MERIC and RADAR generator: tools for energy evaluation and runtime tuning of HPC applications

This paper introduces two tools for manual energy evaluation and runtime tuning developed at IT4Innovations in the READEX project. The MERIC library can be used for manual instrumentation and analysis of any application from the energy and time consumption point of view. Besides tracing, MERIC can also change environment and hardware parameters during the application runtime, which leads to energy savings. MERIC stores large amounts of data, which are difficult to read by a human. The RADAR generator analyses the MERIC output files to find the best settings of evaluated parameters for each instrumented region. It generates a Open image in new window report and a MERIC configuration file for application production runs

Optimal configuration of FETI solvers in HPC

Hlavním tématem této diplomové práce byla predikce časové náročnosti metod Total FETI a Hybrid Total FETI implementovaných v knihovně ESPRESO. Druhým tématem byl průzkum energetické náročnosti kninhovny ESPRESO pro plánovaný model spotřeby. Model časové náročnosti byl vytvořen pomocí zobecněné lineární regrese s použitím jazyku R pro implementaci softwaru potřebného ke zpracování naměřených dat. Energetická náročnost byla zkoumána pomocí nástrojů MERIC a RADAR implementovaných v rámci projektu READEX, který patří do programu Horizon2020. Model, který popisuje časovou náročnost je užitečný pro odhadování optimálních nastavení i když pro větší hodnoty není predikce v současné verzi příliš přesná. MERIC a RADAR byly použity pro evaluaci energetické úspory pro několik hardwarových a aplikačních parametrů. Model, který popisuje časovou náročnost bude implementován do knihovny ESPRESO, aby bylo možné automaticky odhadovat optimální nastavení pro minimální čas výpočtu bez předchozích testů. Podobně, model spotřeby bude sestaven za pomoci výsledků získaných pomocí nástrojů MERIC a RADAR a později implementován do knihovny ESPRESO také, čímž bude schopná odhadovat nejen optimální konfiguraci pro minimální čas výpočtu, ale také pro minimální spotřebu energie.The main objective of this thesis was the performance prediction of Total FETI and Hybrid Total FETI methods implemented in ESPRESO library. The secondary objective was the investigation of energy requirements of ESPRESO for a planned consumption model. The performance model was created by generalized linear regression, using R-language for implementation of the software needed to process measured data. The energy consumption was investigated using MERIC and RADAR tools implemented under READEX project in Horizon2020 programme. The model describing performance is useful for estimations of optimal settings, although the fit is not very precise for larger values. MERIC and RADAR were used to evaluate energy savings for multiple hardware and application parameters. The performance model will be implemented into the ESPRESO library, so it will be able to estimate optimal settings for minimal run-time without demanding prior tests. Similarly, the consumption model will be assembled using results obtained by MERIC and RADAR and later implemented into the ESPRESO too, making it able to estimate not only optimal settings for minimal run-time, but for the minimal energy consumption too.470 - Katedra aplikované matematikyvýborn

Performance Tests of the Tool Kaira

Import 22/07/2015Prvním cílem této práce jsou otestování rychlosti paralelního programu vygenerovaného nástrojem Kaira. Druhým cílem je potom otestování Kairy pro vývoj v praxi a návrhy vylepšení pro tento nástroj. Podstatou řešení je implementace Gaussovy eliminační metody pomocí nástroje Kaira a následná implementace řešiče soustav rovnic, který využívá LU-rozklad v PETSc. Výsledek byl získán porovnáním dob běhu testovaných programů. V této práci bylo experimentálně ověřeno, že program implementovaný v nástroji Kaira je pomalejší, než program psaný čistě sekvenčně, v tomto případě s využitím PETSc. Přínosem této práce je zjištění efektivity generování kódu nástrojem Kaira a návrhy na zlepšení Kairy pro její použití při vývoji velkých projektů. Tento výstup může být použit pro zlepšení algoritmů generujících paralelní část programu.The first goal of this thesis is the testing of a parallel program generated by the tool Kaira. The second goal is the testing of Kaira for a large project development and suggestions for this tool. The essential part of the solution is the implementation of Gaussian elimination in Kaira and the implementation of the equation system solver which uses LU-decomposition, in PETSc. There was experimentally verified in this thesis, that a program implemented in the tool Kaira is slower, than a similar program implemented sequentially, in this case, using PETSc. The main benefit of this thesis is the recognition of the effectivity of generating source code by the tool Kaira and suggestions for improvement of the Kaira tool for its application in large projects developement.460 - Katedra informatikyvýborn

