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Introduzione “CALCOLO AD ALTE PRESTAZIONI”
“CALCOLO AD ALTE PRESTAZIONI” Introduzione Salvatore Orlando CALCOLO ALTE PRESTAZIONI- S. Orlando 1 Notizie generali sul corso • Sito Web: – http://www.dsi.unive.it/~calpar/ – Iscriversi alla lista di discussione • Esame suddiviso in due parti: – Lettura di articoli scientifici o capitoli di libro, con piccolo orale sugli argomenti del corso – Progetto di Laboratorio Il voto per i due esami di Calcolo Parallelo e Laboratorio come media dei due voti • • Materiale didattico – Slides – A. Grama, A. Gupta, G. Karypis, V. Kumar. Introduction to Parallel Computing, 2° Ed., Addison-Wesley, 2003. – B. Wilkinson, M. Allen. Parallel Programming: Techniques and Applications Using Networked Workstation and Parallel Computers. 2° Ed., Prentice-Hall, 2003. – The Sourcebook of Parallel Computing. J. Dongarra, I. Foster, G. Fox, et al. Morgan Kaufmann, 2002. – I. Foster. Designing and Building Parallel Programs. Addison-Wesley, 1995, Versione online disponibile presso http://www-unix.mcs.anl.gov/dbpp. CALCOLO ALTE PRESTAZIONI- S. Orlando 2 Calcolo parallelo • Calcolo sequenziale: – risolve un problema tramite un algoritmo le cui istruzioni sono eseguite in sequenza – modello computazionale caratterizzato da un singolo processore • Calcolo parallelo: – risolve un problema tramite un algoritmo le cui istruzioni sono eseguite in parallelo – modello computazionale che prevede processori multipli e relativi meccanismi di cooperazione – l’algoritmo deve sfruttare in maniera efficiente il parallelismo esplicitabile nel problema, per rendere più veloce l’esecuzione CALCOLO ALTE PRESTAZIONI- S. Orlando 3 Processo di parallelizzazione ottimale • Metodologia generale: – dividere il problema tra processori (decomposizione) – i vari processori lavorano sui propri pezzi del problema, e comunicano per cooperare – con l’obiettivo di bilanciare il carico e ridurre le comunicazioni/ sincronizzazioni allo stretto necessario CALCOLO ALTE PRESTAZIONI- S. Orlando 4 Trend nello sviluppo di hw/sw ad alte prestazione • Ultime decadi: migliorano le prestazioni dei microprocessori – Legge di Moore (2x transistor/chip ogni anno e mezzo) – Parallelismo/Pipeline nell’esecuzione delle istruzioni • • • • • ILP (Instruction Level Parallelism) Parallelismo implicito a grana finissima CPI medio ridotto di un ordine di grandezza (in una decade) Ciclo di clock ridottissimo (frequenza nell’ordine dei GHz) Incremento FLOPS di picco • Ultimi anni – Il bottleneck del collegamento con la memoria, la cui tecnologia non è migliorata dal punto di vista delle latenze, diventa più evidente • si pone rimedio con la memoria cache, ma anche questo ha un limite tecnologico e di costo – Limiti oggettivi nell’estrarre ulteriore parallelismo ILP da un singolo programma sequenziale CALCOLO ALTE PRESTAZIONI- S. Orlando 5 Trend nello sviluppo di hw/sw ad alte prestazione • Ultimi anni – La curva delle prestazioni segna il passo per i processori più recenti • curva misurata rispetto al benchmark SPEC, ovvero insiemi standard e rappresentativi di programmi sequenziali CALCOLO ALTE PRESTAZIONI- S. Orlando 6 Trend nello sviluppo di hw/sw ad alte prestazione • Esistono quindi limiti nell’approccio basato su hw/sw sequenziale, anche se con parallelismo implicito a grana fine di tipo ILP – i trend non fanno prevedere ulteriori incrementi di velocità • HW – I costruttori di CPU corrono ai ripari, sfruttando l’area dei chip e i grande numero di transistor per produrre CPU con processori multipli • Si prevede che il numero di processori (“core”) per chip dovrebbe raddoppiare ogni 2 anni • SW – Parallelismo, anche esplicito, ovvero specificato direttamente dal programmatore tramite opportuni linguaggi, librerie, ambienti di programmazione parallela CALCOLO ALTE PRESTAZIONI- S. Orlando 7 Trend nello sviluppo di hw/sw ad alte prestazione • I bassi costi oggi permettono la larga diffusione di server/workstation con 2/4/8 processori (anche sullo stesso chip) interconnessi in cluster – usando reti veloci • • Non solo calcolo scientifico, ma anche applicazioni di tipo business Ad esempio, per piattaforme parallele data intensive come web server, data base, motori di ricerca, data mining – maggiore banda aggregata di accesso alla memoria – maggiore dimensione aggregata della memoria CALCOLO ALTE PRESTAZIONI- S. Orlando 8 Trend nello sviluppo di hw/sw ad alte prestazione • • • • Applicazioni di visualizzazione e grafica computazionale usano pipe multiple per il rendering (rendering farm) – Uso massiccio di farm parallele da parte di recenti produzioni cinematografiche Piattaforme parallele usate anche per garantire high availability (ridondanza) Applicazioni scientifiche e di ingegneria richiedono l’accesso a piattaforme più complesse, con centinaia di processori (MPP – Massively Parallel Processor) Visto il campo applicativo in rapida espansione, è quindi estremamente importante capire dal punto di vista dei costi e delle prestazioni, e dei requisiti applicativi: – Principi, strumenti e tecniche per programmare le piattaforme parallele oggi disponibili CALCOLO ALTE PRESTAZIONI- S. Orlando 9 Motivazioni contro il parallelismo • Contro – Lo sviluppo di software parallelo è considerato molto difficile • Complessità inerente