Dataflow Computing with Polymorphic Registers

Heterogeneous systems are becoming increasingly popular for data processing. They improve performance of simple kernels applied to large amounts of data. However, sequential data loads may have negative impact. Data parallel solutions such as Polymorphic Register Files (PRFs) can potentially accelerate applications by facilitating high speed, parallel access to performance-critical data. Furthermore, by PRF customization, specific data path features are exposed to the programmer in a very convenient way. PRFs allow additional control over the registers dimensions, and the number of elements which can be simultaneously accessed by computational units. This paper shows how PRFs can be integrated in dataflow computational platforms. In particular, starting from an annotated source code, we present a compiler-based methodology that automatically generates the customized PRFs and the enhanced computational kernels that efficiently exploit them

The Case for Polymorphic Registers in Dataflow Computing

Heterogeneous systems are becoming increasingly popular, delivering high performance through hardware specialization. However, sequential data accesses may have a negative impact on performance. Data parallel solutions such as Polymorphic Register Files (PRFs) can potentially accelerate applications by facilitating high-speed, parallel access to performance-critical data. This article shows how PRFs can be integrated into dataflow computational platforms. Our semi-automatic, compiler-based methodology generates customized PRFs and modifies the computational kernels to efficiently exploit them. We use a separable 2D convolution case study to evaluate the impact of memory latency and bandwidth on performance compared to a state-of-the-art NVIDIA Tesla C2050 GPU. We improve the throughput up to 56.17X and show that the PRF-augmented system outperforms the GPU for 9×9 or larger mask sizes, even in bandwidth-constrained systems

LEGaTO: first steps towards energy-efficient toolset for heterogeneous computing

LEGaTO is a three-year EU H2020 project which started in December 2017. The LEGaTO project will leverage task-based programming models to provide a software ecosystem for Made-in-Europe heterogeneous hardware composed of CPUs, GPUs, FPGAs and dataflow engines. The aim is to attain one order of magnitude energy savings from the edge to the converged cloud/HPC.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Extensible Languages for Flexible and Principled Domain Abstraction

