Resilience for large ensemble computations
Authors:   , Keller Kai Rasmus 
Published: July 2023

With the increasing power of supercomputers, ever more detailed models of physical systems can be simulated, and ever larger problem sizes can be considered for any kind of numerical system. During the last twenty years the performance of the fastest clusters went from the teraFLOPS domain (ASCI RED: 2.3 teraFLOPS) to the pre-exaFLOPS domain (Fugaku: 442 petaFLOPS), and we will soon have the first supercomputer with a peak performance cracking the exaFLOPS (El Capitan: 1.5 exaFLOPS). Ensemble techniques experience a renaissance with the availability of those extreme scales. Especially recent techniques, such as particle filters, will benefit from it. Current ensemble methods in climate science, such as ensemble Kalman filters, exhibit a linear dependency between the problem size and the ensemble size, while particle filters show an exponential dependency. Nevertheless, with the prospect of massive computing power come challenges such as power consumption and fault-tolerance. The mean-time-between-failures shrinks with the number of components in the system, and it is expected to have failures every few hours at exascale. In this thesis, we explore and develop techniques to protect large ensemble computations from failures. We present novel approaches in differential checkpointing, elastic recovery, fully asynchronous checkpointing, and checkpoint compression. Furthermore, we design and implement a fault-tolerant particle filter with pre-emptive particle prefetching and caching. And finally, we design and implement a framework for the automatic validation and application of lossy compression in ensemble data assimilation. Altogether, we present five contributions in this thesis, where the first two improve state-of-the-art checkpointing techniques, and the last three address the resilience of ensemble computations. The contributions represent stand-alone fault-tolerance techniques, however, they can also be used to improve the properties of each other. For instance, we utilize elastic recovery (2nd contribution) for mitigating resiliency in an online ensemble data assimilation framework (3rd contribution), and we built our validation framework (5th contribution) on top of our particle filter implementation (4th contribution). We further demonstrate that our contributions improve resilience and performance with experiments on various architectures such as Intel, IBM, and ARM processors.

Amb l’increment de les capacitats de còmput dels supercomputadors, es poden simular models de sistemes físics encara més detallats, i es poden resoldre problemes de més grandària en qualsevol tipus de sistema numèric. Durant els últims vint anys, el rendiment dels clústers més ràpids ha passat del domini dels teraFLOPS (ASCI RED: 2.3 teraFLOPS) al domini dels pre-exaFLOPS (Fugaku: 442 petaFLOPS), i aviat tindrem el primer supercomputador amb un rendiment màxim que sobrepassa els exaFLOPS (El Capitan: 1.5 exaFLOPS). Les tècniques d’ensemble experimenten un renaixement amb la disponibilitat d’aquestes escales tan extremes. Especialment les tècniques més noves, com els filtres de partícules, se¿n beneficiaran. Els mètodes d’ensemble actuals en climatologia, com els filtres d’ensemble de Kalman, exhibeixen una dependència lineal entre la mida del problema i la mida de l’ensemble, mentre que els filtres de partícules mostren una dependència exponencial. No obstant, juntament amb les oportunitats de poder computar massivament, apareixen desafiaments com l’alt consum energètic i la necessitat de tolerància a errors. El temps de mitjana entre errors es redueix amb el nombre de components del sistema, i s’espera que els errors s’esdevinguin cada poques hores a exaescala. En aquesta tesis, explorem i desenvolupem tècniques per protegir grans càlculs d’ensemble d’errors. Presentem noves tècniques en punts de control diferencials, recuperació elàstica, punts de control totalment asincrònics i compressió de punts de control. A més, dissenyem i implementem un filtre de partícules tolerant a errors amb captació i emmagatzematge en caché de partícules de manera preventiva. I finalment, dissenyem i implementem un marc per la validació automàtica i l’aplicació de compressió amb pèrdua en l’assimilació de dades d’ensemble. En total, en aquesta tesis presentem cinc contribucions, les dues primeres de les quals milloren les tècniques de punts de control més avançades, mentre que les tres restants aborden la resiliència dels càlculs d’ensemble. Les contribucions representen tècniques independents de tolerància a errors; no obstant, també es poden utilitzar per a millorar les propietats de cadascuna. Per exemple, utilitzem la recuperació elàstica (segona contribució) per a mitigar la resiliència en un marc d’assimilació de dades d’ensemble en línia (tercera contribució), i construïm el nostre marc de validació (cinquena contribució) sobre la nostra implementació del filtre de partícules (quarta contribució). A més, demostrem que les nostres contribucions milloren la resiliència i el rendiment amb experiments en diverses arquitectures, com processadors Intel, IBM i ARM.