nello specificare e coordinare task concorrenti • Algoritmi e software non portabili tra piattaforme differenti • Ambienti di programmazione non standardizzati – Miglioramento continuo delle prestazioni dei microprocessori • “Ha senso dedicarsi sviluppare sw parallelo con costi elevati di sviluppo, visto gli incrementi di prestazioni dei microprocessori?” • In certe casi ha comunque senso per scalare con la dimensioni dei problemi da risolvere CALCOLO ALTE PRESTAZIONI- S. Orlando 10 Argomenti a favore del parallelismo • A favore – Standardizzazione hw • uso dei microprocessori off-the-shelf per realizzare piattaforme parallele – ambienti di programmazione paralleli più standard che migliorano la portabilità del sw • MPI, Open-MP, PVM – parallelismo implicito a grana fine non sufficiente in futuro • limiti sulla quantità di parallelismo esplicitabile CALCOLO ALTE PRESTAZIONI- S. Orlando 11 Altri argomenti a favore del parallelismo • Bassa velocità della memoria e dei dischi – Prestazioni non dipendono solo dalla velocità del calcolo, ma anche dalla capacità della memoria di fornire i dati sui cui computare alla velocità richiesta – Von Neumann bottleneck • L’uso delle gerarchie di memoria (cache) ha diminuito in parte le conseguenze sulle prestazioni del bottleneck – le cache diminuiscono le latenze di accesso alla memoria • Il problema comunque rimane, in quanto le prestazioni della memoria sono limitate della frazione di richieste alla memoria che riescono ad essere soddisfatte dalla cache – Le piattaforme parallele diminuiscono le conseguenze del bottleneck • Perché forniscono cache aggregate più grandi • Banda aggregata di accesso alla memoria (anche dischi) più grande • Necessario comunque sviluppare algoritmi paralleli in grado di sfruttare il principio della località CALCOLO ALTE PRESTAZIONI- S. Orlando 12 Altri argomenti a favore del parallelismo • Le infrastrutture di rete – Oggi è possibile usare Internet e i computer ad essa interconnessi come una piattaforma a larga scala, ma eterogenea, per il calcolo parallelo/distribuito – Spesso l’esigenza nasce anche da vincoli sul movimento dei dati, che impediscono la centralizzazione degli stessi su una piattaforma standard parallela – Però non tutte le applicazioni sono adatte per poter essere eseguite su tali piattaforme … – Esempi: • SETI@home (Search for Extra Terrestrial Intelligence) utilizza la potenza dei desktop computer per analizzare i segnali elettromagnetici provenienti dallo spazio • Fattorizzazione di interi estremamente grandi, con applicazioni in crittografia e problemi di ottimizzazione CALCOLO ALTE PRESTAZIONI- S. Orlando 13 Programmare in parallelo • Un programma sequenziale può essere suddiviso in due tipi di sezioni: – non parallelizzabili, ovvero inerentemente sequenziali – potenzialmente parallelizzabili • I metodi di suddivisione delle sezioni parallelizzabili sono critici per il raggiungimento di elevate prestazioni • Scopo di una buona parallelizzazione: – – – – – ottenere piccole sezioni sequenziali mantenere tutti i processori (equamente) occupati (load balancing) minimizzare le comunicazioni inter-processor (grana grossa) limitare la replicazione del calcolo allo stretto necessario evitare che i processori rimangano idle nell’attesa di sincronizzazioni o latenze di I/O • eliminare/spostare le sincronizzazioni • associare ad ogni processore task multipli indipendenti (eccesso di parallelismo) per nascondere idle times CALCOLO ALTE PRESTAZIONI- S. Orlando 14 A che serve il parallelismo? • Esistono applicazioni che storicamente richiedono maggiore capacità di quanto i computer sequenziali possano attualmente fornire • e-Science • Esempi di problemi scientifici Grand Challenge, ovvero problemi che non possono essere oggi risolti in tempi ragionevoli: – Modellare grandi strutture di DNA – Modellare e previsione dei fenomeni meteorologici globali, e di quelli correlati (es. inquinamento, maree, ecc.) – Modellare il movimento di corpi celesti • Le esigenze applicative sono duplici 1. ottenere computazioni che terminano in un tempo ragionevole 2. eseguire nello stesso tempo e con lo stesso algoritmo problemi più complessi (es. simulazione su dati più grandi, o con timestep più piccolo) CALCOLO ALTE PRESTAZIONI- S. Orlando 15 E-Science • • • Modellazione del Clima e Previsioni atmosferiche Ricerca di riserve energetiche Problemi di cosmologia, con grandissime scale spaziali e temporali CALCOLO ALTE PRESTAZIONI- S. Orlando 16 e-Science & HPC Computational Science • HPC (High Performance Computing) offre un nuovo modo di fare scienza: – Sperimentare, Teorizzare/Modellare, Computare • Il modello computazione è principalmente usato per approssimare sistemi chimico/fisici • Tra i vantaggi – Giocare con i parametri della simulazione per studiare nuove soluzioni, o eventi su cui non abbiamo raccolto dati sperimentali • es. simulare eventi catastrofici – La possibilità di ripetere particolari eventi simulati – Studiare sistemi quando non esistono teorie esatte CALCOLO ALTE PRESTAZIONI- S. Orlando 17 Esempio di applicazione: Industria delle automobili • Grandi utilizzatori di tecnologia HPC • Principali usi della simulazione: – Aerodynamics (in modo simile all’industria aerospaziale) – Crash simulation – Metal sheet formation – Noise/vibration optimization • Principali