Publication: User-defined execution relaxations for enhanced programmability in high-performance parallel computing
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Publication Date
2020-10-28
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Universidad Complutense de Madrid
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Abstract
This thesis proposes the development and implementation of a new programming model basedon execution relaxations, and focused on High-Performance Parallel Computing. Specifically,the main goals of the thesis are:1. Advocate a development methodology in which users define the basic computing units(tasks), together with a set of relaxations in, possibly, multiple dimensions. These relaxationswill be translated, at execution time, into expanded (and complex) scheduling opportunitiesdepending on the underlying architectural features, yielding improvements in termsof desired output metrics (e.g., performance or energy consumption).2. Abstract away users from the complexity of the underlying heterogeneous hardware, delegatingthe proper exploitation of expanded scheduling choices to a system software component(typically referred as a runtime). This piece of software, armed with knowledge fromstatic architectural characteristics and dynamic status of the hardware at execution time,will exploit those combinations considered optimal among those relaxations proposed bythe user for each task ready for execution.3. Extend this abstraction in order to describe both computing systems, by means of executor/ allocator hierarchies that describe the heterogeneous computing architecture, and applications,in terms of sets of interdependent tasks. In addition, the relations between executorsand tasks are categorized into a new task-executor taxonomy, which motivates ambiguityfreeHPC programming frontends based on the STSE, Single Task - Single Executor classification,distinguished from fully-automated runtime backends.4. Propose a new programming model (STEEL) based on previous ideas, that gathers featuresconsidered to be basic for future task-based programming models, namely: performance,composability, expressivity and hard-to-misuse interfaces.5. Specify an API to support the STEEL programming model, and a runtime implementationleveraging techniques and programming paradigms supported by modern C++, illustratingits flexibility, ease of use and performance impact by means of simple use cases and examples.Hence, the proposed methodology stands for a clear and strict separation of concerns betweenthe involved actors in a parallel executions: user / codes and underlying hardware. This kind ofabstractions allows a delegation of the expert knowledge from the user toward the system software(runtime) in a systematic way, and facilitates the integration of mechanisms to automate optimizations,adapting performance to the specificities of the heterogeneous parallel architecture in whichthe code is instantiated and executed.From this perspective, the thesis designs, implements and validates mechanisms to perform aso-called complexity formalization, classifying many actions that are currently done by the userand building a framework in which these complexities can be delegated to the runtime system. Thedelegation of these decisions is already a step forward to next generation of programming modelsseeking performance, expressivity, programmability and portability...
La presente tesis doctoral propone el diseño e implementación de un nuevo modelo de programación basado en relajaciones de ejecución y enfocado al ámbito de la Computación Paralela de Altas Prestaciones. Concretamente, los objetivos principales de la tesis son:1. Abogar por una metodología de desarrollo en la que el usuario define las unidades básicas de computo (tareas), junto con un conjunto de relajaciones en, posiblemente, múltiples dimensiones. Estas relajaciones se traducirán, en tiempo de ejecución, en oportunidades expandidas(y complejas) de planificación en función de la arquitectura subyacente, impactando así en métricas como rendimiento o consumo energético.2. Abstraer al usuario de la complejidad del hardware subyacente, delegando la correcta explotación de dichas posibilidades de planificación expandidas a un componente software de sistema (típicamente conocido como runtime). Dicho software, dotado de conocimiento tanto de las características estáticas de la arquitectura subyacente como del estado puntual de la misma en el momento de la ejecución, explotará las combinaciones consideradas optimas de entre las relajaciones propuestas por el usuario para cada tarea lista para set ejecutada.3. Extender dicha abstracción para describir tanto sistemas de cómputo, en forma de jerarquía de ejecutores y alojadores de memoria que en ´ultimo término describen una arquitectura de cómputo heterogénea, como aplicaciones, en forma de un conjunto de tareas interrelacionadas. Además, las relaciones entre ejecutores y tareas son clasificadas en una nueva taxonomía tarea-ejecutor, la cual motiva frontends de programación HPC sin ambigüedad basados en la clasificación STSE, Single Task - Single Executor, separada de backends runtime totalmente automatizados.4. Proponer un nuevo modelo de programación (STEEL) basado en la clasificación STSE que aglutine ciertas características consideradas básicas de cara al éxito de los futuros modelos de programación basados en tareas: rendimiento, facilidad de composición, expresividad e interfaces no permisivos ante fallos.5. Especificar una API que dé soporte al modelo de programación, así como una implementación runtime del mismo aprovechando técnicas y paradigmas soportados en el lenguaje C++ de última generación, e ilustrar su uso, flexibilidad e impacto en el rendimiento a través de ejemplos y casos de uso sencillos .La metodología que se propugna aboga por una clara y estricta separación de conceptos entre los actores básicos que componen una ejecución paralela: usuario / código y hardware subyacente. Este tipo de abstracciones permite delegar el conocimiento experto desde el usuario hacia el software de sistema, proporcionando así mecanismos para mecanizar y automatizar su optimización ,y adaptar su rendimiento a la arquitectura paralela sobre la que se instanciarán los códigos. Desde este punto de vista, la tesis diseña, implementa y valida mecanismos para llevar a cabo una formalización de la complejidad inherente a la programación paralela heterogénea, clasificando aquellas acciones que en la actualidad se llevan a cabo por parte del usuario en el proceso de desarrollo y optimización de código, y proporcionando un marco de trabajo en el que dicha complejidad puede ser delegada, de forma eficiente y consistente, a un runtime...