Die meisten Programmiersprachen werden als Universalsprachen entworfen. Unabhängig von der zu entwickelnden Anwendung, stellen sie die gleichen Sprachfeatures und Sprachkonstrukte zur Verfügung. Solch universelle Sprachfeatures ignorieren jedoch die spezifischen Anforderungen, die viele Softwareprojekte mit sich bringen. Als Gegenkraft zu Universalsprachen fördern domänenspezifische Programmiersprachen, modellgetriebene Softwareentwicklung und sprachorientierte Programmierung die Verwendung von Domänenabstraktion, welche den Einsatz von domänenspezifischen Sprachfeatures und Sprachkonstrukten ermöglicht. Insbesondere erlaubt Domänenabstraktion Programmieren auf dem selben Abstraktionsniveau zu programmieren wie zu denken und vermeidet dadurch die Notwendigkeit Domänenkonzepte mit universalsprachlichen Features zu kodieren. Leider ermöglichen aktuelle Ansätze zur Domänenabstraktion nicht die Entfaltung ihres ganzen Potentials. Einerseits mangelt es den Ansätzen für interne domänenspezifische Sprachen an Flexibilität bezüglich der Syntax, statischer Analysen, und Werkzeugunterstützung, was das tatsächlich erreichte Abstraktionsniveau beschränkt. Andererseits mangelt es den Ansätzen für externe domänenspezifische Sprachen an wichtigen Prinzipien, wie beispielsweise modularem Schließen oder Komposition von Domänenabstraktionen, was die Anwendbarkeit dieser Ansätze in der Entwicklung größerer Softwaresysteme einschränkt. Wir verfolgen in der vorliegenden Doktorarbeit einen neuartigen Ansatz, welcher die Vorteile von internen und externen domänenspezifischen Sprachen vereint um flexible und prinzipientreue Domänenabstraktion zu unterstützen. Wir schlagen bibliotheksbasierte erweiterbare Programmiersprachen als Grundlage für Domänenabstraktion vor. In einer erweiterbaren Sprache kann Domänenabstraktion durch die Erweiterung der Sprache mit domänenspezifischer Syntax, statischer Analyse, und Werkzeugunterstützung erreicht werden . Dies ermöglicht Domänenabstraktionen die selbe Flexibilität wie externe domänenspezifische Sprachen. Um die Einhaltung üblicher Prinzipien zu gewährleisten, organisieren wir Spracherweiterungen als Bibliotheken und verwenden einfache Import-Anweisungen zur Aktivierung von Erweiterungen. Dies erlaubt modulares Schließen (durch die Inspektion der Import-Anweisungen), unterstützt die Komposition von Domänenabstraktionen (durch das Importieren mehrerer Erweiterungen), und ermöglicht die uniforme Selbstanwendbarkeit von Spracherweiterungen in der Entwicklung zukünftiger Erweiterungen (durch das Importieren von Erweiterungen in einer Erweiterungsdefinition). Die Organisation von Erweiterungen in Form von Bibliotheken ermöglicht Domänenabstraktionen die selbe Prinzipientreue wie interne domänenspezifische Sprachen. Wir haben die bibliotheksbasierte erweiterbare Programmiersprache SugarJ entworfen und implementiert. SugarJ Bibliotheken können Erweiterungen der Syntax, der statischen Analyse, und der Werkzeugunterstützung von SugarJ deklarieren. Eine syntaktische Erweiterung besteht dabei aus einer erweiterten Syntax und einer Transformation der erweiterten Syntax in die Basissyntax von SugarJ. Eine Erweiterung der Analyse testet Teile des abstrakten Syntaxbaums der aktuellen Datei und produziert eine Liste von Fehlern. Eine Erweiterung der Werkzeugunterstützung deklariert Dienste wie Syntaxfärbung oder Codevervollständigung für bestimmte Sprachkonstrukte. SugarJ Erweiterungen sind vollkommen selbstanwendbar: Eine erweiterte Syntax kann in eine Erweiterungsdefinition transformiert werden, eine erweiterte Analyse kann Erweiterungsdefinitionen testen, und eine erweiterte Werkzeugunterstützung kann Entwicklern beim Definieren von Erweiterungen assistieren. Um eine Quelldatei mit Erweiterungen zu verarbeiten, inspizieren der SugarJ Compiler und die SugarJ IDE die importierten Bibliotheken um die aktiven Erweiterungen zu bestimmen. Der Compiler und die IDE adaptieren den Parser, den Codegenerator, die Analyseroutine und die Werkzeugunterstützung der Quelldatei entsprechend der aktiven Erweiterungen. Wir beschreiben in der vorliegenden Doktorarbeit nicht nur das Design und die Implementierung von SugarJ, sondern berichten darüber hinaus über Erweiterungen unseres ursprünglich Designs. Insbesondere haben wir eine Generalisierung des SugarJ Compilers entworfen und implementiert, die neben Java alternative Basissprachen unterstützt. Wir haben diese Generalisierung verwendet um die bibliotheksbasierten erweiterbaren Programmiersprachen SugarHaskell, SugarProlog, und SugarFomega zu entwickeln. Weiterhin haben wir SugarJ ergänzt um polymorphe Domänenabstraktion und Kommunikationsintegrität zu unterstützen. Polymorphe Domänenabstraktion ermöglicht Programmierern mehrere Transformationen für die selbe domänenspezifische Syntax bereitzustellen. Dies erhöht die Flexibilität von SugarJ und unterstützt bekannte Szenarien aus der modellgetriebenen Entwicklung. Kommunikationsintegrität spezifiziert, dass die Komponenten eines Softwaresystems nur über explizite Kanäle kommunizieren dürfen. Im Kontext von Codegenerierung stellt dies eine interessante Eigenschaft dar, welche die Generierung von impliziten Modulabhängigkeiten untersagt. Wir haben Kommunikationsintegrität als weiteres Prinzip zu SugarJ hinzugefügt. Basierend auf SugarJ und zahlreicher Fallstudien argumentieren wir, dass flexible und prinzipientreue Domänenabstraktion ein skalierbares Programmiermodell für die Entwicklung komplexer Softwaresysteme darstellt

