Memoria Transaccional Software en Procesadores CPU+GPU Heterogéneos

En los procesadores multi-núcleo, la memoria transaccional (TM) ha aparecido como una alternativa prometedora a las técnicas basadas en cerrojos para garantizar exclusión mutua y está siendo incluida como parte de procesadores comerciales. De igual forma, dado que las GPUs se están convirtiendo en el acelerador más popular de la actualidad, los fabricantes están integrándolas dentro del mismo chip, creando las llamadas APUs (Accelerated Processing Units). Sin embargo, la sincronización entre CPU y GPU aún se lleva a cabo con mecanismos muy simples basados en operaciones atómicas y señales. Por tanto, es responsabilidad de los programadores implementar técnicas más avanzadas de exclusión mútua. Las técnicas basadas en TM aún no han sido explotadas en este tipo de procesadores y, por tanto, es importante hacer propuestas de sincronización avanzadas. En este artículo proponemos una librería de TM software enfocada a su uso en procesadores APU. El objetivo es que las transacciones puedan ejecutarse tanto en CPU como en GPU simultáneamente y que se permita la sincronización en forma de exclusión mutua entre ambos dispositivos. Nuestra propuesta, llamada APUTM, se enfoca en minimizar la comunicación entre la CPU y la GPU de los metadatos requeridos para manejar TM. La evaluación de esta propuesta muestra que, utilizando este mecanismo de sincronización, es posible mejorar el tiempo de ejecución de las aplicaciones secuenciales con un reducido esfuerzo en la programación

Accelerating Transactional Memory by Exploiting Platform Specificity

Transactional Memory (TM) is one of the most promising alternatives to lock-based concurrency, but there still remain obstacles that keep TM from being utilized in the real world. Performance, in terms of high scalability and low latency, is always one of the most important keys to general purpose usage. While most of the research in this area focuses on improving a specific single TM implementation and some default platform (a certain operating system, compiler and/or processor), little has been conducted on improving performance more generally, and across platforms.We found that by utilizing platform specificity, we could gain tremendous performance improvement and avoid unnecessary costs due to false assumptions of platform properties, on not only a single TM implementation, but many. In this dissertation, we will present our findings in four sections: 1) we discover and quantify hidden costs from inappropriate compiler instrumentations, and provide sug- gestions and solutions; 2) we boost a set of mainstream timestamp-based TM implementations with the x86-specific hardware cycle counter; 3) we explore compiler opportunities to reduce the transaction abort rate, by reordering read-modify-write operations — the whole technique can be applied to all TM implementations, and could be more effective with some help from compilers; and 4) we coordinate the state-of-the-art Intel Haswell TSX hardware TM with a software TM “Cohorts”, and develop a safe and flexible Hybrid TM, “HyCo”, to be our final performance boost in this dissertation.The impact of our research extends beyond Transactional Memory, to broad areas of concurrent programming. Some of our solutions and discussions, such as the synchronization between accesses of the hardware cycle counter and memory loads and stores, can be utilized to boost concurrent data structures and many timestamp-based systems and applications. Others, such as discussions of compiler instrumentation costs and reordering opportunities, provide additional insights to compiler designers. Our findings show that platform specificity must be taken into consideration to achieve peak performance

Transactional memory on heterogeneous architectures

Tesis Leida el 9 de Marzo de 2018.Si observamos las necesidades computacionales de hoy, y tratamos de predecir las necesidades del mañana, podemos concluir que el procesamiento heterogéneo estará presente en muchos dispositivos y aplicaciones. El motivo es lógico: algoritmos diferentes y datos de naturaleza diferente encajan mejor en unos dispositivos de cómputo que en otros. Pongamos como ejemplo una tecnología de vanguardia como son los vehículos inteligentes. En este tipo de aplicaciones la computación heterogénea no es una opción, sino un requisito. En este tipo de vehículos se recolectan y analizan imágenes, tarea para la cual los procesadores gráficos (GPUs) son muy eficientes. Muchos de estos vehículos utilizan algoritmos sencillos, pero con grandes requerimientos de tiempo real, que deben implementarse directamente en hardware utilizando FPGAs. Y, por supuesto, los procesadores multinúcleo tienen un papel fundamental en estos sistemas, tanto organizando el trabajo de otros coprocesadores como ejecutando tareas en las que ningún otro procesador es más eficiente. No obstante, los procesadores tampoco siguen siendo dispositivos homogéneos. Los diferentes núcleos de un procesador pueden ofrecer diferentes características en términos de potencia y consumo energético que se adapten a las necesidades de cómputo de la aplicación. Programar este conjunto de dispositivos es una tarea compleja, especialmente en su sincronización. Habitualmente, esta sincronización se basa en operaciones atómicas, ejecución y terminación de kernels, barreras y señales. Con estas primitivas de sincronización básicas se pueden construir otras estructuras más complejas. Sin embargo, la programación de estos mecanismos es tediosa y propensa a fallos. La memoria transaccional (TM por sus siglas en inglés) se ha propuesto como un mecanismo avanzado a la vez que simple para garantizar la exclusión mutua