The energy consumption optimization of the BLAS routines

The paper deals with the energy consumption evaluation of selected Sparse and Dense BLAS Level 1, 2 and 3 routines. Authors employed AXPY, Sparse Matrix-Vector, Sparse Matrix-Matrix, Dense Matrix-Vector, Dense Matrix-Matrix and Sparse Matrix-Dense Matrix multiplication routines from Intel Math Kernel Library (MKL). The measured characteristics illustrate the different energy consumption of BLAS routines, as some operations are memory-bounded and others are compute-bounded. Based on their recommendations one can explore dynamic frequency switching to achieve significant energy savings up to 23%

Domain knowledge specification for energy tuning

To overcome the challenges of energy consumption of HPC systems, the European Union Horizon 2020 READEX (Runtime Exploitation of Application Dynamism for Energy-efficient Exascale computing) project uses an online auto-tuning approach to improve energy efficiency of HPC applications. The READEX methodology pre-computes optimal system configurations at design-time, such as the CPU frequency, for instances of program regions and switches at runtime to the configuration given in the tuning model when the region is executed. READEX goes beyond previous approaches by exploiting dynamic changes of a region's characteristics by leveraging region and characteristic specific system configurations. While the tool suite supports an automatic approach, specifying domain knowledge such as the structure and characteristics of the application and application tuning parameters can significantly help to create a more refined tuning model. This paper presents the means available for an application expert to provide domain knowledge and presents tuning results for some benchmarks.Web of Science316art. no. E465

Суброгация

1032103

Глобализация, региональная интеграция и экономическое развитие

The paper deals with the energy consumption evaluation of the Finite Element Tearing and Interconnect (FETI) based solvers of linear systems, which is an established method for solving real-world engineering problems. Authors evaluated the effect of the CPU frequency on the energy consumption of the FETI solver using a linear elasticity 3D cube synthetic benchmark. In this problem, the effect of frequency tuning on the energy consumption of the essential processing kernels of the FETI method was evaluated. The paper provides results for two types of frequency tuning: (1) static tuning and (2) dynamic tuning. For static tuning experiments, the frequency is set before execution and kept constant during the runtime. For dynamic tuning, the frequency is changed during the program execution to adapt the system to the actual needs of the application. The paper shows that static tuning brings up 12% energy savings when compared to default CPU settings (the highest clock rate). The dynamic tuning improves this further by up to 3%

Domain Knowledge Specification for Energy Tuning

The European Horizon 2020 project READEX is developing a tool suite for dynamic energy tuning of HPC applications. While the tool suite supports an automatic approach, domain knowledge can significantly help in the analysis and the runtime tuning phase. This paper presents the means available in READEX for the application expert to provide his expert knowledge to the tool suite