La presente tesis doctoral propone el diseño e implementación de un nuevo modelo de programación basado en relajaciones de ejecución y enfocado al ámbito de la Computación Paralela de Altas Prestaciones. Concretamente, los objetivos principales de la tesis son:1. Abogar por una metodología de desarrollo en la que el usuario define las unidades básicas de computo (tareas), junto con un conjunto de relajaciones en, posiblemente, múltiples dimensiones. Estas relajaciones se traducirán, en tiempo de ejecución, en oportunidades expandidas(y complejas) de planificación en función de la arquitectura subyacente, impactando así en métricas como rendimiento o consumo energético.2. Abstraer al usuario de la complejidad del hardware subyacente, delegando la correcta explotación de dichas posibilidades de planificación expandidas a un componente software de sistema (típicamente conocido como runtime). Dicho software, dotado de conocimiento tanto de las características estáticas de la arquitectura subyacente como del estado puntual de la misma en el momento de la ejecución, explotará las combinaciones consideradas optimas de entre las relajaciones propuestas por el usuario para cada tarea lista para set ejecutada.3. Extender dicha abstracción para describir tanto sistemas de cómputo, en forma de jerarquía de ejecutores y alojadores de memoria que en ´ultimo término describen una arquitectura de cómputo heterogénea, como aplicaciones, en forma de un conjunto de tareas interrelacionadas. Además, las relaciones entre ejecutores y tareas son clasificadas en una nueva taxonomía tarea-ejecutor, la cual motiva frontends de programación HPC sin ambigüedad basados en la clasificación STSE, Single Task - Single Executor, separada de backends runtime totalmente automatizados.4. Proponer un nuevo modelo de programación (STEEL) basado en la clasificación STSE que aglutine ciertas características consideradas básicas de cara al éxito de los futuros modelos de programación basados en tareas: rendimiento, facilidad de composición, expresividad e interfaces no permisivos ante fallos.5. Especificar una API que dé soporte al modelo de programación, así como una implementación runtime del mismo aprovechando técnicas y paradigmas soportados en el lenguaje C++ de última generación, e ilustrar su uso, flexibilidad e impacto en el rendimiento a través de ejemplos y casos de uso sencillos .La metodología que se propugna aboga por una clara y estricta separación de conceptos entre los actores básicos que componen una ejecución paralela: usuario / código y hardware subyacente. Este tipo de abstracciones permite delegar el conocimiento experto desde el usuario hacia el software de sistema, proporcionando así mecanismos para mecanizar y automatizar su optimización ,y adaptar su rendimiento a la arquitectura paralela sobre la que se instanciarán los códigos. Desde este punto de vista, la tesis diseña, implementa y valida mecanismos para llevar a cabo una formalización de la complejidad inherente a la programación paralela heterogénea, clasificando aquellas acciones que en la actualidad se llevan a cabo por parte del usuario en el proceso de desarrollo y optimización de código, y proporcionando un marco de trabajo en el que dicha complejidad puede ser delegada, de forma eficiente y consistente, a un runtime...
Description
Tesis de la Universidad Complutense de Madrid, Facultad de Informática, leída el 22-11-2019