a partner core as a coprocessor engine for general dynamic branch prediction in a corresponding code core. The IL2 retasks the silicon resources of partner cores as banks of an on-chip, distributed, software L2 cache for code cores.(cont.) The IL2 employs aggressive, application-specific prefetchers for minimizing cache miss penalties and DRAM power consumption. Our results and future work show that the branch predictor is able to sustain prediction for code core branch frequencies as high as one every 7 instructions with no degradation in accuracy; updated prediction directions are available in a low minimum of 20-21 instructions. For the IL2, we develop a pixel block prefetcher for the image data structure used in a JPEG encoder benchmark and show that a 50% improvement in absolute performance is attainable.by Jonathan M. Eastep.S.M

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

High-performance software packet processing

In today’s Internet, it is highly desirable to have fast and scalable software packet processing solutions for network applications that run on commodity hardware. The advent of cloud computing drives the continued rapid growth of Internet traffic. Moreover, the development of emerging networking techniques, such as Network Function Virtualization, significantly shapes the need for implementing the network functions in software. Finally, with the advancement of modern platforms as well as software frameworks for packet processing, network applications have potential to process 100+ Gbps network traffic on a single commodity server. Representative frameworks include the Click modular router, the RouteBricks scalable routing architecture, and BUFFALO, the software-based Ethernet switch. Beneath this general-purpose routing and switching functionality lie a broad set of network applications, many of which are handled with custom methods to provide cost-effectiveness and flexibility. This thesis considers two long-standing networking applications, IP lookup and distributed denial-of-service (DDoS) mitigation, and proposes efficient software-based methods drawing from this new perspective. In this thesis, we first introduce several optimization techniques to accelerate network applications by taking advantage of modern CPU features. Then, we explore the IP lookup problem to find the longest matching prefix of an IP address in a set of prefixes. An ideal IP lookup algorithm should achieve small constant IP lookup time, and on-chip memory usage. However, no prior IP lookup algorithm achieves both requirements at the same time. We propose SAIL, a splitting approach to IP lookup, and a suite of algorithms for IP lookup based on SAIL framework. We conducted extensive experiments to evaluate our algorithms, and experimental results show that our SAIL algorithms are much faster than well-known IP lookup algorithms. Next, we switch our focus to DDoS, an attempt to disrupt the legitimate traffic of a victim by sending a flood of Internet traffic from different sources. Our solution is Gatekeeper, the first open-source and deployable DDoS mitigation system. We present a series of optimization techniques, including use of modern platforms, group prefetching, coroutines, and hashing, to accelerate Gatekeeper. Experimental results show that these optimization techniques significantly improve its performance over alternative baseline solutions.2022-01-30T00:00:00

Multithreading opportunities for program optimizations

The introduction of Multiprocessor On Chip (CMP) led to a substantial reformulation of the Moore law stating that the number of cores in a single chip doubles every one year and a half. The tech boom related to CMP gave a strong impulse to parallel program design diminishing its ``gap'' with parallel architectures. Nowadays a leading trend related to high performance products is represented by CMP with multithreading CPU nodes. Basically the CPU multithreading feature tries to overcome the underutilization of superscalar processors, due to the lack of exploitable instruction level parallelism (ILP), allowing the simultaneous processing of different programs during the same time slot. In multithreading architectures a thread is a concurrent computational entity supported directly at firmware level (these threads are usually called hardware threads). Multithreading technology opens a broad range of possible optimizations that can be applied to improve the performance of sequential and parallel applications. This thesis treat four possible optimization targeted for multithreading architectures: Speculative Precomputation, Threaded Multipath Execution, Speculative Multithreading and Communication threads. L'introduzione dei Multiprocessor On Chip (CMP) ha portato ad una sostanziale riformulazione della legge di Moore la quale afferma che il numero di cores in un singolo chip raddoppia ogni anno e mezzo. Il boom tecnologico relativo ai CMP ha dato un grande impulso al design relativo alla programmazione parallela diminuendo il gap con le architetture parallele. Allo stato attuale delle cose, un trend prominente relativo ai prodotti di high performance computing è rappresentato da CMP con nodi caratterizzati da hardware multithreading. Questa tecnologia prova a risolvere il sottoutilizzo di processori superscalari, dovuto alla mancanza di ILP (instruction level parallelism), permettendo la computazione simultanea di diversi programmi durante lo stesso time slot La tecnologia multithreading ha aperto un ampio spettro di possibili ottimizzazioni che possono essere utilizzate al fine di migliorare le performance di applicazioni sequenziali e parallele. Questa tesi tratta quattro possibili ottimizzazioni indirizzate per architetture multithreading: Speculative Precomputation (Helper Thread), Threaded Multipath Execution, Speculative Multithreading and Communication Threads