benefici: – Riduzione del time-to-market di nuove automobili – Aumento della qualità dei prodotti – Riduzione della necessità di costruire prototipi – Più integrazione ed efficienza nell’intero processo manufatturiero CALCOLO ALTE PRESTAZIONI- S. Orlando 18 Previsioni del tempo • • • • • • L’intera atmosfera è modellata dividendola in regioni o celle tridimensionali Il calcolo su ogni cella è ripetuto diverse volte per modellare il trascorrere del tempo Esempio: – atmosfera suddivisa in celle di dimensioni 1 miglio × 1 miglio × 1 miglio, per un’altezza di 10 miglia (per un’altezza di 10 celle) – per un totale di circa 5 × 108 celle Supponiamo che il calcolo associato a ciascuna cella richiede 200 FP ops, in un passo sono necessari 1011 FP ops Per una previsione meteo su 10 giorni, usando intervalli di tempo di simulazione di 10 minuti, sono necessari 6 passi per simulare un’ora, per un totale di 1440 passi (circa 1,4 × 1014 FP ops) – Un computer che operasse a 100 Mflops (108 FP ops/sec) impiegherebbe più di 106 secs (circa 16 giorni !!!!) – Per eseguire lo stesso calcolo in 10 minuti ci vorrebbe un computer in grado di eseguire 0,2 Tflops (0,2 × 1012 FP ops/sec) Cosa succede se aumentassimo i passi o rimpicciolissimo le celle? CALCOLO ALTE PRESTAZIONI- S. Orlando 19 Simulazione movimento corpi celesti (N-bodies) • • • • Ogni corpo celeste è attratto dagli altri dalla forza gravitazionale. Il loro movimento può essere predetto calcolando la forza che incide su ogni corpo Se ci sono N corpi, dobbiamo calcolare N - 1 forze per corpo, o approssimativamente N2 calcoli in totale Esistono algoritmi approssimati che richiedono N × log2 N calcoli – sono basati sulla suddivisione dei corpi in agglomerati di elementi vicini (galassie, sistemi solari) – interazioni tra agglomerati, invece che tra singoli corpi (es. Sistema solare approssimato con il centro di massa per calcolare l’interazione con la stella Proxima Centaury) CALCOLO ALTE PRESTAZIONI- S. Orlando 20 Simulazione movimento corpi celesti (N-bodies) – Gli algoritmi approssimati (come ad es. quello di Barnes-Hut) usano strutture dati irregolari organizzate ad albero (oct-tree) • tali alberi mantengono informazioni sui corpi presenti nello spazio, che viene suddiviso in sottoblocchi • su quali agglomerati di corpi ricadono nello stesso box • sui centri e i valori di massa degli agglomerati di corpi CALCOLO ALTE PRESTAZIONI- S. Orlando 21 Simulazione movimento corpi celesti (N-bodies) • • • Gli algoritmi di simulazione degli N corpi si iterano per più passi: – ad ogni passo si determina la nuova posizione dei corpi – il calcolo deve essere quindi ripetuto Supponiamo di avere una galassia con 1011 stelle. Anche se ogni calcolo potesse essere ottimisticamente fatto in 1 µs (10-6 s), sarebbero necessari – circa 109 anni per un’iterazione, usando l’algoritmo di complessità N2 – quasi un anno per un’iterazione usando l’algoritmo approssimato (di complessità N × log2 N) CALCOLO ALTE PRESTAZIONI- S. Orlando 22 Web Search Engines Page Repository Collection Indexer Analysis Queries Results Query Engine Ranking Crawlers Text Crawl Control Structure Utility Indexes CALCOLO ALTE PRESTAZIONI- S. Orlando 23 Data Mining (DM) • • • • Applicazioni tipicamente commerciali/business Esplorazione & Analisi, in modo automatico o semi automatico, di grandissime quantità di dati per scoprire e estrarre Pattern Significativi & Regole – Pattern & Regole devono essere innovative, valide, potenzialmente utili, comprensibili Algoritmi di DM su grandi quantità di dati costosi dal punto di vista computazionale e di Input/Output DM è un passo del processo di KDD …. CALCOLO ALTE PRESTAZIONI- S. Orlando 24 DM • • Disciplina che trae origine da vari campi: machine learning/AI, pattern recognition, statistica, database, e visualizzazione di dati scientifici Alcuni dei più importanti Data Mining Tasks: • Classification [Predittiva, Supervised] • Clustering [Descrittiva, Unsupervised] • Association Rule Discovery [Descrittiva, Unsupervised] • Le tecniche tradizionali (sequenziali) possono non essere adatte a causa di – dati enormi e con alta dimensionalità – natura eterogenea e distribuita dei dati CALCOLO ALTE PRESTAZIONI- S. Orlando 25 DM: Association rules • • Uno degli algoritmi di DM più impiegati e più studiati dal punto di vista della parallelizzazione Identifica regole associative all’interno di insiemi di transazioni, dato un certo supporto e una data confidenza TID 1 2 3 4 5 Esempio: Items Pane, Latte Birra, Pane, Pannolini, Uova Birra, Coca, Pannolini, Latte Birra, Pane, Pannolini, Latte Coca, Pane, Pannolini, Latte Association rule: X⇒s,c y Support: s =σ(X∪y) / |T| Confidence: c = σ(X∪y) / σ(X) {Pannolini,Latte} ⇒s,c Birra Il supporto è la probabilità che un certo itemset appaia nelle transazioni del dataset. s=P({Pannolini,Latte, Birra}) La confidenza è una probabilità condizionata c=P({Birra} | {Pannolini,Latte}) s = σ({Pannolini,Latte, Birra}) / Tot_trans = = 2/5 = 0.4 = 40% c = σ({Pannolini,Latte, Birra}) / σ({Pannolini,Latte}) = = 2/3 = 0.66 CALCOLO ALTE PRESTAZIONI- S. Orlando 26 DM: Association rules • • • Per identificare tutte regole associative dato un certo supporto s – si trovano prima tutti gli itemset frequenti, ovvero almeno con supporto σ(Itemset) = s – è il passo più costoso dell’algoritmo – l’algoritmo più noto è Apriori [Agarwal, Srikant] Apriori visita il dataset più volte, e identifica, ad ogni iterazione k, i k-itemset più frequenti – l’algoritmo termina quando troviamo che, per un certo valore k, non esistono k-itemset frequenti caratterizzati da quel certo valore di s Per supporti piccoli (es. 0.5 %) e dataset relativamente piccoli (es. 128 MB), Apriori può impiegare anche diversi minuti per completare in sequenziale – il tempo impiegato dipende • dalle caratteristiche del dataset, dal numero di item presenti nella transazioni, dalla dimensione del dataset, oltre che • dalla potenza del calcolatore, dalla memoria disponibile e dal I/O – per provare più istanze dell’algoritmo, per scalare con la dimensione del dataset, per rendere il processo di mining interattivo è necessario distribuire/parallelizzare l’algoritmo CALCOLO ALTE PRESTAZIONI- S. Orlando 27 Computer paralleli e loro programmazione • • • Negli scorsi anni abbiamo assistito al proliferare di architetture parallele diverse, associate con paradigmi di programmazione differenti e specializzati A causa di ciò, programmare in parallelo è stata considerata un’attività complessa, che richiede l’uso di strumenti di programmazione a basso livello, e un’elevata attività di tuning dei programmi per ottenere alte prestazioni Flynn [1972] ha introdotto la seguente tassonomia dei computer, dove le classi interessanti di computer paralleli sono MIMD (Multiple Instruction stream- Multiple Data stream) e SIMD (Single Instruction stream - Multiple Data stream) CALCOLO ALTE PRESTAZIONI- S. Orlando 28 Potenzialità dei 4 modelli di computer CALCOLO ALTE PRESTAZIONI- S. Orlando 29 SIMD • • L’array di processori opera in modo sincrono, ovvero a ogni passo (global clock tick) tutti i processori eseguono la stessa istruzione su dati differenti – Array processors : Connection Machine, ICL DAP (Distributed Array Processor), MasPar MP – Pipelined vector computer : CRAY 1 & 2 e CYBER 205 – Co-processori SIMD per multimedia – GPUs (Graphics Proc. Units) Macchine SIMD adatte per risolvere problemi data parallel regolari, dove la stessa istruzione può essere applicata a (partizioni di) dati distinti – es.: Somma di 2 matrici: A + B = C. – Se A[2][2] e B[2][2] distribuite su 4 processori, in parallelo: A11 + B11 = C11 A12 + B12 = C12 A21 + B21 = C21 A22 + B22 = C22 CALCOLO ALTE PRESTAZIONI- S. Orlando 30 MIMD (Multiprocessor / Multicomputer) • • • • Ogni processore opera in modo asincrono sotto il controllo di un proprio programma e su dati diversi Come nel caso SIMD, la comunicazione dei dati e dei risultati può avvenire attraverso memoria condivisa o rete Computer MIMD con memoria condivisa sono conosciuti come multiprocessors o tightly coupled machines. I multi-core attuali rientrano in questa classe. Computer MIMD dove i processi comunicano tramite messaggi sono conosciuti come multicomputers o loosely coupled machines. Esempi sono le vecchie reti di Transputer, IBM SP, Intel Paragon, TM CM5, Cray T3E, Meiko CS-2, i moderni cluster di WS. CALCOLO ALTE PRESTAZIONI- S. Orlando 31 Shared memory vs message passing • Sia nel caso SIMD e sia nel caso MIMD per cooperare è necessario scambiare dati tra processori. Questo può essere fatto in due modi – Usando SHARED MEMORY (SM) e SHARED VARIABLES – Usando DISTRIBUTED MEMORY (DM) e MESSAGE PASSING • Alcune architetture moderne: Shared Memory Message Passing CALCOLO ALTE PRESTAZIONI- S. Orlando 32 Shared memory vs message passing • Nel caso SM abbiamo un unico spazio di indirizzamento fisico a cui i vari processori possono accedere – problemi legati alla scalabilità, parzialmente risolvibile tramite cache – modalità di cooperazione adatta per piccoli numeri di processori (multiprocessor MIMD a 2-32 vie) – message-passing emulato a software tramite astrazioni di canali di comunicazione realizzati in SM • Nel caso DM abbiamo uno spazio di indirizzamento privato a ciascun processore, per cui per comunicare i processori devono scambiarsi messaggi via rete – modalità tipica di molti MPP di tipo MIMD e dei cluster di WS con rete veloce – un unico spazio di indirizzamento (shared address space) può essere emulato a software - Virtual Shared Memory (VSM) CALCOLO ALTE PRESTAZIONI- S. Orlando 33 Il processo di parallelizzazione • Una buona metodologia di progetto richiede di progettare in maniera indipendente dall’architettura target • Individuiamo prima cosa può essere eseguito concorrentemente (data/task parallelism) • Ritardiamo quanto più possibile tutti gli aspetti di progetto machine-specific CALCOLO ALTE PRESTAZIONI- S. Orlando 34 Il processo di parallelizzazione • Esempio di ciclo di progetto – Partizionamento. Decomponiamo la computazione in task, a cui assegniamo i dati su cui operare, e senza preoccuparci delle risorse fisiche disponibili (processori/memoria). – Comunicazione/Sincronizazione. Determiniamo la struttura di comunicazione/sincronizzazione per coordinare i task. • Accesso ai dati, comunicazione e sincronizzazione tra i processi • Compito diverso se prevediamo una SM o una DM – Agglomerazione. Valutiamo le strutture di comunicazione / sincronizzazione, e cerchiamo di limitarle assegnando task piccoli (di minima granularità) a processi (thread) sequenziali più grossi. Necessario modello dei costi. – Mapping e