Compile-time support for thread-level speculation

Una de las principales preocupaciones de las ciencias de la computación es el estudio de las capacidades paralelas tanto de programas como de los procesadores que los ejecutan. Existen varias razones que hacen muy deseable el desarrollo de técnicas que paralelicen automáticamente el código. Entre ellas se encuentran el inmenso número de programas secuenciales existentes ya escritos, la complejidad de los lenguajes de programación paralelos, y los conocimientos que se requieren para paralelizar un código. Sin embargo, los actuales mecanismos de paralelización automática implementados en los compiladores comerciales no son capaces de paralelizar la mayoría de los bucles en un código [1], debido a la dependencias de datos que existen entre ellos [2]. Por lo tanto, se hace necesaria la búsqueda de nuevas técnicas, como la paralelización especulativa [3-5], que saquen beneficio de las potenciales capacidades paralelas del hardware y arquitecturas multiprocesador actuales. Sin embargo, ésta y otras técnicas requieren la intervención manual de programadores experimentados. Antes de ofrecer soluciones alternativas, se han evaluado las capacidades de paralelización de los compiladores comerciales, exponiendo las limitaciones de los mecanismos de paralelización automática que implementan. El estudio revela que estos mecanismos de paralelización automática sólo alcanzan un 19% de speedup en promedio para los benchmarks del SPEC CPU2006 [6], siendo este un resultado significativamente inferior al obtenido por técnicas de paralelización especulativa [7]. Sin embargo, la paralelización especulativa requiere una extensa modificación manual del código por parte de programadores. Esta Tesis aborda este problema definiendo una nueva cláusula OpenMP [8], llamada ¿speculative¿, que permite señalar qué variables pueden llevar a una violación de dependencia. Además, esta Tesis también propone un sistema en tiempo de compilación que, usando la información sobre los accesos a las variables que proporcionan las cláusulas OpenMP, añade automáticamente todo el código necesario para gestionar la ejecución especulativa de un programa. Esto libera al programador de modificar el código manualmente, evitando posibles errores y una tediosa tarea. El código generado por nuestro sistema enlaza con la librería de ejecución especulativamente paralela desarrollada por Estebanez, García-Yagüez, Llanos y Gonzalez-Escribano [9,10].Departamento de Informática (Arquitectura y Tecnología de Computadores, Ciencias de la Computación e Inteligencia Artificial, Lenguajes y Sistemas Informáticos

Design and evaluation of a Thread-Level Speculation runtime library

En los próximos años es más que probable que máquinas con cientos o incluso miles de procesadores sean algo habitual. Para aprovechar estas máquinas, y debido a la dificultad de programar de forma paralela, sería deseable disponer de sistemas de compilación o ejecución que extraigan todo el paralelismo posible de las aplicaciones existentes. Así en los últimos tiempos se han propuesto multitud de técnicas paralelas. Sin embargo, la mayoría de ellas se centran en códigos simples, es decir, sin dependencias entre sus instrucciones. La paralelización especulativa surge como una solución para estos códigos complejos, posibilitando la ejecución de cualquier tipo de códigos, con o sin dependencias. Esta técnica asume de forma optimista que la ejecución paralela de cualquier tipo de código no de lugar a errores y, por lo tanto, necesitan de un mecanismo que detecte cualquier tipo de colisión. Para ello, constan de un monitor responsable que comprueba constantemente que la ejecución no sea errónea, asegurando que los resultados obtenidos de forma paralela sean similares a los de cualquier ejecución secuencial. En caso de que la ejecución fuese errónea los threads se detendrían y reiniciarían su ejecución para asegurar que la ejecución sigue la semántica secuencial. Nuestra contribución en este campo incluye (1) una nueva librería de ejecución especulativa fácil de utilizar; (2) nuevas propuestas que permiten reducir de forma significativa el número de accesos requeridos en las peraciones especulativas, así como consejos para reducir la memoria a utilizar; (3) propuestas para mejorar los métodos de scheduling centradas en la gestión dinámica de los bloques de iteraciones utilizados en las ejecuciones especulativas; (4) una solución híbrida que utiliza memoria transaccional para implementar las secciones críticas de una librería de paralelización especulativa; y (5) un análisis de las técnicas especulativas en uno de los dispositivos más vanguardistas del momento, los coprocesadores Intel Xeon Phi. Como hemos podido comprobar, la paralelización especulativa es un campo de investigación activo. Nuestros resultados demuestran que esta técnica permite obtener mejoras de rendimiento en un gran número de aplicaciones. Así, esperamos que este trabajo contribuya a facilitar el uso de soluciones especulativas en compiladores comerciales y/o modelos de programación paralela de memoria compartida.Departamento de Informática (Arquitectura y Tecnología de Computadores, Ciencias de la Computación e Inteligencia Artificial, Lenguajes y Sistemas Informáticos