Maintaining High Performance Across All Problem Sizes and Parallel Scales Using Microkernel-based Linear Algebra

Linear algebra underlies a large proportion of computational problems. With the continuous increase of scale on modern hardware, performance of small sized linear algebra has become increasingly important. To overcome the shortcomings of conventional approaches, we employ a new approach using a microkernel framework provided by ATLAS to improve the performance of a few linear algebra routines for all problem sizes. Our initial research consists of improving the performance of parallel LU factorization in ATLAS for which we were able to achieve up to 2.07x and 2.66x speedup for small problems, up to 91% and 87% of theoretical peak performance for asymptotic problems on a 12-core Intel Xeon and a 32-core AMD Opteron machine, respectively, outperforming all the state-of-the-art libraries at the time. Such performance was achieved via an exhaustive search of all the tuning parameters, which could take days. This motivated us to try to develop a computational model for our LU factorization that could predict those parameters by combining some basic empirical timings and a theoretical model based on the amount of required computations. While our model provided good prediction for mid-to-asymptotic sized problems, there were some unknown factors for small problems that could possibly be answered by extending the ATLAS tuning framework. While this extension is underway, we decided to pursue the model research using simpler serial BLAS-based approach. We investigated and implemented two Level-3 BLAS routines: TRSM and TRMM that are widely used primarily by LAPACK operations like the aforementioned LU factorization. With the microkernel-based approach, we were able to improve the performance of both routines by up to 15% and 73% for square and fat problems, respectively, over prior ATLAS implementations on modern hardware. Finally, with a collaborative research with ARM Inc., we improved the performance of the most important Level-3 BLAS operation GEMM in ATLAS by up to 53% via implementing microkernels for two 64-bit ARM architectures. This automatically improves other BLAS and LAPACK routines that rely on GEMM for high performance

