Including the workload effect in the parallel program signature

Performance prediction and application behavior modeling have been the subject of exten- sive research that aim to estimate applications performance with an acceptable precision. A novel approach to predict the performance of parallel applications is based in the con- cept of Parallel Application Signatures that consists in extract an application most relevant parts (phases) and the number of times they repeat (weights). Executing these phases in a target machine and multiplying its exeuction time by its weight an estimation of the application total execution time can be made. One of the problems is that the performance of an application depends on the program workload. Every type of workload affects differently how an application performs in a given system and so affects the signature execution time. Since the workloads used in most scientific parallel applications have dimensions and data ranges well known and the behavior of these applications are mostly deterministic, a model of how the programs workload affect its performance can be obtained. We create a new methodology to model how a program’s workload affect the parallel application signature. Using regression analysis we are able to generalize each phase time execution and weight function to predict an application performance in a target system for any type of workload within predefined range. We validate our methodology using a synthetic program, benchmarks applications and well known real scientific applications.

RADIC II: a fault tolerant architecture with flexible dynamic redundancy

The demand for computational power has been leading the improvement of the High Performance Computing (HPC) area, generally represented by the use of distributed systems like clusters of computers running parallel applications. In this area, fault tolerance plays an important role in order to provide high availability isolating the application from the faults effects. Performance and availability form an undissociable binomial for some kind of applications. Therefore, the fault tolerant solutions must take into consideration these two constraints when it has been designed. In this dissertation, we present a few side-effects that some fault tolerant solutions may presents when recovering a failed process. These effects may causes degradation of the system, affecting mainly the overall performance and availability. We introduce RADIC-II, a fault tolerant architecture for message passing based on RADIC (Redundant Array of Distributed Independent Fault Tolerance Controllers) architecture. RADIC-II keeps as maximum as possible the RADIC features of transparency, decentralization, flexibility and scalability, incorporating a flexible dynamic redundancy feature, allowing to mitigate or to avoid some recovery side-effects.

Entorno de desarrollo para clusters

El presente trabajo expone los entornos de desarrollo de aplicaciones paralelas en sistemas distribuidos. Se ha dedicado especial atención a los entornos gráficos, como plataforma de acceso al cluster. Dada la cantidad de alternativas a seleccionar en este tipo de entornos, como puede ser la parametrización de las aplicaciones, especificación de la arquitectura a utilizar de los nodos, caracterización de la carga, políticas de planificación, etc, hace que este trabajo pueda servir de punto inicial de partida a usuarios que deseen iniciarse en este tipo de entornos.

Análisis de rendimiento de aplicaciones paralelas de memoria compartida: problema N-body

Este trabajo analiza el rendimiento de cuatro nodos de cómputo multiprocesador de memoria compartida para resolver el problema N-body. Se paraleliza el algoritmo serie, y se codifica usando el lenguaje C extendido con OpenMP. El resultado son dos variantes que obedecen a dos criterios de optimización diferentes: minimizar los requisitos de memoria y minimizar el volumen de cómputo. Posteriormente, se realiza un proceso de análisis de las prestaciones del programa sobre los nodos de cómputo. Se modela el rendimiento de las variantes secuenciales y paralelas de la aplicación, y de los nodos de cómputo; se instrumentan y ejecutan los programas para obtener resultados en forma de varias métricas; finalmente se muestran e interpretan los resultados, proporcionando claves que explican ineficiencias y cuellos de botella en el rendimiento y posibles líneas de mejora. La experiencia de este estudio concreto ha permitido esbozar una incipiente metodología de análisis de rendimiento, identificación de problemas y sintonización de algoritmos a nodos de cómputo multiprocesador de memoria compartida.

Análisis y sintonización de aplicaciones paralelas/distribuidas de bioinformática: caso de estudio mpiBLAST

