User-defined execution relaxations for enhanced programmability in high-performance parallel computing

Resumen

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 cómputo (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 óptimas 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 jerarquías de ejecutores y alojadores de memoria que en último 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.