Dense and sparse parallel linear algebra algorithms on graphics processing units

Una línea de desarrollo seguida en el campo de la supercomputación es el uso de procesadores de propósito específico para acelerar determinados tipos de cálculo. En esta tesis estudiamos el uso de tarjetas gráficas como aceleradores de la computación y lo aplicamos al ámbito del álgebra lineal. En particular trabajamos con la biblioteca SLEPc para resolver problemas de cálculo de autovalores en matrices de gran dimensión, y para aplicar funciones de matrices en los cálculos de aplicaciones científicas. SLEPc es una biblioteca paralela que se basa en el estándar MPI y está desarrollada con la premisa de ser escalable, esto es, de permitir resolver problemas más grandes al aumentar las unidades de procesado. El problema lineal de autovalores, Ax = lambda x en su forma estándar, lo abordamos con el uso de técnicas iterativas, en concreto con métodos de Krylov, con los que calculamos una pequeña porción del espectro de autovalores. Este tipo de algoritmos se basa en generar un subespacio de tamaño reducido (m) en el que proyectar el problema de gran dimensión (n), siendo m << n. Una vez se ha proyectado el problema, se resuelve este mediante métodos directos, que nos proporcionan aproximaciones a los autovalores del problema inicial que queríamos resolver. Las operaciones que se utilizan en la expansión del subespacio varían en función de si los autovalores deseados están en el exterior o en el interior del espectro. En caso de buscar autovalores en el exterior del espectro, la expansión se hace mediante multiplicaciones matriz-vector. Esta operación la realizamos en la GPU, bien mediante el uso de bibliotecas o mediante la creación de funciones que aprovechan la estructura de la matriz. En caso de autovalores en el interior del espectro, la expansión requiere resolver sistemas de ecuaciones lineales. En esta tesis implementamos varios algoritmos para la resolución de sistemas de ecuaciones lineales para el caso específico de matrices con estructura tridiagonal a bloques, que se ejecutan en GPU. En el cálculo de las funciones de matrices hemos de diferenciar entre la aplicación directa de una función sobre una matriz, f(A), y la aplicación de la acción de una función de matriz sobre un vector, f(A)b. El primer caso implica un cálculo denso que limita el tamaño del problema. El segundo permite trabajar con matrices dispersas grandes, y para resolverlo también hacemos uso de métodos de Krylov. La expansión del subespacio se hace mediante multiplicaciones matriz-vector, y hacemos uso de GPUs de la misma forma que al resolver autovalores. En este caso el problema proyectado comienza siendo de tamaño m, pero se incrementa en m en cada reinicio del método. La resolución del problema proyectado se hace aplicando una función de matriz de forma directa. Nosotros hemos implementado varios algoritmos para calcular las funciones de matrices raíz cuadrada y exponencial, en las que el uso de GPUs permite acelerar el cálculo.One line of development followed in the field of supercomputing is the use of specific purpose processors to speed up certain types of computations. In this thesis we study the use of graphics processing units as computer accelerators and apply it to the field of linear algebra. In particular, we work with the SLEPc library to solve large scale eigenvalue problems, and to apply matrix functions in scientific applications. SLEPc is a parallel library based on the MPI standard and is developed with the premise of being scalable, i.e. to allow solving larger problems by increasing the processing units. We address the linear eigenvalue problem, Ax = lambda x in its standard form, using iterative techniques, in particular with Krylov's methods, with which we calculate a small portion of the eigenvalue spectrum. This type of algorithms is based on generating a subspace of reduced size (m) in which to project the large dimension problem (n), being m << n. Once the problem has been projected, it is solved by direct methods, which provide us with approximations of the eigenvalues of the initial problem we wanted to solve. The operations used in the expansion of the subspace vary depending on whether the desired eigenvalues are from the exterior or from the interior of the spectrum. In the case of searching for exterior eigenvalues, the