En termes de temps d'execució i ús de dades, les aplicacions paral·leles/distribuïdes poden tenir execucions variables, fins i tot quan s'empra el mateix conjunt de dades d'entrada. Existeixen certs aspectes de rendiment relacionats amb l'entorn que poden afectar dinàmicament el comportament de l'aplicació, tals com: la capacitat de la memòria, latència de la xarxa, el nombre de nodes, l'heterogeneïtat dels nodes, entre d'altres. És important considerar que l'aplicació pot executar-se en diferents configuracions de maquinari i el desenvolupador d'aplicacions no port garantir que els ajustaments de rendiment per a un sistema en particular continuïn essent vàlids per a d'altres configuracions. L'anàlisi dinàmica de les aplicacions ha demostrat ser el millor enfocament per a l'anàlisi del rendiment per dues raons principals. En primer lloc, ofereix una solució molt còmoda des del punt de vista dels desenvolupadors mentre que aquests dissenyen i evaluen les seves aplicacions paral·leles. En segon lloc, perquè s'adapta millor a l'aplicació durant l'execució. Aquest enfocament no requereix la intervenció de desenvolupadors o fins i tot l'accés al codi font de l'aplicació. S'analitza l'aplicació en temps real d'execució i es considra i analitza la recerca dels possibles colls d'ampolla i optimitzacions. Per a optimitzar l'execució de l'aplicació bioinformàtica mpiBLAST, vam analitzar el seu comportament per a identificar els paràmetres que intervenen en el rendiment d'ella, com ara: l'ús de la memòria, l'ús de la xarxa, patrons d'E/S, el sistema de fitxers emprat, l'arquitectura del processador, la grandària de la base de dades biològica, la grandària de la seqüència de consulta, la distribució de les seqüències dintre d'elles, el nombre de fragments de la base de dades i/o la granularitat dels treballs assignats a cada procés. El nostre objectiu és determinar quins d'aquests paràmetres tenen major impacte en el rendiment de les aplicacions i com ajustar-los dinàmicament per a millorar el rendiment de l'aplicació. Analitzant el rendiment de l'aplicació mpiBLAST hem trobat un conjunt de dades que identifiquen cert nivell de serial·lització dintre l'execució. Reconeixent l'impacte de la caracterització de les seqüències dintre de les diferents bases de dades i una relació entre la capacitat dels workers i la granularitat de la càrrega de treball actual, aquestes podrien ser sintonitzades dinàmicament. Altres millores també inclouen optimitzacions relacionades amb el sistema de fitxers paral·lel i la possibilitat d'execució en múltiples multinucli. La grandària de gra de treball està influenciat per factors com el tipus de base de dades, la grandària de la base de dades, i la relació entre grandària de la càrrega de treball i la capacitat dels treballadors.

Predictive and distributed routing balancing (PR-DRB): high speed interconnection networks

Current parallel applications running on clusters require the use of an interconnection network to perform communications among all computing nodes available. Imbalance of communications can produce network congestion, reducing throughput and increasing latency, degrading the overall system performance. On the other hand, parallel applications running on these networks posses representative stages which allow their characterization, as well as repetitive behavior that can be identified on the basis of this characterization. This work presents the Predictive and Distributed Routing Balancing (PR-DRB), a new method developed to gradually control network congestion, based on paths expansion, traffic distribution and effective traffic load, in order to maintain low latency values. PR-DRB monitors messages latencies on intermediate routers, makes decisions about alternative paths and record communication pattern information encountered during congestion situation. Based on the concept of applications repetitiveness, best solution recorded are reapplied when saved communication pattern re-appears. Traffic congestion experiments were conducted in order to evaluate the performance of the method, and improvements were observed.

Aplicación de la ingeniería del software sobre la herramienta MATE: Common y DMLib

Aquest projecte intenta implantar una metodologia de treball sobre MATE. MATE es una eina de sintonització d'aplicacions paral·leles sorgida de la tesis doctoral d'Anna Sikora a 2003. Vistos els resultats obtinguts, es va decidir donar un pas endavant i convertir-la en un producte software Open Source. Per fer-ho ha sigut necessari aplicar una serie d'estàndards i fer un proces de tests. En aquest treball s'ha creat part de la metodologia i s'han modificat dos dels mòduls principals.

Aplicación de la ingeniería software sobre la herramienta MATE Analyzer

MATE (Monitoring, Analysis and Tuning Environment) es un proyecto que surge en 2004 como tesis doctoral de Anna Sikora con el propósito de investigar la mejora de rendimiento de aplicaciones paralelas a través de la modificación dinámica. Nuestro proyecto supone un paso adelante en cuestiones de calidad de software y pretende dotar al proyecto MATE de una base de desarrollo sólida de cara a futuras lineas de trabajo. Para ello se hace frente a la problemática desde tres perspectivas: la creación de una metodología de desarrollo (y su aplicación sobre el proyecto existente), la implantación de un entorno de desarrollo de soporte y el desarrollo de nuevas características para favorecer la portabilidad y la usabilidad, entre otros aspectos.

