Run-time support for multi-level disjoint memory address spaces
Authors:   , Bueno Hedo Javier 
Published: July 2023

High Performance Computing (HPC) systems have become widely used tools in many industry areas and research fields. Research to produce more powerful and efficient systems has grown in par with their popularity. As a consequence, the complexity of modern HPC architectures has increased in order to provide systems with the highest levels of performance. This increased complexity has also affected the way HPC systems are programmed. HPC users have to deal with new devices, languages and tools, and this is can be a significant access barrier to people that do not have a deep knowledge in computer science.
On par with the evolution of HPC systems, programming models have also evolved to ease the task of developing applications for these machines. Two well-known examples are OpenMP and MPI. The former can be used in shared memory systems and is praised for offering an easy methodology of software development. The latter is more popular because it targets distributed environments but it is considered burdensome to use. Besides these two, many programming models have emerged to propose new methodologies or to handle new hardware devices. One of these models is OmpSs.
OmpSs is a programming model for modern HPC systems that is based on OpenMP and StarSs. Developed by the Programming Models group at the Barcelona Supercomputing Center, it targets the latest generation of HPC systems while benefiting from the ease of use of OpenMP. OmpSs offers asynchronous parallelism with the concept of tasks with data dependencies. These tasks allow the specification of sections of code that can be executed in parallel while the dependencies specify the restrictions about the order in which the tasks can be executed. With this, OmpSs programs can adapt to a many different system configurations while fundamentally still being sequential programs with annotations.
This thesis explores the benefits of providing OmpSs the capability to target architectures with complex memory hierarchies. An example of such systems can be the new generation of clusters that use accelerators to power their computing capabilities. The memory hierarchy of these machines is composed of a first level of distributed memory formed by the memory of each individual node, and a second level formed by the private memory of each accelerator devices.
Our first contribution shows the implementation of the support of cluster of multi-cores for the OmpSs programming model. We also present two optimizations to boost the performance of applications running on top of cluster systems: a specific task scheduling policy and the addition of slave-to-slave transfers. We evaluate our implementation using a set of benchmarks coded in OmpSs and we also compare them against the same applications implemented using MPI, the most widely used programming model for these systems.
We extend our initial implementation in our second contribution, which provides OmpSs with support for clusters of GPUs. We show that OmpSs programs targeting these complex systems are capable of achieving a good performance when compared against MPI+CUDA implementations.
The third contribution of this thesis presents an implementation and evaluation of the performance and programmability impact of supporting non-contiguous memory regions. Offering this feature allows applications with complex data accesses to be easily annotated with OmpSs. This is important to widen the spectrum of applications that can be handled by the programming model.

Els sistemes de computació d'altes prestacions (CAP) han esdevingut eines importants en diferents sectors industrials i camps de recerca. La recerca per produir sistemes més potents i eficients ha crescut proporcionalment a aquesta popularitat. Com a conseqüència, la complexitat d'aquest tipus de sistemes s'ha incrementat per tal de dotar-los d'altes prestacions. Aquest increment en la complexitat també ha afectat la manera de programar aquest tipus de sistemes. Els usuaris de sistemes CAP han de treballar amb nous dispositius, llenguatges i eines, i això pot convertir-se en una barrera d'entrada significativa per aquelles persones que no tinguin uns alts coneixements informàtics. Seguin l'evolució dels sistemes CAP, els models de programació també han evolucionat per tal de facilitar la tasca de desenvolupar aplicacions per aquests sistemes. Dos exemples ben coneguts son OpenMP i MPI. El primer es pot utilitzar en sistemes de memòria compartida i es reconegut per oferir una metodologia de desenvolupament senzilla. El segon és més popular perquè està dissenyat per sistemes distribuïts, però està considerat difícil d'utilitzar. A part d'aquests dos, altres models de programació han sorgit per proposar noves metodologies o per suportar nous components hardware. Un d'aquests nous models és OmpSs. OmpSs és un model de programació per sistemes CAP moderns que està basat en OpenMP i StarSs. Desenvolupat pel grup de Models de Programació del Barcelona Supercomputing Center, està dissenyat per suportar la darrera generació de sistemes CAP i alhora oferir la facilitat d'us d'OpenMP. OmpSs ofereix paral·lelisme asíncron mitjançant el concepte de tasques amb dependències de dades. Aquestes tasques permeten especificar regions de codi que poden ser executades en paral·lel, mentre que les dependències especifiquen les restriccions sobre l'ordre en que aquestes tasques poden ser executades. Amb això, els programes fets amb OmpSs poden adaptar-se a sistemes amb diferents configuracions tot i ser fonamentalment programes seqüencials amb anotacions. Aquesta tesi explora els beneficis de proveir a OmpSs amb la capacitat de funcionar sobre arquitectures amb jerarquies de memòria complexes. Un exemple d'un sistema així pot ser un dels clústers de nova generació que utilitzen acceleradors per tal d'oferir més capacitat de càlcul. La jerarquia de memòria en aquestes màquines està composada per un primer nivell de memòria distribuïda formada per la memòria de cada node individual, i el segon nivell està format per la memòria privada de cada accelerador. La primera contribució d'aquesta tesi mostra la implementació del suport de clústers de multi-cores pel model de programació OmpSs. També presentem dos optimitzacions per millorar el rendiment de les aplicacions quan s'executen en sistemes clúster: una política de planificació de tasques específica i la incorporació dels missatges entre nodes esclaus. Avaluem la nostra implementació usant un conjunt d'aplicacions programades en OmpSs i també les comparem amb les mateixes aplicacions implementades usant MPI, el model de programació més estès per aquest tipus de sistemes. En la segona contribució estenem la nostra implementació inicial per tal de dotar OmpSs de suport per clústers de GPUs. Mostrem que els programes OmpSs son capaços d'obtenir un bon rendiment sobre aquests tipus de sistemes, fins i tot quan els comparem amb versions implementades usant MPI+CUDA. La tercera contribució descriu la implementació i avaluació del rendiment i de l'impacte de suportar regions de memòria no contigües. Oferir aquesta funcionalitat permet implementar fàcilment amb OmpSs aplicacions amb accessos complexes a memòria, cosa que és important de cara a ampliar l'espectre d'aplicacions que poden ser tractades pel model de programació.