expansion is done by matrix-vector multiplications. We do this on the GPU, either by using libraries or by creating functions that take advantage of the structure of the matrix. In the case of eigenvalues from the interior of the spectrum, the expansion requires solving linear systems of equations. In this thesis we implemented several algorithms to solve linear systems of equations for the specific case of matrices with a block-tridiagonal structure, that are run on GPU. In the computation of matrix functions we have to distinguish between the direct application of a matrix function, f(A), and the action of a matrix function on a vector, f(A)b. The first case involves a dense computation that limits the size of the problem. The second allows us to work with large sparse matrices, and to solve it we also make use of Krylov's methods. The expansion of subspace is done by matrix-vector multiplication, and we use GPUs in the same way as when solving eigenvalues. In this case the projected problem starts being of size m, but it is increased by m on each restart of the method. The solution of the projected problem is done by directly applying a matrix function. We have implemented several algorithms to compute the square root and the exponential matrix functions, in which the use of GPUs allows us to speed up the computation.Una línia de desenvolupament seguida en el camp de la supercomputació és l'ús de processadors de propòsit específic per a accelerar determinats tipus de càlcul. En aquesta tesi estudiem l'ús de targetes gràfiques com a acceleradors de la computació i ho apliquem a l'àmbit de l'àlgebra lineal. En particular treballem amb la biblioteca SLEPc per a resoldre problemes de càlcul d'autovalors en matrius de gran dimensió, i per a aplicar funcions de matrius en els càlculs d'aplicacions científiques. SLEPc és una biblioteca paral·lela que es basa en l'estàndard MPI i està desenvolupada amb la premissa de ser escalable, açò és, de permetre resoldre problemes més grans en augmentar les unitats de processament. El problema lineal d'autovalors, Ax = lambda x en la seua forma estàndard, ho abordem amb l'ús de tècniques iteratives, en concret amb mètodes de Krylov, amb els quals calculem una xicoteta porció de l'espectre d'autovalors. Aquest tipus d'algorismes es basa a generar un subespai de grandària reduïda (m) en el qual projectar el problema de gran dimensió (n), sent m << n. Una vegada s'ha projectat el problema, es resol aquest mitjançant mètodes directes, que ens proporcionen aproximacions als autovalors del problema inicial que volíem resoldre. Les operacions que s'utilitzen en l'expansió del subespai varien en funció de si els autovalors desitjats estan en l'exterior o a l'interior de l'espectre. En cas de cercar autovalors en l'exterior de l'espectre, l'expansió es fa mitjançant multiplicacions matriu-vector. Aquesta operació la realitzem en la GPU, bé mitjançant l'ús de biblioteques o mitjançant la creació de funcions que aprofiten l'estructura de la matriu. En cas d'autovalors a l'interior de l'espectre, l'expansió requereix resoldre sistemes d'equacions lineals. En aquesta tesi implementem diversos algorismes per a la resolució de sistemes d'equacions lineals per al cas específic de matrius amb estructura tridiagonal a blocs, que s'executen en GPU. En el càlcul de les funcions de matrius hem de diferenciar entre l'aplicació directa d'una funció sobre una matriu, f(A), i l'aplicació de l'acció d'una funció de matriu sobre un vector, f(A)b. El primer cas implica un càlcul dens que limita la grandària del problema. El segon permet treballar amb matrius disperses grans, i per a resoldre-ho també fem ús de mètodes de Krylov. L'expansió del subespai es fa mitjançant multiplicacions matriu-vector, i fem ús de GPUs de la mateixa forma que en resoldre autovalors. En aquest cas el problema projectat comença sent de grandària m, però s'incrementa en m en cada reinici del mètode. La resolució del problema projectat es fa aplicant una funció de matriu de forma directa. Nosaltres hem implementat diversos algorismes per a calcular les funcions de matrius arrel quadrada i exponencial, en les quals l'ús de GPUs permet accelerar el càlcul.Lamas Daviña, A. (2018). Dense and sparse parallel linear algebra algorithms on graphics processing units [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/112425TESI

