Improving the programmability of heterogeneous systems by means of libraries

Abstract

[Resumo] O emprego de dispositivos heteroxéneos coma co-procesadores en entornos de computación de altas prestacións (HPC) medrou ininterrompidamente nos últimos anos debido ás súas excelentes propiedades en termos de rendemento e consumo de enerx:ía. A ma.ior dispoñibilidade de sistemas HPC híbridos conlevou de forma natural a necesidade de desenrolar ferra.mentas de programación adecuadas para eles, sendo CUDA e OpenCL as máis a.mplamente empregadas na actualidade. Desafortunadamente, estas ferramentas son relativamente de baixo nivel, o cal emparellado co ma.ior número de detalles que deben de ser controlados cando se programan aceleradoras, fa.i da programación destes sistemas mediante elas, moito roáis complexa que a. programación tradicional de CPUs. Isto levou á. proposta de alternativas de roáis alto nivel para facilitar a programación de dispositivos heteroxéneos. Esta tesis contribúe neste campo presentando dúas libreríe.<i que mellora.n ampla.mente a programabilidade de sistemas heteroxéneos en C++, permitindo aos usuarios centrarse no que hai que facer en vez de nas tarefas de baixo nivel. As nosas propostas, a librería. Heterogeneous Progromming Libmry (HPL) e a. librería Heterogene.ous Hiemrchically Tiled Arrays (H2TA), están deseñadas para nodos con unha ou má.is aceleradoras, e para clusters heteroxéneos, respectivamente. Ambas librerías, demostraron ser capaces de incrementar a. productividade dos usuarios mellora.ndo a programabilidade dos sem; códigos, e ó mesmo tempo, lograr un rendemento semella.nte ó de solucións de roáis baixo nivel.

[Abstract] The usage of heterogeneous devices as co-processors in high performance computing (HPC) environments has steadily grown during the last years due to their excellent properties in terms of perfonnance and energy consumption. The larger a.vailability of hybrid HPC systems naturally led to the need to develop suitable programming tools for them, being the most widely tL'ied nowadays CUDA and OpenCL. Unfortlmatciy, these tools are relativcly low leve), which coupled with the large DUlllber of deta.ils that must be monaged when programming accelerators, makes the programm.ing of these systems using them much more complex thon that of trad.itional CPUs. This has led to the proposal of higher leve) alternatives that facilitate the progranuning of heterogeneous devices. This thesis contri bu tes to this field presenting two libraries that largely improve the programma.bility of heterogeneous systeins in C++, helping users to focus on what todo rather thtlJl onlow leve) tasks. These two libraries, the Heterogeneous Programming Library (HPL) and the Heterogeneous Hierarch.ically Tiled Arrays (H2TA), are well suited to nodes with one or more accelerators, a.nd to heterogeneous clusters, respectively. Both libraries have proveo to be able to incresse the productivity of the users improving the progro. mmability of their codes, and at the s8llle time, achieving performance similar to that of lower leve) solutions.

[Resumen] El empleo de dispositivos heterogéneos como co-procesadores en entornos de computación de altas prestaciones (HPC) ha. crecido ininterrumpidamente durante los últimos años debido a. sus excelentes propiedades en términos de rendimiento y consumo de energía. La mayor disponibilidad de sistemas HPC híbridos conllevó de forma natural la necesidad de desarrollar herramientas de programación adecuadas para. ellos, siendo CUDA y OpenCL las más ampliamente utilizadas en la actualidad. Desafortunadamente, estas herramientas son relativamente de bajo nivel, lo cual emparejado con el mayor número de detalles que han de ser controlados cuando se programan aceleradoras, hacen de la programación de estos sistemas mediante ell8S mucho más compleja que la programación tradicional de CPUs. Esto ha llevado a la propuesta de alternativ8S de más alto nivel para facilitar la programación de dispositivos heterogéneos. Esta tesis contribuye a este campo presentando dos librerías que mejoran ampliamente la programabilidad de sistemas heterogéneos en C++, permitiendo a los usuarios centrarse en lo que hay que hacer en vez de en las tareas de bajo nivel. Nuestras propuestas, la librería Heterogeneous Progromming Librory (HPL) y la librería Heterogeneous Hierorchíoolly Tíled Arrays (H2TA), están diseñadas para nodos con una o más aceleradoras, y para clusters heterogéneos, respectivamente. Ambas librerías, han demostrado ser capaces de incrementar la productividad de los usuarios mejorando la programabilidad de sus códigos, y al mismo tiempo, lograr un rendimiento similar al de soluciones de más bajo nivel.