Scheduling. I processi (thread) sono mappati sui processori per massimizzare l’utilizzo del processore e minimizzare le comunicazioni. Può essere effettuato staticamente o a runtime per bilanciare il carico. Scheduling locale dei processi assegnati allo stesso nodo. CALCOLO ALTE PRESTAZIONI- S. Orlando 35 Il processo di parallelizzazione (Foster) CALCOLO ALTE PRESTAZIONI- S. Orlando 36 Partizionamento / Decomposizione • • • • Algoritmo sequenziale: – funzione F applicata su un dato I per produrre un dato O: O = F(I) Data Parallelism o Domain Decomposition – Partizioniamo i dati – I = {I1,…,In} O = {O1,…,On}, dove Oj=F(Ij) Task Parallelism o Functional Parallelism – Partizioniamo il controllo – Pipeline (vantaggioso solo se c’è uno stream di dati in input): • O= F(I) = Fm( Fm-1( … F1(I))) – Task graph (esempio) • O = F(I) = F3( F1(I), F2(I) ) Combinazioni di Task & Data Parallelism I1 I2 F F F O2 O1 I In F1 On F2 Fm I I F1 F2 O F3 O CALCOLO ALTE PRESTAZIONI- S. Orlando 37 Partizionamento / Decomposizione • E’ buona norma provare strategie di partizionamento diverse, per poi valutarle durante le fasi successive • Es. di programma sequenziale da parallelizzare – l’analisi Data Flow a livello delle singole operazioni (minima granularità) mette in evidenza tutto il parallelismo esplicitabile nel programma L M N O J1 J2 K = = = = = = = I1 I3 I5 I7 L N J1 * * * * * * * I2 I4 I6 I8 M O J2 I1 I2 I3 * L I4 I5 * M I6 * N * I7 I8 * O * J1 * J2 K – Per eseguire il programma, bisogna assegnare le operazioni ai processi (processori virtuali) da mappare poi sui processori reali CALCOLO ALTE PRESTAZIONI- S. Orlando 38 Comunicazione e Agglomerazione • Il grafo data flow definisce un partizionamento funzionale – I nodi rappresentano task (di grana minima) eseguibili in parallelo – Gli archi sono dipendenze sui dati (relazioni prod/cons), da trasformare in comunicazioni esplicite o in sincronizzazioni • dipende dal modello di programmazione (DM o SM) – Al massimo 4 task sono eseguibili in parallelo su processori diversi – Se ogni task venisse eseguito in uno step da processori diversi: • Tseq=7 step • Tpar=3 step Speedupmax= 7/3 = 2,3 su 4 proc Il processo di agglomerazione tende a porre task dipendenti all’interno di uno stesso processo (da assegnare ad un processore) riducendo il grado di parallelismo massimo esplicitabile – incrementare la granularità dei processi (da fine a medio/grossa) • riduce il rapporto tra numero di sincronizzazioni/comunicazioni e numero di passi computazionali elementari eseguiti da ciascun processo – ridurre il numero di sincronizzazioni/comunicazioni è di solito vantaggioso perché si riducono i ritardi ad esse associate • soprattutto nel modello DM, dove gli archi corrispondono a comunicazioni per spostare dati tra le memorie private associate ai processori CALCOLO ALTE PRESTAZIONI- S. Orlando 39 Mapping e scheduling • Mapping – Assegnamento dei processi sui processori fisici • Mapping Tradeoff: – Processi mappati su nodi diversi, per migliorare la concorrenza e il bilanciamento del carico – Processi (che comunicano frequentemente) mappati sullo stesso nodo, per rendere locali le comunicazioni e • Una volta co-allocati i processi (cooperanti) ai nodi (singolo- o multiprocessori), essi dovrebbero essere schedulati simultaneamente per evitare ritardi – Su MPP, scheduling di tipo space-sharing, senza time-sharing – Sui cluster, dove i nodi sono dotati di SO general-purpose timesharing, i processi vanno solitamente in esecuzione secondo la politica di scheduling locale • Non abbiamo il co-scheduling di processi cooperanti su nodi distinti CALCOLO ALTE PRESTAZIONI- S. Orlando 40 Agglomerazione: aumentiamo la granularità I1 I2 I1 I2 I3 I4 I5 I6 I7 I8 * Task a grana minima 1 comp. + 1 output comm. * * * * * * * Task di grana media I1 I2 I3 I4 L = I1 * I2; M = I3 * I4; J = L * M; 3 comp. + 1 output comm. CALCOLO ALTE PRESTAZIONI- S. Orlando 41 Granularità, mapping e performance 6 6 6 *: 5 6 6 *: 5 6 6 *: 5 6 *: 5 6 6 P1 P2 P3 P4 Time 6 +: 5 6 *: 5 Aumento granularità 6 *: 5 6 P1 P2 Time 5 6 33 32 CALCOLO ALTE PRESTAZIONI- S. Orlando 42 Replicazione • • Spesso, oltre a partizionare, è utile replicare la computazione per – Ridurre/evitare le comunicazioni e bilanciare il carico Rispetto al modello DM, può essere necessario replicare anche i dati associati ai task da replicare CALCOLO ALTE PRESTAZIONI- S. Orlando 43 Modello di programmazione • • • • Controllo – Come il parallelismo viene creato – Qual è e come viene garantito l’ordine corretto tra le operazioni – Come thread di controllo differenti si sincronizzano Naming – Quali dati sono private e quali shared – Come i dati shared sono acceduti/comunicati dal punto di vista logico – Nominandoli direttamente oppure inviando messaggi ai loro gestori (naming dei processi/canali di comunicazione) Insieme di operazioni e costi – Quali sono le operazioni di base – Qual è il loro costo Storicamente – Ciascuna macchina parallela era unica, e caratterizzata da una specifico modello architetturale – Aveva il proprio modello di programmazione e un linguaggio associato – Discutiamo con un semplice esempio CALCOLO ALTE PRESTAZIONI- S. Orlando 44 Un semplice esempio • Decomposizione/Agglomerazione: – Ciascuna valutazione / somma parziale diventa un task – Assegniamo n/p numeri/subtask a ciascuno