Task-based multifrontal QR solver for heterogeneous architectures

Afin de s'adapter aux architectures multicoeurs et aux machines de plus en plus complexes, les modèles de programmations basés sur un parallélisme de tâche ont gagné en popularité dans la communauté du calcul scientifique haute performance. Les moteurs d'exécution fournissent une interface de programmation qui correspond à ce paradigme ainsi que des outils pour l'ordonnancement des tâches qui définissent l'application. Dans cette étude, nous explorons la conception de solveurs directes creux à base de tâches, qui représentent une charge de travail extrêmement irrégulière, avec des tâches de granularités et de caractéristiques différentes ainsi qu'une consommation mémoire variable, au-dessus d'un moteur d'exécution. Dans le cadre du solveur qr mumps, nous montrons dans un premier temps la viabilité et l'efficacité de notre approche avec l'implémentation d'une méthode multifrontale pour la factorisation de matrices creuses, en se basant sur le modèle de programmation parallèle appelé "flux de tâches séquentielles" (Sequential Task Flow). Cette approche, nous a ensuite permis de développer des fonctionnalités telles que l'intégration de noyaux dense de factorisation de type "minimisation de cAfin de s'adapter aux architectures multicoeurs et aux machines de plus en plus complexes, les modèles de programmations basés sur un parallélisme de tâche ont gagné en popularité dans la communauté du calcul scientifique haute performance. Les moteurs d'exécution fournissent une interface de programmation qui correspond à ce paradigme ainsi que des outils pour l'ordonnancement des tâches qui définissent l'application. Dans cette étude, nous explorons la conception de solveurs directes creux à base de tâches, qui représentent une charge de travail extrêmement irrégulière, avec des tâches de granularités et de caractéristiques différentes ainsi qu'une consommation mémoire variable, au-dessus d'un moteur d'exécution. Dans le cadre du solveur qr mumps, nous montrons dans un premier temps la viabilité et l'efficacité de notre approche avec l'implémentation d'une méthode multifrontale pour la factorisation de matrices creuses, en se basant sur le modèle de programmation parallèle appelé "flux de tâches séquentielles" (Sequential Task Flow). Cette approche, nous a ensuite permis de développer des fonctionnalités telles que l'intégration de noyaux dense de factorisation de type "minimisation de cAfin de s'adapter aux architectures multicoeurs et aux machines de plus en plus complexes, les modèles de programmations basés sur un parallélisme de tâche ont gagné en popularité dans la communauté du calcul scientifique haute performance. Les moteurs d'exécution fournissent une interface de programmation qui correspond à ce paradigme ainsi que des outils pour l'ordonnancement des tâches qui définissent l'application. !!br0ken!!ommunications" (Communication Avoiding) dans la méthode multifrontale, permettant d'améliorer considérablement la scalabilité du solveur par rapport a l'approche original utilisée dans qr mumps. Nous introduisons également un algorithme d'ordonnancement sous contraintes mémoire au sein de notre solveur, exploitable dans le cas des architectures multicoeur, réduisant largement la consommation mémoire de la méthode multifrontale QR avec un impacte négligeable sur les performances. En utilisant le modèle présenté ci-dessus, nous visons ensuite l'exploitation des architectures hétérogènes pour lesquelles la granularité des tâches ainsi les stratégies l'ordonnancement sont cruciales pour profiter de la puissance de ces architectures. Nous proposons, dans le cadre de la méthode multifrontale, un partitionnement hiérarchique des données ainsi qu'un algorithme d'ordonnancement capable d'exploiter l'hétérogénéité des ressources. Enfin, nous présentons une étude sur la reproductibilité de l'exécution parallèle de notre problème et nous montrons également l'utilisation d'un modèle de programmation alternatif pour l'implémentation de la méthode multifrontale. L'ensemble des résultats expérimentaux présentés dans cette étude sont évalués avec une analyse détaillée des performance que nous proposons au début de cette étude. Cette analyse de performance permet de mesurer l'impacte de plusieurs effets identifiés sur la scalabilité et la performance de nos algorithmes et nous aide ainsi à comprendre pleinement les résultats obtenu lors des tests effectués avec notre solveur.To face the advent of multicore processors and the ever increasing complexity of hardware architectures, programming models based on DAG parallelism regained popularity in the high performance, scientific computing community. Modern runtime systems offer a programming interface that complies with this paradigm and powerful engines for scheduling the tasks into which the application is decomposed. These tools have already proved their effectiveness on a number of dense linear algebra applications. In this study we investigate the design of task-based sparse direct solvers which constitute extremely irregular workloads, with tasks of different granularities and characteristics with variable memory consumption on top of runtime systems. In the context of the qr mumps solver, we prove the usability and effectiveness of our approach with the implementation of a sparse matrix multifrontal factorization based on a Sequential Task Flow parallel programming model. Using this programming model, we developed features such as the integration of dense 2D Communication Avoiding algorithms in the multifrontal method allowing for better scalability compared to the original approach used in qr mumps. In addition we introduced a memory-aware algorithm to control the memory behaviour of our solver and show, in the context of multicore architectures, an important reduction of the memory footprint for the multifrontal QR factorization with a small impact on performance. Following this approach, we move to heterogeneous architectures where task granularity and scheduling strategies are critical to achieve performance. We present, for the multifrontal method, a hierarchical strategy for data partitioning and a scheduling algorithm capable of handling the heterogeneity of resources. Finally we present a study on the reproducibility of executions and the use of alternative programming models for the implementation of the multifrontal method. All the experimental results presented in this study are evaluated with a detailed performance analysis measuring the impact of several identified effects on the performance and scalability. Thanks to this original analysis, presented in the first part of this study, we are capable of fully understanding the results obtained with our solver

Towards Closing the Programmability-Efficiency Gap using Software-Defined Hardware

