Non-minimal adaptive routing for efficient interconnection networks

RESUMEN: La red de interconexión es un concepto clave de los sistemas de computación paralelos. El primer aspecto que define una red de interconexión es su topología. Habitualmente, las redes escalables y eficientes en términos de coste y consumo energético tienen bajo diámetro y se basan en topologías que encaran el límite de Moore y en las que no hay diversidad de caminos mínimos. Una vez definida la topología, quedando implícitamente definidos los límites de rendimiento de la red, es necesario diseñar un algoritmo de enrutamiento que se acerque lo máximo posible a esos límites y debido a la ausencia de caminos mínimos, este además debe explotar los caminos no mínimos cuando el tráfico es adverso. Estos algoritmos de enrutamiento habitualmente seleccionan entre rutas mínimas y no mínimas en base a las condiciones de la red. Las rutas no mínimas habitualmente se basan en el algoritmo de balanceo de carga propuesto por Valiant, esto implica que doblan la longitud de las rutas mínimas y por lo tanto, la latencia soportada por los paquetes se incrementa. En cuanto a la tecnología, desde su introducción en entornos HPC a principios de los años 2000, Ethernet ha sido usado en un porcentaje representativo de los sistemas. Esta tesis introduce una implementación realista y competitiva de una red escalable y sin pérdidas basada en dispositivos de red Ethernet commodity, considerando topologías de bajo diámetro y bajo consumo energético y logrando un ahorro energético de hasta un 54%. Además, propone un enrutamiento sobre la citada arquitectura, en adelante QCN-Switch, el cual selecciona entre rutas mínimas y no mínimas basado en notificaciones de congestión explícitas. Una vez implementada la decisión de enrutar siguiendo rutas no mínimas, se introduce un enrutamiento adaptativo en fuente capaz de adaptar el número de saltos en las rutas no mínimas. Este enrutamiento, en adelante ACOR, es agnóstico de la topología y mejora la latencia en hasta un 28%. Finalmente, se introduce un enrutamiento dependiente de la topología, en adelante LIAN, que optimiza el número de saltos de las rutas no mínimas basado en las condiciones de la red. Los resultados de su evaluación muestran que obtiene una latencia cuasi óptima y mejora el rendimiento de algoritmos de enrutamiento actuales reduciendo la latencia en hasta un 30% y obteniendo un rendimiento estable y equitativo.ABSTRACT: Interconnection network is a key concept of any parallel computing system. The first aspect to define an interconnection network is its topology. Typically, power and cost-efficient scalable networks with low diameter rely on topologies that approach the Moore bound in which there is no minimal path diversity. Once the topology is defined, the performance bounds of the network are determined consequently, so a suitable routing algorithm should be designed to accomplish as much as possible of those limits and, due to the lack of minimal path diversity, it must exploit non-minimal paths when the traffic pattern is adversarial. These routing algorithms usually select between minimal and non-minimal paths based on the network conditions, where the non-minimal paths are built according to Valiant load-balancing algorithm. This implies that these paths double the length of minimal ones and then the latency supported by packets increases. Regarding the technology, from its introduction in HPC systems in the early 2000s, Ethernet has been used in a significant fraction of the systems. This dissertation introduces a realistic and competitive implementation of a scalable lossless Ethernet network for HPC environments considering low-diameter and low-power topologies. This allows for up to 54% power savings. Furthermore, it proposes a routing upon the cited architecture, hereon QCN-Switch, which selects between minimal and non-minimal paths per packet based on explicit congestion notifications instead of credits. Once the miss-routing decision is implemented, it introduces two mechanisms regarding the selection of the intermediate switch to develop a source adaptive routing algorithm capable of adapting the number of hops in the non-minimal paths. This routing, hereon ACOR, is topology-agnostic and improves average latency in all cases up to 28%. Finally, a topology-dependent routing, hereon LIAN, is introduced to optimize the number of hops in the non-minimal paths based on the network live conditions. Evaluations show that LIAN obtains almost-optimal latency and outperforms state-of-the-art adaptive routing algorithms, reducing latency by up to 30.0% and providing stable throughput and fairness.This work has been supported by the Spanish Ministry of Education, Culture and Sports under grant FPU14/02253, the Spanish Ministry of Economy, Industry and Competitiveness under contracts TIN2010-21291-C02-02, TIN2013-46957-C2-2-P, and TIN2013-46957-C2-2-P (AEI/FEDER, UE), the Spanish Research Agency under contract PID2019-105660RBC22/AEI/10.13039/501100011033, the European Union under agreements FP7-ICT-2011- 7-288777 (Mont-Blanc 1) and FP7-ICT-2013-10-610402 (Mont-Blanc 2), the University of Cantabria under project PAR.30.P072.64004, and by the European HiPEAC Network of Excellence through an internship grant supported by the European Union’s Horizon 2020 research and innovation program under grant agreement No. H2020-ICT-2015-687689

