Harnessing the Power of Many: Extensible Toolkit for Scalable Ensemble Applications

Many scientific problems require multiple distinct computational tasks to be executed in order to achieve a desired solution. We introduce the Ensemble Toolkit (EnTK) to address the challenges of scale, diversity and reliability they pose. We describe the design and implementation of EnTK, characterize its performance and integrate it with two distinct exemplar use cases: seismic inversion and adaptive analog ensembles. We perform nine experiments, characterizing EnTK overheads, strong and weak scalability, and the performance of two use case implementations, at scale and on production infrastructures. We show how EnTK meets the following general requirements: (i) implementing dedicated abstractions to support the description and execution of ensemble applications; (ii) support for execution on heterogeneous computing infrastructures; (iii) efficient scalability up to O(10^4) tasks; and (iv) fault tolerance. We discuss novel computational capabilities that EnTK enables and the scientific advantages arising thereof. We propose EnTK as an important addition to the suite of tools in support of production scientific computing

RISC-V-Based Platforms for HPC: Analyzing Non-functional Properties for Future HPC and Big-Data Clusters

High-Performance Computing (HPC) have evolved to be used to perform simulations of systems where physical experimentation is prohibitively impractical, expensive, or dangerous. This paper provides a general overview and showcases the analysis of non-functional properties in RISC-V-based platforms for HPCs. In particular, our analyses target the evaluation of power and energy control, thermal management, and reliability assessment of promising systems, structures, and technologies devised for current and future generation of HPC machines. The main set of design methodologies and technologies developed within the activities of the Future and HPC & Big Data spoke of the National Centre of HPC, Big Data and Quantum Computing project are described along with the description of the testbed for experimenting two-phase cooling approaches

Predictive Reliability and Fault Management in Exascale Systems: State of the Art and Perspectives

© ACM, 2020. This is the author's version of the work. It is posted here by permission of ACM for your personal use. Not for redistribution. The definitive version was published in ACM Computing Surveys, Vol. 53, No. 5, Article 95. Publication date: September 2020. https://doi.org/10.1145/3403956[EN] Performance and power constraints come together with Complementary Metal Oxide Semiconductor technology scaling in future Exascale systems. Technology scaling makes each individual transistor more prone to faults and, due to the exponential increase in the number of devices per chip, to higher system fault rates. Consequently, High-performance Computing (HPC) systems need to integrate prediction, detection, and recovery mechanisms to cope with faults efficiently. This article reviews fault detection, fault prediction, and recovery techniques in HPC systems, from electronics to system level. We analyze their strengths and limitations. Finally, we identify the promising paths to meet the reliability levels of Exascale systems.This work has received funding from the European Union's Horizon 2020 (H2020) research and innovation program under the FET-HPC Grant Agreement No. 801137 (RECIPE). Jaume Abella was also partially supported by the Ministry of Economy and Competitiveness of Spain under Contract No. TIN2015-65316-P and under Ramon y Cajal Postdoctoral Fellowship No. RYC-2013-14717, as well as by the HiPEAC Network of Excellence. Ramon Canal is partially supported by the Generalitat de Catalunya under Contract No. 2017SGR0962.Canal, R.; Hernández Luz, C.; Tornero-Gavilá, R.; Cilardo, A.; Massari, G.; Reghenzani, F.; Fornaciari, W.... (2020). Predictive Reliability and Fault Management in Exascale Systems: State of the Art and Perspectives. ACM Computing Surveys. 53(5):1-32. https://doi.org/10.1145/3403956S132535Abella, J., Hernandez, C., Quinones, E., Cazorla, F. J., Conmy, P. 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IEEE Internet Com

Lazy Fault Detection for Redundant MPI

As the scale of supercomputers grows, it is becoming increasingly important for software to efficiently withstand hardware and software faults. Process replication is one resilience technique, but typical implementations require replicas to stay closely synchronized with each other. We propose algorithms to lazily detect faults in replicated MPI applications, allowing for more flexibility in replica scheduling and potential power savings. Evaluation shows that, when all processes are operated at full power, this approach allows applications to complete substantially faster as compared to using a synchronized model, and often as fast as in non-replicated execution