The past decade has seen the breakdown of two important trends in the computing industry: Moore’s law, an observation that the number of transistors in a chip roughly doubles every eighteen months, and Dennard scaling, that enabled the use of these transistors within a constant power budget. This has caused a surge in domain-specific accelerators, i.e. specialized hardware that deliver significantly better energy efficiency than general-purpose processors, such as CPUs. While the performance and efficiency of such accelerators are highly desirable, the fast pace of algorithmic innovation and non-recurring engineering costs have deterred their widespread use, since they are only programmable across a narrow set of applications. This has engendered a programmability-efficiency gap across contemporary platforms. A practical solution that can close this gap is thus lucrative and is likely to engender broad impact in both academic research and the industry. This dissertation proposes such a solution with a reconfigurable Software-Defined Hardware (SDH) system that morphs parts of the hardware on-the-fly to tailor to the requirements of each application phase. This system is designed to deliver near-accelerator-level efficiency across a broad set of applications, while retaining CPU-like programmability. The dissertation first presents a fixed-function solution to accelerate sparse matrix multiplication, which forms the basis of many applications in graph analytics and scientific computing. The solution consists of a tiled hardware architecture, co-designed with the outer product algorithm for Sparse Matrix-Matrix multiplication (SpMM), that uses on-chip memory reconfiguration to accelerate each phase of the algorithm. A proof-of-concept is then presented in the form of a prototyped 40 nm Complimentary Metal-Oxide Semiconductor (CMOS) chip that demonstrates energy efficiency and performance per die area improvements of 12.6x and 17.1x over a high-end CPU, and serves as a stepping stone towards a full SDH system. The next piece of the dissertation enhances the proposed hardware with reconfigurability of the dataflow and resource sharing modes, in order to extend acceleration support to a set of common parallelizable workloads. This reconfigurability lends the system the ability to cater to discrete data access and compute patterns, such as workloads with extensive data sharing and reuse, workloads with limited reuse and streaming access patterns, among others. Moreover, this system incorporates commercial cores and a prototyped software stack for CPU-level programmability. The proposed system is evaluated on a diverse set of compute-bound and memory-bound kernels that compose applications in the domains of graph analytics, machine learning, image and language processing. The evaluation shows average performance and energy-efficiency gains of 5.0x and 18.4x over the CPU. The final part of the dissertation proposes a runtime control framework that uses low-cost monitoring of hardware performance counters to predict the next best configuration and reconfigure the hardware, upon detecting a change in phase or nature of data within the application. In comparison to prior work, this contribution targets multicore CGRAs, uses low-overhead decision tree based predictive models, and incorporates reconfiguration cost-awareness into its policies. Compared to the best-average static (non-reconfiguring) configuration, the dynamically reconfigurable system achieves a 1.6x improvement in performance-per-Watt in the Energy-Efficient mode of operation, or the same performance with 23% lower energy in the Power-Performance mode, for SpMM across a suite of real-world inputs. The proposed reconfiguration mechanism itself outperforms the state-of-the-art approach for dynamic runtime control by up to 2.9x in terms of energy-efficiency.PHDComputer Science & EngineeringUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttp://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/169859/1/subh_1.pd