Multicore architecture optimizations for HPC applications

From single-core CPUs to detachable compute accelerators, supercomputers made a tremendous progress by using available transistors on chip and specializing hardware for a given type of computation. Today, compute nodes used in HPC employ multi-core CPUs tailored for serial execution and multiple accelerators (many-core devices or GPUs) for throughput computing. However, designing next-generation HPC system requires not only the performance improvement but also better energy efficiency. Current trend of reaching exascale level of computation asks for at least an order of magnitude increase in both of these metrics. This thesis explores HPC-specific optimizations in order to make better utilization of the available transistors and to improve performance by transparently executing parallel code across multiple GPU accelerators. First, we analyze several HPC benchmark suites, compare them against typical desktop applications, and identify the differences which advocate for proper core tailoring. Moreover, within the HPC applications, we evaluate serial and parallel code sections separately, resulting in an Asymmetric Chip Multiprocessor (ACMP) design with one core optimized for single-thread performance and many lean cores for parallel execution. Our results presented here suggests downsizing of core front-end structures providing an HPC-tailored lean core which saves 16% of the core area and 7% of power, without performance loss. Further improving an ACMP design, we identify that multiple lean cores run the same code during parallel regions. This motivated us to evaluate the idea where lean cores share the I-cache with the intent of benefiting from mutual prefetching, without increasing the average access latency. Our exploration of the multiple parameters finds the sweet spot on a wide interconnect to access the shared I-cache and the inclusion of a few line buffers to provide the required bandwidth and latency to sustain performance. The projections presented in this thesis show additional 11% area savings with a 5% energy reduction at no performance cost. These area and power savings might be attractive for many-core accelerators either for increasing the performance per area and power unit, or adding additional cores and thus improving the performance for the same hardware budget. Finally, in this thesis we study the effects of future NUMA accelerators comprised of multiple GPU devices. Reaching the limits of a single-GPU die size, next-generation GPU compute accelerators will likely embrace multi-socket designs increasing the core count and memory bandwidth. However, maintaining the UMA behavior of a single-GPU in multi-GPU systems without code rewriting stands as a challenge. We investigate multi-socket NUMA GPU designs and show that significant changes are needed to both the GPU interconnect and cache architectures to achieve performance scalability. We show that application phase effects can be exploited allowing GPU sockets to dynamically optimize their individual interconnect and cache policies, minimizing the impact of NUMA effects. Our NUMA-aware GPU outperforms a single GPU by 1.5×, 2.3×, and 3.2× while achieving 89%, 84%, and 76% of theoretical application scalability in 2, 4, and 8 sockets designs respectively. Implementable today, NUMA-aware multi-socket GPUs may be a promising candidate for performance scaling of future compute nodes used in HPC.Empezando por CPUs de un solo procesador, y pasando por aceleradores discretos, los supercomputadores han avanzado enormemente utilizando todos los transistores disponibles en el chip, y especializando los diseños para cada tipo de cálculo. Actualmente, los nodos de cálculo de un sistema de Computación de Altas Prestaciones (CAP) utilizan CPUs de múltiples procesadores, optimizados para el cálculo serial de instrucciones, y múltiples aceleradores (aceleradores gráficos, o many-core), optimizados para el cálculo paralelo. El diseño de un sistema CAP de nueva generación requiere no solo mejorar el rendimiento de cálculo, sino también mejorar la eficiencia energética. La siguiente generación de sistemas requiere mejorar un orden de magnitud en ambas métricas simultáneamente. Esta tesis doctoral explora optimizaciones específicas para sistemas CAP para hacer un mejor uso de los transistores, y para mejorar las prestaciones de forma transparente ejecutando las aplicaciones en múltiples aceleradores en paralelo. Primero, analizamos varios conjuntos de aplicaciones CAP, y las comparamos con aplicaciones para servidores y escritorio, identificando las principales diferencias que nos indican cómo ajustar la arquitectura para CAP. En las aplicaciones CAP, también analizamos la parte secuencial del código y la parte paralela de forma separada, . El resultado de este análisis nos lleva a proponer una arquitectura multiprocesador asimétrica (ACMP) , con un procesador optimizado para el código secuencial, y múltiples procesadores, más pequeños, optimizados para el procesamiento paralelo. Nuestros resultados muestran que reducir el tamaño de las estructuras del front-end (fetch, y predicción de saltos) en los procesadores paralelos nos proporciona un 16% extra de área en el chip, y una reducción de consumo del 7%. Como mejora a nuestra arquitectura ACMP, proponemos explotar el hecho de que todos los procesadores paralelos ejecutan el mismo código al mismo tiempo. Evaluamos una propuesta en que los procesadores paralelos comparten la caché de instrucciones, con la intención de que uno de ellos precargue las instrucciones para los demás procesadores (prefetching), sin aumentar la latencia media de acceso. Nuestra exploración de los distintos parámetros determina que el punto óptimo requiere una interconexión de alto ancho de banda para acceder a la caché compartida, y el uso de unos pocos line buffers para mantener el ancho de banda y la latencia necesarios. Nuestras proyecciones muestran un ahorro adicional del 11% en área y el 5% en energía, sin impacto en el rendimiento. Estos ahorros de área y energía permiten a un multiprocesador incrementar la eficiencia energética, o aumentar el rendimiento añadiendo procesador adicionales. Por último, estudiamos el efecto de usar múltiples aceleradores (GPU) en una arquitectura con tiempo de acceso a memoria no uniforme (NUMA). Una vez alcanzado el límite de número de transistores y tamaño máximo por chip, la siguiente generación de aceleradores deberá utilizar múltiples chips para aumentar el número de procesadores y el ancho de banda de acceso a memoria. Sin embargo, es muy difícil mantener la ilusión de un tiempo de acceso a memoria uniforme en un sistema multi-GPU sin reescribir el código de la aplicación. Nuestra investigación sobre sistemas multi-GPU muestra retos significativos en el diseño de la interconexión entre las GPU y la jerarquía de memorias cache. Nuestros resultados muestran que se puede explotar el comportamiento en fases de las aplicaciones para optimizar la configuración de la interconexión y las cachés de forma dinámica, minimizando el impacto de la arquitectura NUMA. Nuestro diseño mejora el rendimiento de un sistema con una única GPU en 1.5x, 2.3x y 3.2x (el 89%, 84%, y 76% del máximo teórico) usando 2, 4, y 8 GPUs en paralelo. Siendo su implementación posible hoy en dia, los nodos de cálculo con múltiples aceleradores son una alternativa atractiva para futuros sistemas CAP