Proactive Adaptation in Self-Organizing Task-based Runtime Systems for Different Computing Classes

Moderne Computersysteme bieten Anwendern und Anwendungsentwicklern ein hohes Maß an Parallelität und Heterogenität. Die effiziente Nutzung dieser Systeme erfordert jedoch tiefgreifende Kenntnisse, z.B. der darunterliegenden Hardware-Plattform und den notwendigen Programmiermodellen, und umfangreiche Arbeit des Entwicklers. In dieser Thesis bezieht sich die effiziente Nutzung auf die Gesamtausführungszeit der Anwendungen, den Energieverbrauch des Systems, die maximale Temperatur der Verarbeitungseinheiten und die Zuverlässigkeit des Systems. Neben den verschiedenen Optimierungszielen muss ein Anwendungsentwickler auch die spezifischen Einschränkungen und Randbedingungen des Systems berücksichtigen, wie z. B. Deadlines oder Sicherheitsgarantien, die mit bestimmten Anwendungsbereichen einhergehen. Diese Komplexität heterogener Systeme macht es unmöglich, alle potenziellen Systemzustände und Umwelteinflüsse, die zur Laufzeit auftreten können, vorherzusagen. Die System- und Anwendungsentwickler sind somit nicht in der Lage, zur Entwurfszeit festzulegen, wie das System und die Anwendungen in allen möglichen Situationen reagieren sollen. Daher ist es notwendig, die Systeme zur Laufzeit der aktuellen Situation anzupassen, um ihr Verhalten entsprechend zu optimieren. In eingebetteten Systemen mit begrenzten Kühlkapazitäten muss z.B. bei Erreichen einer bestimmten Temperaturschwelle eine Lastverteilung vorgenommen, die Frequenz verringert oder Verarbeitungseinheiten abgeschaltet werden, um die Wärmeentwicklung zu reduzieren. Normalerweise reicht es aber nicht aus, einfach nur auf einen ungünstigen Systemzustand zu reagieren. Das Ziel sollte darin bestehen, ungünstige oder fehlerhafte Systemzustände vor dem Auftreten zu vermeiden, um die Notwendigkeit des Aufrufs von Notfallfunktionen zu verringern und die Benutzerfreundlichkeit zu verbessern. Anstatt beispielsweise die Wärmeentwicklung durch eine Neuverteilung der Anwendungen zu reduzieren, könnten proaktive Mechanismen kritische Temperaturen bereits im Vorfeld vermeiden, indem sie bestimmte unkritische Aufgaben verzögern oder deren Genauigkeit oder QoS verringern. Auf diese Weise wird die Systemlast reduziert, bevor ein kritischer Punkt erreicht wird. Lösungen des aktuellen Stands der Technik wie einheitliche Programmiersprachen oder Laufzeitsysteme adressieren einige der oben genannten Herausforderungen, jedoch existiert kein Ansatz, der in der Lage ist, eine Optimierung mehrerer sich widersprechender Zielfunktionen dynamisch und vor allem proaktiv durchzuführen. Ein Konzept, das diese komplexe Aufgabe für den Entwickler übernimmt und eine Möglichkeit zur dynamischen und proaktiven Anpassung an Veränderungen bietet, ist die Selbstorganisation. Selbstorganisation ist jedoch definiert als ein Prozess ohne externe Kontrolle oder Steuerung. Im Kontext der Systemoptimierung kann dies leicht zu unerwünschten Ergebnissen führen. Ein Ansatz, der Selbstorganisation mit einem Kontrollmechanismus kombiniert, welcher auf Robustheit und Widerstandsfähigkeit gegenüber äußeren Störungen abzielt, ist Organic Computing. Das bestimmende Merkmal von Organic Computing ist eine Observer/Controller-Architektur. Das Konzept dieser Architektur besteht darin, den aktuellen Zustand des Systems und der Umgebung zu überwachen, diese Daten zu analysieren und auf der Grundlage dieser Analyse Entscheidungen über das zukünftige Systemverhalten