Un framework pour l'exécution efficace d'applications sur GPU et CPU+GPU

Technological limitations faced by the semi-conductor manufacturers in the early 2000's restricted the increase in performance of the sequential computation units. Nowadays, the trend is to increase the number of processor cores per socket and to progressively use the GPU cards for highly parallel computations. Complexity of the recent architectures makes it difficult to statically predict the performance of a program. We describe a reliable and accurate parallel loop nests execution time prediction method on GPUs based on three stages: static code generation, offline profiling, and online prediction. In addition, we present two techniques to fully exploit the computing resources at disposal on a system. The first technique consists in jointly using CPU and GPU for executing a code. In order to achieve higher performance, it is mandatory to consider load balance, in particular by predicting execution time. The runtime uses the profiling results and the scheduler computes the execution times and adjusts the load distributed to the processors. The second technique, puts CPU and GPU in a competition: instances of the considered code are simultaneously executed on CPU and GPU. The winner of the competition notifies its completion to the other instance, implying the termination of the latter.Les verrous technologiques rencontrés par les fabricants de semi-conducteurs au début des années deux-mille ont abrogé la flambée des performances des unités de calculs séquentielles. La tendance actuelle est à la multiplication du nombre de cœurs de processeur par socket et à l'utilisation progressive des cartes GPU pour des calculs hautement parallèles. La complexité des architectures récentes rend difficile l'estimation statique des performances d'un programme. Nous décrivons une méthode fiable et précise de prédiction du temps d'exécution de nids de boucles parallèles sur GPU basée sur trois étapes : la génération de code, le profilage offline et la prédiction online. En outre, nous présentons deux techniques pour exploiter l'ensemble des ressources disponibles d'un système pour la performance. La première consiste en l'utilisation conjointe des CPUs et GPUs pour l'exécution d'un code. Afin de préserver les performances il est nécessaire de considérer la répartition de charge, notamment en prédisant les temps d'exécution. Le runtime utilise les résultats du profilage et un ordonnanceur calcule des temps d'exécution et ajuste la charge distribuée aux processeurs. La seconde technique présentée met le CPU et le GPU en compétition : des instances du code cible sont exécutées simultanément sur CPU et GPU. Le vainqueur de la compétition notifie sa complétion à l'autre instance, impliquant son arrêt

Solveur multifrontal QR à base de tâches pour architectures hétérogènes

To face the advent of multicore processors and the ever increasing complexity of hardware architectures, programming models based on DAG parallelism regained popularity in the high performance, scientific computing community. Modern runtime systems offer a programming interface that complies with this paradigm and powerful engines for scheduling the tasks into which the application is decomposed. These tools have already proved their effectiveness on a number of dense linear algebra applications. In this study we investigate the design of task-based sparse direct solvers which constitute extremely irregular workloads, with tasks of different granularities and characteristics with variable memory consumption on top of runtime systems. In the context of the qr mumps solver, we prove the usability and effectiveness of our approach with the implementation of a sparse matrix multifrontal factorization based on a Sequential Task Flow parallel programming model. Using this programming model, we developed features such as the integration of dense 2D Communication Avoiding algorithms in the multifrontal method allowing for better scalability compared to the original approach used in qr mumps. In addition we introduced a memory-aware algorithm to control the memory behaviour of our solver and show, in the context of multicore architectures, an important reduction of the memory footprint for the multifrontal QR factorization with a small impact on performance. Following this approach, we move to heterogeneous architectures where task granularity and scheduling strategies are critical to achieve performance. We present, for the multifrontal method, a hierarchical strategy for data partitioning and a scheduling algorithm capable of handling the heterogeneity of resources. Finally we present a study on the reproducibility of executions and the use of alternative programming models for the implementation of the multifrontal method. All the experimental results presented in this study are evaluated with a detailed performance analysis measuring the impact of several identified effects on the performance and scalability. Thanks to this original analysis, presented in the first part of this study, we are capable of fully understanding the results obtained with our solver.Afin de s'adapter aux architectures multicoeurs et aux machines de plus en plus complexes, les modèles de programmations basés sur un parallélisme de tâche ont gagné en popularité dans la communauté du calcul scientifique haute performance. Les moteurs d'exécution fournissent une interface de programmation qui correspond à ce paradigme ainsi que des outils pour l'ordonnancement des tâches qui définissent l'application. Dans cette étude, nous explorons la conception de solveurs directes creux à base de tâches, qui représentent une charge de travail extrêmement irrégulière, avec des tâches de granularités et de caractéristiques différentes ainsi qu'une consommation mémoire variable, au-dessus d'un moteur d'exécution. Dans le cadre du solveur qr mumps, nous montrons dans un premier temps la viabilité et l'efficacité de notre approche avec l'implémentation d'une méthode multifrontale pour la factorisation de matrices creuses, en se basant sur le modèle de programmation parallèle appelé "flux de tâches séquentielles" (Sequential Task Flow). Cette approche, nous a ensuite permis de développer des fonctionnalités telles que l'intégration de noyaux dense de factorisation de type "minimisation de cAfin de s'adapter aux architectures multicoeurs et aux machines de plus en plus complexes, les modèles de programmations basés sur un parallélisme de tâche ont gagné en popularité dans la communauté du calcul scientifique haute performance. Les moteurs d'exécution fournissent une interface de programmation qui correspond à ce paradigme ainsi que des outils pour l'ordonnancement des tâches qui définissent l'application. Dans cette étude, nous explorons la conception de solveurs directes creux à base de tâches, qui représentent une charge de travail extrêmement irrégulière, avec des tâches de granularités et de caractéristiques différentes ainsi qu'une consommation mémoire variable, au-dessus d'un moteur d'exécution. Dans le cadre du solveur qr mumps, nous montrons dans un premier temps la viabilité et l'efficacité de notre approche avec l'implémentation d'une méthode multifrontale pour la factorisation de matrices creuses, en se basant sur le modèle de programmation parallèle appelé "flux de tâches séquentielles" (Sequential Task Flow). Cette approche, nous a ensuite permis de développer des fonctionnalités telles que l'intégration de noyaux dense de factorisation de type "minimisation de cAfin de s'adapter aux architectures multicoeurs et aux machines de plus en plus complexes, les modèles de programmations basés sur un parallélisme de tâche ont gagné en popularité dans la communauté du calcul scientifique haute performance. Les moteurs d'exécution fournissent une interface de programmation qui correspond à ce paradigme ainsi que des outils pour l'ordonnancement des tâches qui définissent l'application

