One-sided communication on a non-cache-coherent many-core architecture

Aktuelle Mehrkernprozessoren stellen parallele Systeme dar, die den darauf ausgeführten Programmen gemeinsamen Speicher zur Verfügung stellen. Sowohl die ansteigende Kernanzahlen in sogenannten Vielkernprozessoren (many-core processors) als auch die weiterhin steigende Leistungsfähigkeit der einzelnen Kerne erfordert hohe Bandbreiten, die das Speichersystem des Prozessors liefern muss. Hardware-basierte Cache-Kohärenz stößt in aktuellen Vielkernprozessoren an Grenzen des praktisch Machbaren. Dementsprechend müssen alternative Architekturen und entsprechend geeignete Programmiermodelle untersucht werden. In dieser Arbeit wird der Single-Chip Cloud Computer (SCC), ein nicht-cachekohärenter Vielkernprozessor betrachtet, der aus 48, über ein Gitternetzwerk verbundenen Kernen besteht. Obwohl der Prozessor für nachrichten-basierte Kommunikation entwickelt worden ist, zeigen die Ergebnisse dieser Arbeit, dass einseitige Kommunikation auf Basis gemeinsamen Speichers effizient auf diesem Architekturtyp realisiert werden kann. Einseitige Kommunikation ermöglicht Datenaustausch zwischen Prozessen, bei der der Empfänger keine Details über die stattfindende Kommunikation besitzen muss. Im Sinne des MPI-Standards ist so ein Zugriff auf Speicher entfernter Prozesse möglich. Zur Umsetzung dieses Konzepts auf nicht-kohärenten Architekturen werden in dieser Arbeit sowohl eine effiziente Prozesssynchronisation als auch ein Kommunikationsschema auf Basis von software-basierter Cache-Kohärenz erarbeitet und untersucht. Die Prozesssynchronisation setzt das Konzept der general active target synchronization aus dem MPI-Standard um. Ein existierendes Klassifikationsschema für dessen Implementierungen wird erweitert und zur Identifikation einer geeigneten Klasse für die nicht-kohärente Plattform des SCC verwendet. Auf Grundlage der Klassifikation werden existierende Implementierungen analysiert, daraus geeignete Konzepte extrahiert und ein leichtgewichtiges Synchronisationsprotokoll für den SCC entwickelt, das sowohl gemeinsamen Speicher als auch ungecachete Speicherzugriffe verwendet. Das vorgestellte Schema ist nicht anfällig für Verzögerungen zwischen Prozessen und erlaubt direkte Kommunikation sobald beide Kommunikationspartner dafür bereit sind. Die experimentellen Ergebnisse zeigen ein sehr gutes Skaliserungsverhalten und eine fünffach geringere Latenz für die Prozesssynchronisation im Vergleich zu einer auf Nachrichten basierenden MPI-Implementierung des SCC. Für die Kommunikation wird mit SCOSCo ein auf gemeinsamen Speicher und software-basierter Cache-Kohärenz basierenden Konzept vorgestellt. Entsprechende Anforderungen an die Kohärenz, die dem MPI-Standard entsprechen, werden aufgestellt und eine schlanke Implementierung auf Basis der Hard- und Software-Funktionalitäten des SCCs entwickelt. Trotz einer aufgedecktem Fehlfunktion im Speichersubsystem des SCC kann in den experimentellen Auswertungen von Mikrobenchmarks eine fünffach verbesserte Bandbreite und eine nahezu vierfach verringerte Latenz beobachtet werden. In Anwendungsexperimenten, wie einer dreidimensionalen schnellen Fourier-Transformation, kann der Anteil der Kommunikation an der Laufzeit um den Faktor fünf reduziert werden. In Ergänzung dazu werden in dieser Arbeit Konzepte aufgestellt, die in zukünftigen Architekturen, die Cache-Kohärenz nicht auf einer globalen Ebene des Prozessors liefern können, für die Umsetzung von Software-basierter Kohärenz für einseitige Kommunikation hilfreich sind.

Level thesis:degree_level

thesis.doctoral

Grantor dc:publisher

Universität Potsdam

Year

2017

Author dc:creator

• Christgau, Steffen

Contributors dc:contributor

• Schnor, Bettina

• parallel programming
• middleware
• Message Passing Interface
• one-sided communication
• software-based cache coherence
• process synchronization
• parallele Programmierung
• einseitige Kommunikation
• Software-basierte Cache-Kohärenz
• Prozesssynchronisierung

Statement dc:rights

• CC-BY-NC - Namensnennung, nicht kommerziell 4.0 International

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OAI identifier oai:identifier

oai:kobv.de-opus4-uni-potsdam:40310