zu treffen. Organic Computing ermöglicht es also auf der Grundlage der vergangenen und des aktuellen Zustands proaktiv Mechanismen auszuwählen und auszulösen, die das System optimieren und unerwünschte Zustände vermeiden. Um die Vorteile des Organic Computings auf moderne heterogene Systeme zu übertragen, kombiniere ich den Organic Computing-Ansatz mit einem Laufzeitsystem. Laufzeitsysteme sind ein vielversprechender Kandidat für die Umsetzung des Organic Computing-Ansatzes, da sie bereits die Ausführung von Anwendungen überwachen und steuern. Insbesondere betrachte und bearbeite ich in dieser Dissertation die folgenden Forschungsthemen, indem ich die Konzepte des Organic Computings und der Laufzeitsysteme kombiniere: • Erfassen des aktuellen Systemzustands durch Überwachung von Sensoren und Performance Countern • Vorhersage zukünftiger Systemzustände durch Analyse des vergangenen Verhaltens • Nutzung von Zustandsinformationen zur proaktiven Anpassung des Systems Ich erweitere das Thema der Erfassung von Systemzuständen auf zwei Arten. Zunächst führe ich eine neuartige heuristische Metrik zur Berechnung der Zuverlässigkeit einer Verarbeitungseinheit ein, die auf symptombasierter Fehlererkennung basiert. Symptombasierte Fehlererkennung ist eine leichtgewichtige Methode zur dynamischen Erkennung von soften Hardware-Fehlern durch Überwachung des Ausführungsverhaltens mit Performance Countern. Die dynamische Erkennung von Fehlern ermöglicht dann die Berechnung einer heuristischen Fehlerrate einer Verarbeitungseinheit in einem bestimmten Zeitfenster. Die Fehlerrate wird verwendet, um die Anzahl der erforderlichen Ausführungen einer Anwendung zu berechnen, um eine bestimmte Ergebniszuverlässigkeit, also eine Mindestwahrscheinlichkeit für ein korrektes Ergebnis, zu gewährleisten. Ein wichtiger Aspekt der Zustandserfassung ist die Minimierung des entstehenden Overheads. Ich verringere die Anzahl der für OpenMP-Tasks notwendigen Profiling-Durchläufe durch Thread-Interpolation und Überprüfungen des Skalierungsverhaltens. Zusätzlich untersuche ich die Vorhersage von OpenCL Task-Ausführungszeiten. Die Prädiktoren der Ausführungszeiten werden mit verschiedenen maschinellen Lernalgorithmen trainiert. Als Input werden Profile der Kernel verwendet, die durch statische Codeanalyse erstellt wurden. Um in dieser Dissertation zukünftige Systemzustände vorherzusagen, sollen Anwendungen vorausgesagt werden, die in naher Zukunft im System vorkommen werden. In Kombination mit der Ausführungsdatenbank ermöglicht dies die Schätzung der anstehenden Kosten, die das System zu bewältigen hat. In dieser Arbeit werden zwei Mechanismen zur Vorhersage von Anwendungen/Tasks entwickelt. Der erste Prädiktor zielt darauf ab, neue Instanzen unabhängiger Tasks vorherzusagen. Der zweite Mechanismus betrachtet Ausführungsmuster abhängiger Anwendungen und sagt auf dieser Grundlage zukünftig auftretende Anwendungen vorher. Beide Mechanismen verwenden eine Vorhersagetabelle, die auf Markov-Prädiktoren und dem Abgleich von Mustern basiert. In dieser Arbeit wird das Wissen, das durch die Systemüberwachung und die Vorhersage zukünftiger Anwendungen gewonnen wird, verwendet, um die Optimierungsziele des Systems proaktiv in Einklang zu bringen und zu gewichten. Dies geschieht durch eine Reihe von Regeln, die eine Systemzustandsbeschreibung, bestehend aus dem aktuellen Zustand, Vorhersagen und Randbedingungen bzw. Beschränkungen, auf einen Vektor aus Gewichten abbilden. Zum Erlernen der Regelmenge