Effective data parallel computing on multicore processors

The rise of chip multiprocessing or the integration of multiple general purpose processing cores on a single chip (multicores), has impacted all computing platforms including high performance, servers, desktops, mobile, and embedded processors. Programmers can no longer expect continued increases in software performance without developing parallel, memory hierarchy friendly software that can effectively exploit the chip level multiprocessing paradigm of multicores. The goal of this dissertation is to demonstrate a design process for data parallel problems that starts with a sequential algorithm and ends with a high performance implementation on a multicore platform. Our design process combines theoretical algorithm analysis with practical optimization techniques. Our target multicores are quad-core processors from Intel and the eight-SPE IBM Cell B.E. Target applications include Matrix Multiplications (MM), Finite Difference Time Domain (FDTD), LU Decomposition (LUD), and Power Flow Solver based on Gauss-Seidel (PFS-GS) algorithms. These applications are popular computation methods in science and engineering problems and are characterized by unit-stride (MM, LUD, and PFS-GS) or 2-point stencil (FDTD) memory access pattern. The main contributions of this dissertation include a cache- and space-efficient algorithm model, integrated data pre-fetching and caching strategies, and in-core optimization techniques. Our multicore efficient implementations of the above described applications outperform nai¨ve parallel implementations by at least 2x and scales well with problem size and with the number of processing cores

High performance Cholesky and symmetric indefinite factorizations with applications

The process of factorizing a symmetric matrix using the Cholesky (LLT ) or indefinite (LDLT ) factorization of A allows the efficient solution of systems Ax = b when A is symmetric. This thesis describes the development of new serial and parallel techniques for this problem and demonstrates them in the setting of interior point methods. In serial, the effects of various scalings are reported, and a fast and robust mixed precision sparse solver is developed. In parallel, DAG-driven dense and sparse factorizations are developed for the positive definite case. These achieve performance comparable with other world-leading implementations using a novel algorithm in the same family as those given by Buttari et al. for the dense problem. Performance of these techniques in the context of an interior point method is assessed

Enhanced scheduling techniques through lightweight monitoring for OmpSs-2

Manually tuning applications to achieve optimal configurations prevails as the default technique. This raises issues, since these configurations depend on many aspects. To solve them, we propose extending runtimes with tools to obtain and predict metrics in order to enhance scheduling policies