dei p processori virtuali • Ciascuno computa in maniera indipendente risultati “privati” e somme parziali • Uno (o tutti) colleziona le somme parziali e computa la somma globale => Classi di Dati – Logicamente condivisi • Lo sono gli n numeri originali, e la somma globale – Logicamente privati • Lo sono le variabili usate per memorizzare le funzioni di valutazione individuali e le somme parziali CALCOLO ALTE PRESTAZIONI- S. Orlando 45 Modelli di programmazione 1 (SM) • • • • • Shared Memory (SM). Nel modello shared-memory i processi (thread) condividono uno spazio di memoria comune, sul quale leggono/scrivono in maniera asincrona. Meccanismi vari come lock e semafori possono essere usati per controllare gli accessi alla SM. Un vantaggio dal punto di vista del programmatore è che non esiste la nozione di “ownership” dei dati, e quindi non c’è bisogno di comunicare dati. Comunque, dal punto di vista della programmazione efficiente, gestire la località può diventare complesso. Il modello shared memory è in un certo senso primitivo su macchine SM MIMD, ma uno spazio di indirizzamento comune può essere realizzato (efficientemente !?) anche su un DM MIMD (Virtual SM). Il modello non mette vincoli alla fantasia del programmatore (unrestricted model) ed è di basso livello. Un ambiente di programmazione tipico sono le librerie portabili per la programmazione multi-threading (es.: pthread) da linkare con codice sequenziale. Parallelismo di tipo esplicito: il programmatore è responsabile delle suddivisione del programma in task, e della cooperazione tra i task via SM CALCOLO ALTE PRESTAZIONI- S. Orlando 46 Modello di programmazione 1 (SM) • Shared Address Space – Il programma consiste di una collezione di thread di controllo – Ciascuno con un set di variabili private, • es. variabili locali sullo stack – Collettivamente hanno accesso a variabili condivise • Es. variabili statiche, heap globale – I thread comunicano implicitamente leggendo/scrivendo variabili condivise – I thread si coordinano attraverso operazioni di sincronizzazione su variabili condivise • Leggi/scrivi flag • Usa locks, semafori • Come la programmazione concorrente sugli uniprocessori CALCOLO ALTE PRESTAZIONI- S. Orlando 47 Modello architetturale 1 (SM) • • • Una macchina SM (UMA) – Processori connessi ad una singola SM – Non abbiamo memoria “locale” del nodo, ma abbiamo una cache Sun, DEC, Intel “SMPs” (Symmetric multiprocessors) Costo: molto più performante accedere alla cache rispetto alla memoria principale CALCOLO ALTE PRESTAZIONI- S. Orlando 48 Codice SM per calcolare la somma • Variabili condivise – Array A[N], in sola lettura – Variabile s, che alla fine deve contenere la somma degli N numeri Cosa potrebbe andare storto? CALCOLO ALTE PRESTAZIONI- S. Orlando 49 Problemi e soluzioni • Come avviene la somma globale (s = local_s1 + local_s2)? • • • Istruzioni di thread differenti possono mescolarsi arbitrariamente Quale potrebbe essere il risultato finale in memoria? – Race Condition Soluzione possibile: Mutua Esclusione con Lock (semafori binari) • I lock devono essere atomici (senza interruzione) CALCOLO ALTE PRESTAZIONI- S. Orlando 50 Modello di programmazione 2 (MP) • • • • • • • • Message passing (MP). Il modello message-passing è basato sull’astrazione di processi multipli, creati staticamente o dinamicamente. Ogni processo è caratterizzato da uno specifico codice e incapsula dati privati. Le primitive send/receive nominano direttamente i processi (tramite degli identificatori/nomi unici) o delle astrazioni di canali di comunicazione che collegano i processi – Esistono primitive collettive (gather/scatter/reduce) e di multicast. Modello di basso livello, che permette qualsiasi tipo (unrestricted approach) di decomposizione e struttura di comunicazione Il modello message passing è in un certo senso primitivo su macchine DM MIMD, ma può essere realizzato efficientemente anche su un SM MIMD. Esistono linguaggi message passing, anche se oggi l’ambiente di programmazione tipico fa uso di librerie portabili, facili da usare, e efficienti da linkare con codice sequenziale (MPI, PVM) Parallelismo di tipo esplicito: il programmatore è responsabile delle suddivisione del programma in processi, e della cooperazione tra i processi via MP Paradigma naturale su DM-MIMD: – MPMD - Multiple Programs Multiple Data – ovvero processi che eseguono ALTE PRESTAZIONIprogrammi diversi su dati diversi e che cooperanoCALCOLO tramite MP S. Orlando 51 Modello di programmazione 2 (MP) • Message Passing – I programmi consistono in una collezione di processi con nome • Thread di controllo con in più uno spazio di indirizzamento privato – Variabili locali, variabili statiche, heap • • • – I dati logicamente condivisi devono essere partizionati tra gli spazi di memoria locali dei vari processi Processi comunicano con data transfer espliciti – Coppie di send & receive (matching) tra una sorgente e una dest. La sincronizzazione è implicita in ogni evento di comunicazione Simile alla computazione distribuita su rete CALCOLO ALTE PRESTAZIONI- S. Orlando 52 Modello architetturale 2 (DM) Processori connessi direttamente solo alla propria memoria privata & cache – Non possono accedere direttamente alla memoria di altri processori – Memoria distribuita (DM) • Ciascun “nodo” ha una sua interfaccia di