wird ein Extended Classifer System (XCS) eingesetzt. Das XCS ist in eine hierarchische Architektur eingebettet, die nach den Prinzipien des Organic Computing entworfen wurde. Eine wichtige Designentscheidung ist dabei die Auslagerung der Erstellung neuer Regeln an einen Offline-Algorithmus, der einen Simulator nutzt und parallel zum normalen Systemablauf ausgeführt wird. Dadurch wird sichergestellt, dass keine ungetesteten Regeln, deren Auswirkungen noch nicht bekannt sind, dem laufenden System hinzugefügt werden. Die sich daraus ergebenden Gewichte werden schließlich verwendet, um eine Bewertungsfunktion für List Scheduling-Algorithmen zu erstellen. Diese Dissertation erweitert das Forschungsgebiet der Scheduling-Algorithmen durch zwei Mechanismen für dynamisches Scheduling. Die erste Erweiterung konzentriert sich auf nicht sicherheitskritische Systeme, die Prioritäten verwenden, um die unterschiedliche Wichtigkeit von Tasks auszudrücken. Da statische Prioritäten in stark ausgelasteten Systemen zu Starvation führen können, habe ich einen dynamischen Ageing-Mechanismus entwickelt, der dazu in der Lage ist, die Prioritäten der Tasks entsprechend der aktuellen Auslastung und ihrer Wartezeiten anzupassen. Dadurch reduziert der Mechanismus die Gesamtlaufzeit über alle Tasks und die Wartezeit für Tasks mit niedrigerer Priorität. Noch ist eine große Anzahl von Anwendungen nicht dazu bereit, den hohen Grad an Parallelität zu nutzen, den moderne Computersysteme bieten. Ein Konzept, das versucht dieses Problem zu lösen, indem es mehrere verschiedene Prozesse auf demselben Rechenknoten zur Ausführung bringt, ist das Co-Scheduling. In dieser Dissertation stelle ich einen neuartigen Co-Scheduling-Mechanismus vor, welcher die Task-Schedules mehrerer Laufzeitsysteminstanzen optimiert, die auf demselben Rechenknoten ausgeführt werden. Um die notwendigen Informationen zwischen den Laufzeitsysteminstanzen zu teilen, speichert der Mechanismus die Daten in Shared Memory. Sobald ein Laufzeitsystem neue Tasks in das System einfügt, prüft der Mechanismus, ob die Berechnung eines neuen Schedules sinnvoll ist. Wird die Entscheidung getroffen, einen neuen Schedule zu berechnen, setzt der Mechanismus Simulated Annealing ein, um alle Tasks, die bisher noch nicht mit ihrer Ausführung begonnen haben, neu auf Ausführungseinheiten abzubilden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass diese Arbeit neuartige Mechanismen und Algorithmen sowie Erweiterungen zu verschiedenen Forschungsgebieten anbietet, um ein proaktives selbst-organisierendes System zu implementieren, das sich an neue und unbekannte Situationen anpassen kann. Dabei wird die Komplexität für Benutzer und Anwendungsentwickler reduziert, indem die Entscheidungsfindung in das System selbst ausgelagert wird. Gleichzeitig sorgt dieser Ansatz für eine effiziente Nutzung der Ressourcen des Systems. Insgesamt leistet diese Arbeit die folgenden Beiträge zur Erweiterung des Stands der Forschung: • Einführung einer neuartigen heuristischen Metrik zur Messung der Zuverlässigkeit von Verarbeitungseinheiten. Die Metrik basiert auf einer leichtgewichtigen Methode zur Fehlererkennung, genannt symptombasierte Fehlererkennung. Mit der symptombasierten Fehlererkennung ist es möglich, mehrere injizierte Fehlerklassen und Interferenzen, die Soft-Hardware-Fehler simulieren, sowohl auf einer CPU als auch auf einer GPU zuverlässig zu erkennen. Darüber hinaus werden diese Ergebnisse durch Welch\u27s t-Test statistisch bestätigt. • Vorschlag