Modelling of transport properties of molecular ions of helium in air

Cette thèse porte sur la modélisation des propriétés de transport du plasma froid à base d'hélium en interaction avec l'azote dans l'atmosphère. L'objectif principal de cette thèse est la description approfondie des interactions moléculaires. Les résultats obtenus sont ensuite utilisés dans des simulations de dynamique moléculaire et des modèles mésoscopiques de propriétés de transport. Les interactions sont obtenues via une approche ab initio, en utilisant des méthodes d'interaction multi-configurationnelles de champ auto-cohérent et de configuration multi-références ainsi que la méthode Numerov pour résoudre l'équation de Schroedinger lors du calcul des excitations vibrationnelles-rotationnelles. La dynamique moléculaire est réalisée dans une approche hybride quantique-classique, les noyaux étant traités de manière classique et les électrons avec une méthode quantique. De plus, non seulement les méthodes ab initio à la volée, mais aussi les réseaux de neurones artificiels sont impliqués dans les simulations dynamiques pour réduire le temps d'exécution nécessaire pour les pièces les plus coûteuses. Les propriétés de transport des complexes de collision sont modélisées à l'aide d'un code Monte Carlo optimisé. Dans cette thèse, une analyse approfondie des interactions moléculaires pour le sol et les premiers états excités de N2+ et N2+/He est donnée, par rapport à différents ensembles de bases, espaces orbitaux et méthodes. Le comportement est évalué non seulement pour les valeurs d'énergie potentielle, mais aussi pour différentes excitations rotationnelles-vibratoires de N2+ et les résultats préliminaires sont également fournis pour les états excités supérieurs jusqu'au 11ème et au 7ème dans le cas de N2+ et N2+ /Il, respectivement. Les sections efficaces réactives et non réactives ont été obtenues à partir de simulations de dynamique moléculaire et comparées par la suite avec les données pseudo-expérimentales obtenues à partir de mesures de mobilité. Dans ce contexte, l'effet de l'alignement horizontal N2+ sur les sections transversales résultantes a également été analysé en détail. Enfin, la partie modélisation mésoscopique s'est concentrée sur l'obtention de la mobilité de N2+, dans le gaz He, les énergies caractéristiques de diffusion longitudinale et transversale et la constante de vitesse de dissociation de N2+ induite par collision avec He. De plus, ces données de base calculées sont utilisées dans la modélisation macroscopique pour "accorder" les espèces actives nécessaires à des applications spécifiques dans le plasma froid.This thesis is focused on modeling of the transport properties of helium-based cold plasma in the interaction with nitrogen in the atmosphere. The main focus of this thesis is on thorough description of molecular interactions. The obtained results are further used in molecular dynamics simulations and mesoscopic models of transport properties. The interactions are obtained via ab initio approach, utilizing Multi-Configurational Self-Consistent Field and Multi-Reference Configuration Interaction methods together with Numerov method for solving Schroedinger equation when computing vibrational-rotational excitations. Molecular dynamics is being performed in a hybrid quantum-classical approach, as nuclei are being treated classically and electrons with a quantum method. Furthermore, not only ab initio methods on-the-fly, but also Artificial Neural Networks are involved in the dynamics simulations to reduce necessary runtime for the most expensive parts. Transport properties of the collision complexes are modelled using an optimised Monte Carlo code. In this thesis, a thorough analysis of the molecular interactions for the ground and the first excited states of N2+ and N2+/He is given, with respect to different basis sets, orbital spaces and methods. The behavior is evaluated not only for the values of potential energy, but also for different rotational-vibrational excitations of N2+ and the preliminary results are also provided for the higher excited states up to 11th one and the 7th one in the case of N2+ and N2+/He, respectively. Both reactive and non-reactive cross-sections were obtained from molecular dynamics simulations and compared subsequently with the pseudo-experimental data obtained from mobility measurements. In this context, also the effect of the N2+ horizontal alignment on the resulting cross-sections was analyzed in detail. Finally, the mesoscopic modeling part was focused on obtaining N2+ mobility, in He gas, the characteristic energies of both longitudinal and transversal diffusion and the rate constant of N2+ dissociation induced by collision with He. Moreover, these calculated basic data are used in macroscopic modelling for "tuning" active species needed for specific applications in cold plasma