Multicore architecture optimizations for HPC applications

From single-core CPUs to detachable compute accelerators, supercomputers made a tremendous progress by using available transistors on chip and specializing hardware for a given type of computation. Today, compute nodes used in HPC employ multi-core CPUs tailored for serial execution and multiple accelerators (many-core devices or GPUs) for throughput computing. However, designing next-generation HPC system requires not only the performance improvement but also better energy efficiency. Current trend of reaching exascale level of computation asks for at least an order of magnitude increase in both of these metrics. This thesis explores HPC-specific optimizations in order to make better utilization of the available transistors and to improve performance by transparently executing parallel code across multiple GPU accelerators. First, we analyze several HPC benchmark suites, compare them against typical desktop applications, and identify the differences which advocate for proper core tailoring. Moreover, within the HPC applications, we evaluate serial and parallel code sections separately, resulting in an Asymmetric Chip Multiprocessor (ACMP) design with one core optimized for single-thread performance and many lean cores for parallel execution. Our results presented here suggests downsizing of core front-end structures providing an HPC-tailored lean core which saves 16% of the core area and 7% of power, without performance loss. Further improving an ACMP design, we identify that multiple lean cores run the same code during parallel regions. This motivated us to evaluate the idea where lean cores share the I-cache with the intent of benefiting from mutual prefetching, without increasing the average access latency. Our exploration of the multiple parameters finds the sweet spot on a wide interconnect to access the shared I-cache and the inclusion of a few line buffers to provide the required bandwidth and latency to sustain performance. The projections presented in this thesis show additional 11% area savings with a 5% energy reduction at no performance cost. These area and power savings might be attractive for many-core accelerators either for increasing the performance per area and power unit, or adding additional cores and thus improving the performance for the same hardware budget. Finally, in this thesis we study the effects of future NUMA accelerators comprised of multiple GPU devices. Reaching the limits of a single-GPU die size, next-generation GPU compute accelerators will likely embrace multi-socket designs increasing the core count and memory bandwidth. However, maintaining the UMA behavior of a single-GPU in multi-GPU systems without code rewriting stands as a challenge. We investigate multi-socket NUMA GPU designs and show that significant changes are needed to both the GPU interconnect and cache architectures to achieve performance scalability. We show that application phase effects can be exploited allowing GPU sockets to dynamically optimize their individual interconnect and cache policies, minimizing the impact of NUMA effects. Our NUMA-aware GPU outperforms a single GPU by 1.5×, 2.3×, and 3.2× while achieving 89%, 84%, and 76% of theoretical application scalability in 2, 4, and 8 sockets designs respectively. Implementable today, NUMA-aware multi-socket GPUs may be a promising candidate for performance scaling of future compute nodes used in HPC.Empezando por CPUs de un solo procesador, y pasando por aceleradores discretos, los supercomputadores han avanzado enormemente utilizando todos los transistores disponibles en el chip, y especializando los diseños para cada tipo de cálculo. Actualmente, los nodos de cálculo