eines Vorhersagemodells für die Ausführungszeit von OpenCL Kerneln, das auf statischer Code-Analyse basiert. Das Modell ist in der Lage, die schnellste Verarbeitungseinheit aus einer Menge von Verarbeitungseinheiten mit einer Genauigkeit von im schlechtesten Fall $69\,\%$ auszuwählen. Zum Vergleich: eine Referenzvariante, welche immer den Prozessor vorhersagt, der die meisten Kernel am schnellsten ausführt, erzielt eine Genauigkeit von $25\,\%$. Im besten Fall erreicht das Modell eine Genauigkeit von bis zu $83\,\%$. • Bereitstellung von zwei Prädiktoren für kommende Tasks/Anwendungen. Der erste Mechanismus betrachtet unabhängige Tasks, die ständig neue Task-Instanzen erstellen, der zweite abhängige Anwendungen, die Ausführungsmuster bilden. Dabei erzielt der erste Mechanismus bei der Vorhersage der Zeitspanne zwischen zwei aufeinanderfolgenden Task-Instanzen einen maximalen\\ $sMAPE$-Wert von $4,33\,\%$ für sporadische und $0,002 \,\%$ für periodische Tasks. Darüber hinaus werden Tasks mit einem aperiodischen Ausführungsschema zuverlässig erkannt. Der zweite Mechanismus erreicht eine Genauigkeit von $77,6 \,\%$ für die Vorhersage der nächsten anstehenden Anwendung und deren Startzeit. • Einführung einer Umsetzung eines hierarchischen Organic Computing Frameworks mit dem Anwendungsgebiet Task-Scheduling. Dieses Framework enthält u.a. ein modifiziertes XCS, für dessen Design und Implementierung ein neuartiger Reward-Mechanismus entwickelt wird. Der Mechanismus bedient sich dabei eines speziell für diesen Zweck entwickelten Simulators zur Berechnung von Task-Ausführungskosten. Das XCS bildet Beschreibungen des Systemzustands auf Gewichte zur Balancierung der Optimierungsziele des Systems ab. Diese Gewichte werden in einer Bewertungsfunktion für List Scheduling-Algorithmen verwendet. Damit wird in einem Evaluationsszenario, welches aus einem fünfmal wiederholten Muster aus Anwendungen besteht, eine Reduzierung der Gesamtlaufzeit um $10,4\,\%$ bzw. $26,7\,s$, des Energieverbrauchs um $4,7\,\%$ bzw. $2061,1\,J$ und der maximalen Temperatur der GPU um $3,6\,\%$ bzw. $2,7 K$ erzielt. Lediglich die maximale Temperatur über alle CPU-Kerne erhöht sich um $6\,\%$ bzw. $2,3\,K$. • Entwicklung von zwei Erweiterungen zur Verbesserung des dynamischen Task-Schedulings für einzelne und mehrere Prozesse, z.B. mehrere Laufzeitsysteminstanzen. Der erste Mechanismus, ein Ageing-Algorithmus, betrachtet nicht sicherheitskritische Systeme, welche Task-Prioritäten verwenden, um die unterschiedliche Bedeutung von Anwendungen darzustellen. Da es in solchen Anwendungsszenarien in Kombination mit hoher Systemauslastung zu Starvation kommen kann, passt der Mechanismus die Task-Prioritäten dynamisch an die aktuelle Auslastung und die Task-Wartezeiten an. Insgesamt erreicht dieser Mechanismus in zwei Bewertungsszenarien eine durchschnittliche Laufzeitverbesserung von $3,75\,\%$ und $3,16\,\%$ bei gleichzeitiger Reduzierung der Durchlaufzeit von Tasks mit niedrigerer Priorität um bis zu $25,67\,\%$. Der zweite Mechanismus ermöglicht die Optimierung von Schedules mehrerer Laufzeitsysteminstanzen, die parallel auf demselben Rechenknoten ausgeführt werden. Dieser Co-Scheduling-Ansatz verwendet Shared Memory zum Austausch von Informationen zwischen den Prozessen und Simulated Annealing zur Berechnung neuer Task-Schedules. In zwei Evaluierungsszenarien erzielt der Mechanismus durchschnittliche Laufzeitverbesserungen von $19,74\,\%$ und $20,91\,\%$ bzw. etwa $2,7\,s$ und $3\,s$