Compilation and Code Optimization for Data Analytics

The trade-offs between the use of modern high-level and low-level programming languages in constructing complex software artifacts are well known. High-level languages allow for greater programmer productivity: abstraction and genericity allow for the same functionality to be implemented with significantly less code compared to low-level languages. Modularity, object-orientation, functional programming, and powerful type systems allow programmers not only to create clean abstractions and protect them from leaking, but also to define code units that are reusable and easily composable, and software architectures that are adaptable and extensible. The abstraction, succinctness, and modularity of high-level code help to avoid software bugs and facilitate debugging and maintenance. The use of high-level languages comes at a performance cost: increased indirection due to abstraction, virtualization, and interpretation, and superfluous work, particularly in the form of tempory memory allocation and deallocation to support objects and encapsulation. As a result of this, the cost of high-level languages for performance-critical systems may seem prohibitive. The vision of abstraction without regret argues that it is possible to use high-level languages for building performance-critical systems that allow for both productivity and high performance, instead of trading off the former for the latter. In this thesis, we realize this vision for building different types of data analytics systems. Our means of achieving this is by employing compilation. The goal is to compile away expensive language features -- to compile high-level code down to efficient low-level code

Compilation and Code Optimization for Data Analytics

The trade-offs between the use of modern high-level and low-level programming languages in constructing complex software artifacts are well known. High-level languages allow for greater programmer productivity: abstraction and genericity allow for the same functionality to be implemented with significantly less code compared to low-level languages. Modularity, object-orientation, functional programming, and powerful type systems allow programmers not only to create clean abstractions and protect them from leaking, but also to define code units that are reusable and easily composable, and software architectures that are adaptable and extensible. The abstraction, succinctness, and modularity of high-level code help to avoid software bugs and facilitate debugging and maintenance. The use of high-level languages comes at a performance cost: increased indirection due to abstraction, virtualization, and interpretation, and superfluous work, particularly in the form of tempory memory allocation and deallocation to support objects and encapsulation. As a result of this, the cost of high-level languages for performance-critical systems may seem prohibitive. The vision of abstraction without regret argues that it is possible to use high-level languages for building performance-critical systems that allow for both productivity and high performance, instead of trading off the former for the latter. In this thesis, we realize this vision for building different types of data analytics systems. Our means of achieving this is by employing compilation. The goal is to compile away expensive language features -- to compile high-level code down to efficient low-level code

Versatile event correlation with algebraic effects

We present the first language design to uniformly express variants of n -way joins over asynchronous event streams from different domains, e.g., stream-relational algebra, event processing, reactive and concurrent programming. We model asynchronous reactive programs and joins in direct style, on top of algebraic effects and handlers. Effect handlers act as modular interpreters of event notifications, enabling fine-grained control abstractions and customizable event matching. Join variants can be considered as cartesian product computations with ”degenerate” control flow, such that unnecessary tuples are not materialized a priori. Based on this computational interpretation, we decompose joins into a generic, naive enumeration procedure of the cartesian product, plus variant-specific extensions, represented in terms of user-supplied effect handlers. Our microbenchmarks validate that this extensible design avoids needless materialization. Alongside a formal semantics for joining and prototypes in Koka and multicore OCaml, we contribute a systematic comparison of the covered domains and features. ERC, Advanced Grant No. 321217 ERC, Consolidator Grant No. 617805 DFG, SFB 1053 DFG, SA 2918/2-