On the co-design of scientific applications and long vector architectures

Abstract

The landscape of High Performance Computing (HPC) system architectures keeps expanding with new technologies and increased complexity. To improve the efficiency of next-generation compute devices, architects are looking for solutions beyond the commodity CPU approach. In 2021, the five most powerful supercomputers in the world use either GP-GPU (General-purpose computing on graphics processing units) accelerators or a customized CPU specially designed to target HPC applications. This trend is only expected to grow in the next years motivated by the compute demands of science and industry. As architectures evolve, the ecosystem of tools and applications must follow. The choices in the number of cores in a socket, the floating point-units per core and the bandwidth through the memory hierarchy among others, have a large impact in the power consumption and compute capabilities of the devices. To balance CPU and accelerators, designers require accurate tools for analyzing and predicting the impact of new architectural features on the performance of complex scientific applications at scale. In such a large design space, capturing and modeling with simulators the complex interactions between the system software and hardware components is a defying challenge. Moreover, applications must be able to exploit those designs with aggressive compute capabilities and memory bandwidth configurations. Algorithms and data structures will need to be redesigned accordingly to expose a high degree of data-level parallelism allowing them to scale in large systems. Therefore, next-generation computing devices will be the result of a co-design effort in hardware and applications supported by advanced simulation tools. In this thesis, we focus our work on the co-design of scientific applications and long vector architectures. We significantly extend a multi-scale simulation toolchain enabling accurate performance and power estimations of large-scale HPC systems. Through simulation, we explore the large design space in current HPC trends over a wide range of applications. We extract speedup and energy consumption figures analyzing the trade-offs and optimal configurations for each of the applications. We describe in detail the optimization process of two challenging applications on real vector accelerators, achieving outstanding operation performance and full memory bandwidth utilization. Overall, we provide evidence-based architectural and programming recommendations that will serve as hardware and software co-design guidelines for the next generation of specialized compute devices.

El panorama de las arquitecturas de los sistemas para la Computación de Alto Rendimiento (HPC, de sus siglas en inglés) sigue expandiéndose con nuevas tecnologías y complejidad adicional. Para mejorar la eficiencia de la próxima generación de dispositivos de computación, los arquitectos están buscando soluciones más allá de las CPUs. En 2021, los cinco supercomputadores más potentes del mundo utilizan aceleradores gráficos aplicados a propósito general (GP-GPU, de sus siglas en inglés) o CPUs diseñadas especialmente para aplicaciones HPC. En los próximos años, se espera que esta tendencia siga creciendo motivada por las demandas de más potencia de computación de la ciencia y la industria. A medida que las arquitecturas evolucionan, el ecosistema de herramientas y aplicaciones les debe seguir. Las decisiones eligiendo el número de núcleos por zócalo, las unidades de coma flotante por núcleo y el ancho de banda a través de la jerarquía de memoría entre otros, tienen un gran impacto en el consumo de energía y las capacidades de cómputo de los dispositivos. Para equilibrar las CPUs y los aceleradores, los diseñadores deben utilizar herramientas precisas para analizar y predecir el impacto de nuevas características de la arquitectura en el rendimiento de complejas aplicaciones científicas a gran escala. Dado semejante espacio de diseño, capturar y modelar con simuladores las complejas interacciones entre el software de sistema y los componentes de hardware es un reto desafiante. Además, las aplicaciones deben ser capaces de explotar tales diseños con agresivas capacidades de cómputo y ancho de banda de memoria. Los algoritmos y estructuras de datos deberán ser rediseñadas para exponer un alto grado de paralelismo de datos permitiendo así escalarlos en grandes sistemas. Por lo tanto, la siguiente generación de dispósitivos de cálculo será el resultado de un esfuerzo de codiseño tanto en hardware como en aplicaciones y soportado por avanzadas herramientas de simulación. En esta tesis, centramos nuestro trabajo en el codiseño de aplicaciones científicas y arquitecturas vectoriales largas. Extendemos significativamente una serie de herramientas para la simulación multiescala permitiendo así obtener estimaciones de rendimiento y potencia de sistemas HPC de gran escala. A través de simulaciones, exploramos el gran espacio de diseño de las tendencias actuales en HPC sobre un amplio rango de aplicaciones. Extraemos datos sobre la mejora y el consumo energético analizando las contrapartidas y las configuraciones óptimas para cada una de las aplicaciones. Describimos en detalle el proceso de optimización de dos aplicaciones en aceleradores vectoriales, obteniendo un rendimiento extraordinario a nivel de operaciones y completa utilización del ancho de memoria disponible. Con todo, ofrecemos recomendaciones empíricas a nivel de arquitectura y programación que servirán como instrucciones para diseñar mejor hardware y software para la siguiente generación de dispositivos de cálculo especializados.