An extensive study on iterative solver resilience : characterization, detection and prediction

Soft errors caused by transient bit flips have the potential to significantly impactan applicalion's behavior. This has motivated the design of an array of techniques to detect, isolate, and correct soft errors using microarchitectural, architectural, compilation­based, or application-level techniques to minimize their impact on the executing application. The first step toward the design of good error detection/correction techniques involves an understanding of an application's vulnerability to soft errors. This work focuses on silent data e orruption's effects on iterative solvers and efforts to mitigate those effects. In this thesis, we first present the first comprehensive characterizalion of !he impact of soft errors on !he convergen ce characteris tics of six iterative methods using application-level fault injection. We analyze the impact of soft errors In terms of the type of error (single-vs multi-bit), the distribution and location of bits affected, the data structure and statement impacted, and varialion with time. We create a public access database with more than 1.5 million fault injection results. We then analyze the performance of soft error detection mechanisms and present the comparalive results. Molivated by our observations, we evaluate a machine-learning based detector that takes as features that are the runtime features observed by the individual detectors to arrive al their conclusions. Our evalualion demonstrates improved results over individual detectors. We then propase amachine learning based method to predict a program's error behavior to make fault injection studies more efficient. We demonstrate this method on asse ssing the performance of soft error detectors. We show that our method maintains 84% accuracy on average with up to 53% less cost. We also show, once a model is trained further fault injection tests would cost 10% of the expected full fault injection runs.“Soft errors” causados por cambios de estado transitorios en bits, tienen el potencial de impactar significativamente el comportamiento de una aplicación. Esto, ha motivado el diseño de una variedad de técnicas para detectar, aislar y corregir soft errors aplicadas a micro-arquitecturas, arquitecturas, tiempo de compilación y a nivel de aplicación para minimizar su impacto en la ejecución de una aplicación. El primer paso para diseñar una buna técnica de detección/corrección de errores, implica el conocimiento de las vulnerabilidades de la aplicación ante posibles soft errors. Este trabajo se centra en los efectos de la corrupción silenciosa de datos en soluciones iterativas, así como en los esfuerzos para mitigar esos efectos. En esta tesis, primeramente, presentamos la primera caracterización extensiva del impacto de soft errors sobre las características convergentes de seis métodos iterativos usando inyección de fallos a nivel de aplicación. Analizamos el impacto de los soft errors en términos del tipo de error (único vs múltiples-bits), de la distribución y posición de los bits afectados, las estructuras de datos, instrucciones afectadas y de las variaciones en el tiempo. Creamos una base de datos pública con más de 1.5 millones de resultados de inyección de fallos. Después, analizamos el desempeño de mecanismos de detección de soft errors actuales y presentamos los resultados de su comparación. Motivados por las observaciones de los resultados presentados, evaluamos un detector de soft errors basado en técnicas de machine learning que toma como entrada las características observadas en el tiempo de ejecución individual de los detectores anteriores al llegar a su conclusión. La evaluación de los resultados obtenidos muestra una mejora por sobre los detectores individualmente. Basados en estos resultados propusimos un método basado en machine learning para predecir el comportamiento de los errores en un programa con el fin de hacer el estudio de inyección de errores mas eficiente. Presentamos este método para evaluar el rendimiento de los detectores de soft errors. Demostramos que nuestro método mantiene una precisión del 84% en promedio con hasta un 53% de mejora en el tiempo de ejecución. También mostramos que una vez que un modelo ha sido entrenado, las pruebas de inyección de errores siguientes costarían 10% del tiempo esperado de ejecución.Postprint (published version