A Practical Hardware Implementation of Systemic Computation

It is widely accepted that natural computation, such as brain computation, is far superior to typical computational approaches addressing tasks such as learning and parallel processing. As conventional silicon-based technologies are about to reach their physical limits, researchers have drawn inspiration from nature to found new computational paradigms. Such a newly-conceived paradigm is Systemic Computation (SC). SC is a bio-inspired model of computation. It incorporates natural characteristics and defines a massively parallel non-von Neumann computer architecture that can model natural systems efficiently. This thesis investigates the viability and utility of a Systemic Computation hardware implementation, since prior software-based approaches have proved inadequate in terms of performance and flexibility. This is achieved by addressing three main research challenges regarding the level of support for the natural properties of SC, the design of its implied architecture and methods to make the implementation practical and efficient. Various hardware-based approaches to Natural Computation are reviewed and their compatibility and suitability, with respect to the SC paradigm, is investigated. FPGAs are identified as the most appropriate implementation platform through critical evaluation and the first prototype Hardware Architecture of Systemic computation (HAoS) is presented. HAoS is a novel custom digital design, which takes advantage of the inbuilt parallelism of an FPGA and the highly efficient matching capability of a Ternary Content Addressable Memory. It provides basic processing capabilities in order to minimize time-demanding data transfers, while the optional use of a CPU provides high-level processing support. It is optimized and extended to a practical hardware platform accompanied by a software framework to provide an efficient SC programming solution. The suggested platform is evaluated using three bio-inspired models and analysis shows that it satisfies the research challenges and provides an effective solution in terms of efficiency versus flexibility trade-off

XXI Workshop de Investigadores en Ciencias de la Computación - WICC 2019: libro de actas

Trabajos presentados en el XXI Workshop de Investigadores en Ciencias de la Computación (WICC), celebrado en la provincia de San Juan los días 25 y 26 de abril 2019, organizado por la Red de Universidades con Carreras en Informática (RedUNCI) y la Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales de la Universidad Nacional de San Juan.Red de Universidades con Carreras en Informátic

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Usabilidade pedagógica: um fator determinante na adoção do e-Learning no ensino superior

O artigo que apresentamos neste simpósio doutoral surge no âmbito do Curso de Doutoramento em Educação, especialidade em Tecnologias de Informação e Comunicação na Educação, do Instituto de Educação da Universidade de Lisboa. O estudo tem como objetivo principal propor e testar um modelo que permita explicar a intenção comportamental dos docentes do Ensino Superior aquando da adoção e uso continuado das plataformas de e-Learning. Para o efeito procura-se compreender o contributo da usabilidade pedagógica como fator determinante no processo de adoção da tecnologia

XX Workshop de Investigadores en Ciencias de la Computación - WICC 2018 : Libro de actas

Actas del XX Workshop de Investigadores en Ciencias de la Computación (WICC 2018), realizado en Facultad de Ciencias Exactas y Naturales y Agrimensura de la Universidad Nacional del Nordeste, los dìas 26 y 27 de abril de 2018.Red de Universidades con Carreras en Informática (RedUNCI

XX Workshop de Investigadores en Ciencias de la Computación - WICC 2018 : Libro de actas

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XXIII Edición del Workshop de Investigadores en Ciencias de la Computación : Libro de actas

Compilación de las ponencias presentadas en el XXIII Workshop de Investigadores en Ciencias de la Computación (WICC), llevado a cabo en Chilecito (La Rioja) en abril de 2021.Red de Universidades con Carreras en Informátic