Modelování transportních vlastností molekulových iontů helia ve vzduchu

This thesis is focused on modeling of the transport properties of helium-based cold plasma in the interaction with nitrogen in the atmosphere. The main focus of this thesis is on thorough description of molecular interactions. The obtained results are further passed into molecular dynamics simulations and mesoscopic models of transport properties. The interactions are obtained via ab initio approach, utilizing Multi-Configurational Self-Consistent Field and Multi-Reference Configuration Interaction methods together with Numerov method for solving Schroedinger equation when computing vibrational-rotational excitations. Molecular dynamics is being performed in a hybrid quantum-classical approach, as nuclei are being treated classically and electrons in a quantum manner. Furthermore, not only ab initio methods on-the-fly, but also Artificial Neural Networks are involved in the dynamics simulations to reduce necessary runtime for the most expensive parts. Transport properties of the collision complexes are modelled using Monte Carlo. In this thesis, a thorough analysis of the molecular interactions for the ground and the first excited states of N2+ and N2+/He is given, with respect to different basis sets, orbital spaces and methods. The behavior is evaluated not only for the values of potential energy, but also for different rotational-vibrational excitations of N2+ and the preliminary results are also provided for the higher excited states up to 11th one and the 7th one in the case of N2+ and N2+/He, respectively. Both reactive and non-reactive cross-sections were obtained from molecular dynamics simulations and compared subsequently with the pseudo-experimental data obtained from mobility measurements. In this context, also the effect of the N2+ horizontal alignment on the resulting cross-sections was analyzed in detail. Finally, the mesoscopic modeling part was focused on obtaining N2+ mobility, in He gas, the characteristic energies of both longitudinal and transversal diffusion and the rate constant of N2+ diffusion induced by collision with He. That said, while the topic is not exhausted in any way, these theoretical findings are already useful for further experimental research, helping with "tuning" cold plasma for specific applications.Tato práce je zaměřena na modelování transportních vlastností chladného plazmatu na bázi helia při interakci s dusíkem v atmosféře. Hlavním zaměřením této práce je důkladný popis molekulárních interakcí. Získané výsledky jsou dále předávány do simulací molekulové dynamiky a mezoskopických modelů transportních vlastností. Interakce jsou získávány ab initio přístupem s využitím metod Multi-Configurational Self-Consistent Field a Multi-Reference Configuration Interaction spolu s Numerovovou metodou pro řešení Schroedingerovy rovnice při výpočtu rotačně-vibračních excitací. Molekulová dynamika je počítání hybridním kvantově-klasickým přístupem, kdy jsou jádra popisována klasicky a elektrony kvantově. Kromě toho jsou v dynamických simulacích využity nejen ab initio metody za běhu, ale také umělé neuronové sítě, aby se zkrátila doba potřebná pro výpočetně náročné konfigurace. Transportní vlastnosti kolizních komplexů jsou modelovány Monte Carlo přístupem. V této práci je provedena důkladná analýza molekulových interakcí pro základní a první excitované stavy N2+ a N2+/He je dáno s ohledem na různé báze, orbitální prostory a metody. Chování je popsáno nejen pro hodnoty potenciální energie, ale i pro různé rotačně-vibrační excitace N2+ a předběžné výsledky jsou uvedeny až po 11. excitovaný stav N2+ a 7. excitovaný stav N2+/He. Jak reaktivní, tak nereaktivní účinné průřezy byly získány ze simulací molekulové dynamiky a následně porovnány s pseudoexperimentálními daty získanými z měření mobilit. V této souvislosti byl podrobně analyzován také vliv vodorovného vyrovnání N2+ na výsledné účinné průřezy. Konečně, mezoskopické modelování bylo zaměřeno na získání mobility N2 v He, charakteristických energií podélné i příčné difuze a rychlostní konstanty N2+ difuze indukované srážkou s He. Zatímco tak toto téma není vyčerpáno, tyto teoretické poznatky jsou již užitečné pro další experimentální výzkum a pomáhají s tuningem studeného plazmatu pro specifické aplikace.96230 - Laboratoř vývoje paralelních algoritmůvyhově