rete (NI) – Tutte le comunicazioni/sincronizzazioni passano attraverso questa NI • Macchine a memoria distribuita – IBM SP, Cluster di Workstations CALCOLO ALTE PRESTAZIONI- S. Orlando 53 Calcolare S = X(1) + X(2) su ciascun processore • Prima soluzione per realizzare S = X(1)+X(2) (con possibili problemi.. deadlock) • Seconda soluzione CALCOLO ALTE PRESTAZIONI- S. Orlando 54 Modello di programmazione 3 (DP) • Data Parallel (DP) – Un unico thread di controllo che consiste di • operazioni parallele applicate a tutti i (o un ben definito sottoinsieme dei) dati elementari che costituiscono una struttura dati – La comunicazione è implicita negli operatori paralleli e nelle operazioni di “shift” delle strutture dati (array) – Elegante e facile da capire – Non tutte le parallelizzazioni possono essere espresse naturalmente con questo modello (solo data paralellism) • Vector Computing – Una istruzione eseguita su tutti i dati di una struttura dati in modo pipeline CALCOLO ALTE PRESTAZIONI- S. Orlando – Sfrutta ancora il data parallelism 55 Modello architetturale 3 (DP) • • • Macchina SIMD (Single Instruction Multiple Data) Un gran numero di processori piccoli ed elementari Un singolo “controllo” invia le istruzioni per tutti i processori – Ciascun processore esegue la stessa istruzione – Alcuni processori possono essere “spenti” sull’esecuzione di specifiche istruzioni • Le macchine SIMD a larghissima scala non sono più molto popolari (es. Connection Machne), ma lo è il modello di programmazione – Implementato allocando il parallelismo originale ad n-vie (a grana finissima) su un numero ridotto p di processori – Supportato da compilatori (e.s., HPF = High Performance Fortran), che producono codice SPMD (vedi prossima slide) CALCOLO ALTE PRESTAZIONI- S. Orlando 56 Modelli di programmazione (SPMD) • • • • • SPMD - Single Program Multiple Data - è un paradigma software (tipicamente di tipo MP) usato su computer DM-MIMD per implementare il data parallelism Il modello di calcolatore SIMD permette di implementare il parallelismo di tipo data parallel in modo sincrono: ogni processore opera in lockstep Il modello SPMD è la versione software e asincrona del modello SIMD? – medesimo programma eseguito da ciascun processore di una macchina MIMD: ma ogni processore ha un proprio controllo e un proprio clock Poiché i programmi sono eseguiti su dati separati, è possibile che i flussi di controllo, a causa dei salti condizionali, siano differenti. – I processori non eseguono le stesse istruzioni in lockstep, ma solo processi caratterizzati dallo stesso codice – Comportamento del codice differenziato in base al PID del processo – Processi scambiano dati ancora tramite message passing Considera il seguente programma: IF X = 0 THEN S1 ELSE S2 – Se X=0 su P1 e X != 0 su P2, P1 esegue S1 mentre P2 esegue S2 – Questo non potrebbe accadere sulla macchina SIMD (MIMD più potente che SIMD) CALCOLO ALTE PRESTAZIONI- S. Orlando 57 Modelli di programmazione (sommario) • • • Storicamente, tutte le architetture parallele avevano caratteristiche uniche – Ciascuna con il proprio modello di programmazione e linguaggio associato Necessario riprogettare il sw parallelo per ogni macchina … Attualmente – Distinguiamo il modello di programmazione dall’architettura sottostante • Il modello di programmazione visto come una concettualizzazione della macchina parallela che il programmatore usa per le sue applicazioni • • – Possiamo scrivere codice corretto e portabile, che esegue su più macchine MPI (modello MP) è oggi l’opzione più portabile – Ma cosa possiamo dire per le prestazioni? – Purtroppo scrivere codice portabile ma veloce richiede ancora il tuning per ogni specifica architettura La sfida è rendere semplice questo processo di programmazione parallela portabile ed efficiente – Campo di ricerca per algoritmi, linguaggi e strumenti di compilazione CALCOLO ALTE PRESTAZIONI- S. Orlando 58 Valutazione delle prestazioni: Speedup • Speedup su n processori: • • Massimo speedup Sp(n)=n con n processori: speedup lineare Speedup superlineare se Sp(n) > n – può essere dovuto all’uso di un algoritmo sequenziale sub-ottimo – può essere dovuto a caratteristiche dell’architettura che favoriscono la versione parallela. Una ragione comune dello speedup superlineare è la maggiore quantità di memoria disponibile sulle architetture parallele, che permette di mantenere in memoria più dati del problema rispetto al caso sequenziale (senza quindi coinvolgere il disco … swapping). • CALCOLO ALTE PRESTAZIONI- S. Orlando 59 Legge di Amdahl • Massimo speedup ottenibile nel parallelizzare un algoritmo CALCOLO ALTE PRESTAZIONI- S. Orlando 60 Legge di Amdahl • Lo Speedup Factor è dato da • Se la frazione non parallelizzabile del codice sequenziale è f = 1/k, la legge di Amdahl stabilisce che il massimo speedup ottenibile per n → ∞ è: Sp(n) = 1/f = k CALCOLO ALTE PRESTAZIONI- S. Orlando 61 Valutazione delle prestazioni: Efficienza • Efficienza: • L’efficienza dà una misura della frazione del tempo totale durante il quale i vari processori sono efficacemente usati per effettuare la computazione. • Un’efficienza uguale a 1 (Sp(n)=n) significa che tutti i processori partecipano in maniera proficua all’esecuzione dell’algoritmo Un’efficienza molto minore di 1 testimonia il fatto che – carico sbilanciato – processori idle – lavoro extra nella versione parallela dell’algoritmo – overhead legati alle comunicazioni/sincronizzazioni • CALCOLO ALTE PRESTAZIONI- S. Orlando 62 Valutazione delle prestazioni: Costo • Il prodotto processor-time o Costo (o Work) di una computazione è definita come Costo= (no. Totale di processori usati) ⋅ (tempo di esecuzione) • Il Costo di una computazione sequenziale è semplicemente ts • Il Costo di una computazione parallela è n ⋅ tp • Poiché tp = ts / Sp(n) il Costo può essere formulato come Costo = n ⋅ tp = n ⋅ ts / Sp(n) = ts / E(n) • Un algoritmo parallelo è Cost-Optimal se il costo per risolverlo in parallelo è simile al costo per risolverlo in sequenziale – Efficienza ottima = 1 CALCOLO ALTE PRESTAZIONI- S. Orlando 63 Valutazione delle prestazioni: Scalabilità • Il termine scalabilità si usa per indicare un progetto hardware che può essere espanso (aggiungendo processori, memoria, rete, I/O) per aumentare la banda totale di comunicazione/calcolo: – In questo caso parliamo di scalabilità dell’architettura o dell’hardware – Es.: il bus è una struttura di interconnessione facilmente ed economicamente espandibile, ma non scalabile • • Esiste anche il concetto di scalabilità algoritmica Un algoritmo parallelo è scalabile se è possibile – a causa di un incremento della dimensione dei dati – incrementare il livello di parallelismo (usare più processori) con un basso o limitato incremento del tempo di esecuzione Problema – Come aumenta il lavoro da compiere all’aumentare della dimensione dei dati ? – Questo aumento è in relazione con la quantità di processori che dobbiamo aggiungere per garantire che i tempi di esecuzione non CALCOLO ALTE PRESTAZIONI- S. Orlando cambino • 64 Dimensione del problema e Scalabilità • Poniamo – numero di dati da processare = dimensione del problema • Raddoppiare la dimensione del problema non necessariamente implica il raddoppio del numero di passi computazionali – dipende dal problema – è vero per la somma di 2 matrici bidimensionali di N elementi, e di lato n (n = N1/2) • N = n2 passi, uguali al numero di elementi di ogni matrice • se raddoppio la dimensione: 2 N = (21/2 n)2 il numero di passi diventa: (21/2 n)2 = 2 n2 – non è vero per il prodotto di 2 matrici • N3/2 = n3 passi, dove N = n2 è il numero di elementi di ogni matrice • se raddoppio la dimensione: 2 N = 2 n2 = (21/2 n)2 il numero di passi diventa: (21/2 n)3 = 23/2 n3 • La definizione di scalabilità algoritmica dipende anche da – come aumentiamo la dimensione del problema CALCOLO ALTE PRESTAZIONI- S. Orlando 65 Legge di Gustafson • • • Si assume che, all’aumentare del grado di parallelismo – viene incrementato la dimensione del problema – in modo da mantenere costante il lavoro eseguito da ogni processore in parallelo (tempo Tp costante) Inoltre, all’aumentare della dimensione del problema la computazione inerentemente sequenziale si suppone fissa, e prende sempre un tempo Ts – il razionale della legge di Gustafson sta nell’uso attuale delle macchine MPP, usate per eseguire problemi più grossi rispetto al caso seriale – in questo caso la legge di Amdahl è pessimistica, perché non tiene conto che, all’aumentare della dimensione del problema, la frazione f del tempo inerentemente seriale solitamente diminuisce Lo Scaled Speedup Factor, ovvero lo speedup quando il problema è scalato con il numero di processori, è dato dalla seguente formula, dove s = Ts/(Ts+Tp), p = Tp/(Ts+Tp), s+p = 1 CALCOLO ALTE PRESTAZIONI- S. Orlando 66 Legge di Gustafson: scaled speedup • • • • • • Lo scaled speedup della legge di Gustafson si riferisce a problemi dove, all’aumentare della dimensione, Ts rimane costante Se su 20 processori abbiamo una parte seriale del 5% (Ts=0,05 T), allora s = (0,05 T) / (0,05 T + 0,95 T / 20) = 0,51 e p = 1-s = 0,49 Lo scaled speedup su 20 processori è quindi: – Spscaled(20) = s+np=0.51 + 20 * 0,49 = 10.3 Lo scaled speedup su 40 processori è invece: – Spscaled(40) = s+np=0.51 + 40 * 0,49 = 20,1 Se il problema non fosse stato “scalato in dimensioni” su 40 processori, lo speedup sarebbe stato: – Sp(40) = T / (0.05 T + 0.95 T / 40) = 13,6 Nota che per applicare Gustafson, la dimensione del problema su 40 processori deve essere accresciuta (scalata), ovvero scelta in modo che il tempo totale T’ risulti uguale a T’ = Ts + 40 * Tp = 0,05 T + 40 * 0,95 T / 20 = 0,05 T + 2 * 0,95 T = 1,95 T dove T era il tempo totale del problema (più piccolo) eseguito su 20 processori CALCOLO ALTE PRESTAZIONI- S. Orlando 67 Scaling del problema e Isoefficienza • Funzione di isoefficienza (Kumar) – la funzione stabilisce come deve essere aumentata la dimensione del problema per mantenere costante l’efficienza – la funzione è descritta in termini di • • • • W: tempo sequenziale rispetto ad un certo size del problema Tp: tempo in parallelo p: numero di processori To(W, p): overhead globale (comms+waiting+replica+sbilanciamento) in funzione di W e del grado di parallelismo • E: efficienza da mantenere costante – To(W,p) = p Tp - W – E = S/p = W / (p Tp) = W / (W + To(W,p)) = 1 / ((W + To(W,p)) / W) – Derivando W dall’equazione dell’efficienza, si ottiene la funzione di isoefficienza, ovvero di quanto deve aumentare W (ovvero il size del problema) all’aumentare di p per mantenere costante E: CALCOLO ALTE PRESTAZIONI- S. Orlando 68