RADIC: un middleware de tolerancia a fallos que preserva el rendimiento

La tolerancia a fallos es una línea de investigación que ha adquirido una importancia relevante con el aumento de la capacidad de cómputo de los súper-computadores actuales. Esto es debido a que con el aumento del poder de procesamiento viene un aumento en la cantidad de componentes que trae consigo una mayor cantidad de fallos. Las estrategias de tolerancia a fallos actuales en su mayoría son centralizadas y estas no escalan cuando se utiliza una gran cantidad de procesos, dado que se requiere sincronización entre todos ellos para realizar las tareas de tolerancia a fallos. Además la necesidad de mantener las prestaciones en programas paralelos es crucial, tanto en presencia como en ausencia de fallos. Teniendo en cuenta lo citado, este trabajo se ha centrado en una arquitectura tolerante a fallos descentralizada (RADIC – Redundant Array of Distributed and Independant Controllers) que busca mantener las prestaciones iniciales y garantizar la menor sobrecarga posible para reconfigurar el sistema en caso de fallos. La implementación de esta arquitectura se ha llevado a cabo en la librería de paso de mensajes denominada Open MPI, la misma es actualmente una de las más utilizadas en el mundo científico para la ejecución de programas paralelos que utilizan una plataforma de paso de mensajes. Las pruebas iniciales demuestran que el sistema introduce mínima sobrecarga para llevar a cabo las tareas correspondientes a la tolerancia a fallos. MPI es un estándar por defecto fail-stop, y en determinadas implementaciones que añaden cierto nivel de tolerancia, las estrategias más utilizadas son coordinadas. En RADIC cuando ocurre un fallo el proceso se recupera en otro nodo volviendo a un estado anterior que ha sido almacenado previamente mediante la utilización de checkpoints no coordinados y la relectura de mensajes desde el log de eventos. Durante la recuperación, las comunicaciones con el proceso en cuestión deben ser retrasadas y redirigidas hacia la nueva ubicación del proceso. Restaurar procesos en un lugar donde ya existen procesos sobrecarga la ejecución disminuyendo las prestaciones, por lo cual en este trabajo se propone la utilización de nodos spare para la recuperar en ellos a los procesos que fallan, evitando de esta forma la sobrecarga en nodos que ya tienen trabajo. En este trabajo se muestra un diseño propuesto para gestionar de un modo automático y descentralizado la recuperación en nodos spare en un entorno Open MPI y se presenta un análisis del impacto en las prestaciones que tiene este diseño. Resultados iniciales muestran una degradación significativa cuando a lo largo de la ejecución ocurren varios fallos y no se utilizan spares y sin embargo utilizándolos se restablece la configuración inicial y se mantienen las prestaciones.

What to consider for applying backfilling on non-dedicated environments

The resource utilization level in open laboratories of several universities has been shown to be very low. Our aim is to take advantage of those idle resources for parallel computation without disturbing the local load. In order to provide a system that lets us execute parallel applications in such a non-dedicated cluster, we use an integral scheduling system that considers both Space and Time sharing concerns. For dealing with the Time Sharing (TS) aspect, we use a technique based on the communication-driven coscheduling principle. This kind of TS system has some implications on the Space Sharing (SS) system, that force us to modify the way job scheduling is traditionally done. In this paper, we analyze the relation between the TS and the SS systems in a non-dedicated cluster. As a consequence of this analysis, we propose a new technique, termed 3DBackfilling. This proposal implements the well known SS technique of backfilling, but applied to an environment with a MultiProgramming Level (MPL) of the parallel applications that is greater than one. Besides, 3DBackfilling considers the requirements of the local workload running on each node. Our proposal was evaluated in a PVM/MPI Linux cluster, and it was compared with several more traditional SS policies applied to non-dedicated environments.

Exploring Cross-layer power management for PGAS applications on the SCC platform

Technological limitations and power constraints are resulting in high-performance parallel computing architectures that are based on large numbers of high-core-count processors. Commercially available processors are now at 8 and 16 cores and experimental platforms, such as the many-core Intel Single-chip Cloud Computer (SCC) platform, provide much higher core counts. These trends are presenting new sets of challenges to HPC applications including programming complexity and the need for extreme energy efficiency.In this work, we first investigate the power behavior of scientific PGAS application kernels on the SCC platform, and explore opportunities and challenges for power management within the PGAS framework. Results obtained via empirical evaluation of Unified Parallel C (UPC) applications on the SCC platform under different constraints, show that, for specific operations, the potential for energy savings in PGAS is large; and power/performance trade-offs can be effectively managed using a cross-layerapproach. We investigate cross-layer power management using PGAS language extensions and runtime mechanisms that manipulate power/performance tradeoffs. Specifically, we present the design, implementation and evaluation of such a middleware for application-aware cross-layer power management of UPC applications on the SCC platform. Finally, based on our observations, we provide a set of recommendations and insights that can be used to support similar power management for PGAS applications on other many-core platforms.