de un sistema de Computación de Altas Prestaciones (CAP) utilizan CPUs de múltiples procesadores, optimizados para el cálculo serial de instrucciones, y múltiples aceleradores (aceleradores gráficos, o many-core), optimizados para el cálculo paralelo. El diseño de un sistema CAP de nueva generación requiere no solo mejorar el rendimiento de cálculo, sino también mejorar la eficiencia energética. La siguiente generación de sistemas requiere mejorar un orden de magnitud en ambas métricas simultáneamente. Esta tesis doctoral explora optimizaciones específicas para sistemas CAP para hacer un mejor uso de los transistores, y para mejorar las prestaciones de forma transparente ejecutando las aplicaciones en múltiples aceleradores en paralelo. Primero, analizamos varios conjuntos de aplicaciones CAP, y las comparamos con aplicaciones para servidores y escritorio, identificando las principales diferencias que nos indican cómo ajustar la arquitectura para CAP. En las aplicaciones CAP, también analizamos la parte secuencial del código y la parte paralela de forma separada, . El resultado de este análisis nos lleva a proponer una arquitectura multiprocesador asimétrica (ACMP) , con un procesador optimizado para el código secuencial, y múltiples procesadores, más pequeños, optimizados para el procesamiento paralelo. Nuestros resultados muestran que reducir el tamaño de las estructuras del front-end (fetch, y predicción de saltos) en los procesadores paralelos nos proporciona un 16% extra de área en el chip, y una reducción de consumo del 7%. Como mejora a nuestra arquitectura ACMP, proponemos explotar el hecho de que todos los procesadores paralelos ejecutan el mismo código al mismo tiempo. Evaluamos una propuesta en que los procesadores paralelos comparten la caché de instrucciones, con la intención de que uno de ellos precargue las instrucciones para los demás procesadores (prefetching), sin aumentar la latencia media de acceso. Nuestra exploración de los distintos parámetros determina que el punto óptimo requiere una interconexión de alto ancho de banda para acceder a la caché compartida, y el uso de unos pocos line buffers para mantener el ancho de banda y la latencia necesarios. Nuestras proyecciones muestran un ahorro adicional del 11% en área y el 5% en energía, sin impacto en el rendimiento. Estos ahorros de área y energía permiten a un multiprocesador incrementar la eficiencia energética, o aumentar el rendimiento añadiendo procesador adicionales. Por último, estudiamos el efecto de usar múltiples aceleradores (GPU) en una arquitectura con tiempo de acceso a memoria no uniforme (NUMA). Una vez alcanzado el límite de número de transistores y tamaño máximo por chip, la siguiente generación de aceleradores deberá utilizar múltiples chips para aumentar el número de procesadores y el ancho de banda de acceso a memoria. Sin embargo, es muy difícil mantener la ilusión de un tiempo de acceso a memoria uniforme en un sistema multi-GPU sin reescribir el código de la aplicación. Nuestra investigación sobre sistemas multi-GPU muestra retos significativos en el diseño de la interconexión entre las GPU y la jerarquía de memorias cache. Nuestros resultados muestran que se puede explotar el comportamiento en fases de las aplicaciones para optimizar la configuración de la interconexión y las cachés de forma dinámica, minimizando el impacto de la arquitectura NUMA. Nuestro diseño mejora el rendimiento de un sistema con una única GPU en 1.5x, 2.3x y 3.2x (el 89%, 84%, y 76% del máximo teórico) usando 2, 4, y 8 GPUs en paralelo. Siendo su implementación posible hoy en dia, los nodos de cálculo con múltiples aceleradores son una alternativa atractiva para futuros sistemas CAP.Postprint (published version