Simulation methodologies for future large-scale parallel systems
Authors:   , Grass Thomas 
Published: July 2023

Since the early 2000s, computer systems have seen a transition from single-core to multi-core systems. While single-core systems included only one processor core on a chip, current multi-core processors include up to tens of cores on a single chip, a trend which is likely to continue in the future. Today, multi-core processors are ubiquitous. They are used in all classes of computing systems, ranging from low-cost mobile phones to high-end High-Performance Computing (HPC) systems. Designing future multi-core systems is a major challenge [12]. The primary design tool used by computer architects in academia and industry is architectural simulation. Simulating a computer system executing a program is typically several orders of magnitude slower than running the program on a real system. Therefore, new techniques are needed to speed up simulation and allow the exploration of large design spaces in a reasonable amount of time.

One way of increasing simulation speed is sampling. Sampling reduces simulation time by simulating only a representative subset of a program in detail. In this thesis, we present a workload analysis of a set of task-based programs. We then use the insights from this study to propose TaskPoint, a sampled simulation methodology for task-based programs. Task-based programming models can reduce the synchronization costs of parallel programs on multi-core systems and are becoming increasingly important. Finally, we present MUSA, a simulation methodology for simulating applications running on thousands of cores on a hybrid, distributed shared-memory system. The simulation time required for simulation with MUSA is comparable to the time needed for native execution of the simulated program on a production HPC system.

The techniques developed in the scope of this thesis permit researchers and engineers working in computer architecture to simulate large workloads, which were infeasible to simulate in the past. Our work enables architectural research in the fields of future large-scale shared-memory and hybrid, distributed shared-memory systems.

Des dels principis dels anys 2000, els sistemes d'ordinadors han experimentat una transició de sistemes d'un sol nucli a sistemes de múltiples nuclis. Mentre els sistemes d'un sol nucli incloïen només un nucli en un xip, els sistemes actuals de múltiples nuclis n'inclouen desenes, una tendència que probablement continuarà en el futur. Avui en dia, els processadors de múltiples nuclis són omnipresents. Es fan servir en totes les classes de sistemes de computació, de telèfons mòbils de baix cost fins a sistemes de computació d'alt rendiment. Dissenyar els futurs sistemes de múltiples nuclis és un repte important. L'eina principal usada pels arquitectes de computadors, tant a l'acadèmia com a la indústria, és la simulació. Simular un ordinador executant un programa típicament és múltiples ordres de magnitud més lent que executar el mateix programa en un sistema real. Per tant, es necessiten noves tècniques per accelerar la simulació i permetre l'exploració de grans espais de disseny en un temps raonable. Una manera d'accelerar la velocitat de simulació és la simulació mostrejada. La simulació mostrejada redueix el temps de simulació simulant en detall només un subconjunt representatiu d¿un programa. En aquesta tesi es presenta una anàlisi de rendiment d'una col·lecció de programes basats en tasques. Com a resultat d'aquesta anàlisi, proposem TaskPoint, una metodologia de simulació mostrejada per programes basats en tasques. Els models de programació basats en tasques poden reduir els costos de sincronització de programes paral·lels executats en sistemes de múltiples nuclis i actualment estan guanyant importància. Finalment, presentem MUSA, una metodologia de simulació per simular aplicacions executant-se en milers de nuclis d'un sistema híbrid, que consisteix en nodes de memòria compartida que formen un sistema de memòria distribuïda. El temps que requereixen les simulacions amb MUSA és comparable amb el temps que triga l'execució nativa en un sistema d'alt rendiment en producció. Les tècniques desenvolupades al llarg d'aquesta tesi permeten simular execucions de programes que abans no eren viables, tant als investigadors com als enginyers que treballen en l'arquitectura de computadors. Per tant, aquest treball habilita futura recerca en el camp d'arquitectura de sistemes de memòria compartida o distribuïda, o bé de sistemes híbrids, a gran escala.

A principios de los años 2000, los sistemas de ordenadores experimentaron una transición
de sistemas con un núcleo a sistemas con múltiples núcleos. Mientras los sistemas single-core incluían un sólo núcleo, los sistemas multi-core incluyen decenas de núcleos en el mismo chip, una tendencia que probablemente continuará en el futuro. Hoy en día, los procesadores multi-core son omnipresentes. Se utilizan en todas las clases de sistemas de computación, de teléfonos móviles de bajo coste hasta sistemas de alto rendimiento. Diseñar sistemas multi-core del futuro es un reto importante. La herramienta principal usada por arquitectos de computadores, tanto en la academia como en la industria, es la simulación. Simular un computador ejecutando un programa típicamente es múltiples ordenes de magnitud más lento que ejecutar el mismo programa en un sistema real. Por ese motivo se necesitan nuevas técnicas para acelerar la simulación y permitir la exploración de grandes espacios de diseño dentro de un tiempo razonable.
Una manera de aumentar la velocidad de simulación es la simulación muestreada. La simulación muestreada reduce el tiempo de simulación simulando en detalle sólo un subconjunto representativo de la ejecución entera de un programa. En esta tesis presentamos un análisis de rendimiento de una colección de programas basados en tareas. Como resultado de este análisis presentamos TaskPoint, una metodología de simulación muestreada para programas basados en tareas. Los modelos de programación basados en tareas pueden reducir los costes de sincronización de programas paralelos ejecutados en sistemas multi-core y actualmente están ganando importancia. Finalmente, presentamos MUSA, una metodología para simular aplicaciones ejecutadas en miles de núcleos de un sistema híbrido, compuesto de nodos de memoria compartida que forman un sistema de memoria distribuida. El tiempo de simulación que requieren las simulaciones con MUSA es comparable con el tiempo necesario para la ejecución del programa simulado en un sistema de alto rendimiento en producción.
Las técnicas desarolladas al largo de esta tesis permiten a los investigadores e ingenieros
trabajando en la arquitectura de computadores simular ejecuciones largas, que antes no se podían simular. Nuestro trabajo facilita nuevos caminos de investigación en los campos de sistemas de memoria compartida o distribuida y en sistemas híbridos.