On the design and development of programming models for exascale systems
Authors:   , Maroñas Bravo Marcos 
Published: July 2023

High Performance Computing (HPC) systems have been evolving over time to adapt to the scientific community requirements. We are currently approaching to the Exascale era. Exascale systems will incorporate a large number of nodes, each of them containing many computing resources. Besides that, not only the computing resources, but memory hierarchies are becoming more deep and complex. Overall, Exascale systems will present several challenges in terms of performance, programmability and fault tolerance. Regarding programmability, the more complex a system architecture is, the more complex to properly exploit the system. The programmability is closely related to the performance, because the performance a system can deliver is useless if users are not able to write programs that obtain such performance. This stresses the importance of programming models as a tool to easily write programs that can reach the peak performance of the system. Finally, it is well known that more components lead to more errors. The combination of large executions with a low Mean Time To Failure (MTTF) may jeopardize application progress. Thus, all the efforts done to improve performance
become pointless if applications hardly finish. To prevent that, we must apply fault tolerance. The main goal of this thesis is to enable non-expert users to exploit complex Exascale systems. To that end, we have enhanced state-of-the-art parallel programming models to cope with three key Exascale challenges: programmability, performance and fault tolerance. The first set of contributions focuses on the efficient management of modern multicore/manycore processors. We propose a new kind of task that combines the key advantages of tasks with the key advantages of worksharing techniques. The use of this new task type alleviates granularity issues, thereby enhancing performance in several scenarios. We also propose the introduction of dependences in the taskloop construct so that programmers can easily apply blocking techniques. Finally, we extend taskloop construct to support the creation of the new kind of tasks instead of regular tasks. The second set of contributions focuses on the efficient management of modern memory hierarchies, focused on NUMA domains. By using the information that users provide in the dependences annotations, we build a system that tracks data location. Later, we use this information to take scheduling decisions that maximize data locality. Our last set of contributions focuses on fault tolerance. We propose a programming model that provides application-level checkpoint/restart in an easy and portable way. Our programming model offers a set of compiler directives to abstract users from system-level nuances. Then, it leverages state-of-the-art libraries to deliver high performance and includes several redundancy schemes.

Los supercomputadores han ido evolucionando a lo largo del tiempo para adaptarse a las necesidades de la comunidad científica. Actualmente, nos acercamos a la era Exascale. Los sistemas Exascale incorporarán un número de nodos enorme. Además, cada uno de esos nodos contendrá una gran cantidad de recursos computacionales. También la jerarquía de memoria se está volviendo más profunda y compleja. En conjunto, los sistemas Exascale plantearán varios desafíos en términos de rendimiento, programabilidad y tolerancia a fallos. Respecto a la programabilidad, cuánto más compleja es la arquitectura de un sistema, más difícil es aprovechar sus recursos de forma adecuada. La programabilidad está íntimamente ligada al rendimiento, ya que por mucho rendimiento que un sistema pueda ofrecer, no sirve de nada si nadie es capaz de conseguir ese rendimiento porque es demasiado difícil de usar. Esto refuerza la importancia de los modelos de programación como herramientas para desarrollar programas que puedan aprovechar al máximo estos sistemas de forma sencilla. Por último, es bien sabido que tener más componentes conlleva más errores. La combinación de ejecuciones muy largas y un tiempo medio hasta el fallo (MTTF) bajo ponen en peligro el progreso de las aplicaciones. Así pues, todos los esfuerzos realizados para mejorar el rendimiento son nulos si las aplicaciones difícilmente terminan. Para evitar esto, debemos desarrollar tolerancia a fallos. El objetivo principal de esta tesis es permitir que usuarios no expertos puedan aprovechar de forma óptima los complejos sistemas Exascale. Para ello, hemos mejorado algunos de los modelos de programación paralela más punteros para que puedan enfrentarse a tres desafíos clave de los sistemas Exascale: programabilidad, rendimiento y tolerancia a fallos. El primer conjunto de contribuciones de esta tesis se centra en la gestión eficiente de procesadores multicore/manycore. Proponemos un nuevo tipo de tarea que combina los puntos clave de las tareas con los de las técnicas de worksharing. Este nuevo tipo de tarea permite aliviar los problemas de granularidad, mejorando el rendimiento en algunos escenarios. También proponemos la introducción de dependencias en la directiva taskloop, de forma que los programadores puedan aplicar blocking de forma sencilla. Finalmente, extendemos la directiva taskloop para que pueda crear nuestro nuevo tipo de tareas, además de las tareas normales. El segundo conjunto de contribuciones está enfocado a la gestión eficiente de jerarquías de memoria modernas, centrado en entornos NUMA. Usando la información de las dependencias que anota el usuario, hemos construido un sistema que guarda la ubicación de los datos. Después, con esa información, decidimos dónde ejecutar el trabajo para maximizar la localidad de datos. El último conjunto de contribuciones se centra en tolerancia a fallos. Proponemos un modelo de programación que ofrece checkpoint/restart a nivel de aplicación, de forma sencilla y portable. Nuestro modelo ofrece una serie de directivas de compilador que permiten al usuario abstraerse de los detalles del sistema. Además, gestionamos librerías punteras en tolerancia a fallos para conseguir un alto rendimiento, incluyendo varios niveles y tipos de redundancia.