Τεχνικές για την βελτιστοποίηση και αποδοτική απεικόνιση παράλληλων κωδίκων σε υπολογιστικούς κόμβους με πολυνηματικές και πολυπύρηνες αρχιτεκτονικές μικροεπεξεργαστών

Abstract

Οι πολυπύρηνες και πολυνηματικές αρχιτεκτονικές κερδίζουν συνεχώς έδαφος τα τελευταία χρόνια αποτελώντας πλέον τον κανόνα στη σχεδίαση των επεξεργαστών σε ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών. Για να μπορούν να αξιοποιήσουν τα προγράμματα του χρήστη τις δυνατότητές τους, είναι απαραίτητη μια γενικότερη στροφή προς την εκμετάλλευση του παραλληλισμού επιπέδου νημάτων (thread-level parallelism - TLP) που μπορεί να εξαχθεί από αυτά. Σε αυτό το νέο περιβάλλον τίθενται επομένως μια σειρά από σημαντικές προκλήσεις στον προγραμματιστή, όπως ο εντοπισμός, η έκφραση και η απεικόνιση του παραλληλισμού, ο συγχρονισμός μεταξύ των νημάτων και η αποδοτική διαχείριση των πόρων της υποκείμενης αρχιτεκτονικής. Συμβατικές τεχνικές παραλληλοποίησης και συγχρονισμού που έχουν προταθεί στη βιβλιογραφία είναι θεωρητικά εφαρμόσιμες στις νέες αρχιτεκτονικές, όμως είτε καλύπτουν συγκεκριμένα είδη εφαρμογών με προφανή και άμεσα εκμεταλλεύσιμο παραλληλισμό, είτε δε λαμβάνουν υπόψη τις ιδιαιτερότητες κάθε αρχιτεκτονικής στη διαχείριση των πόρων με αποτέλεσμα να οδηγούν σε μειωμένη απόδοση. Στα πλαίσια αυτής της διατριβής εξετάζουμε τεχνικές που έχουν σαν στόχο τον εντοπισμό και την απεικόνιση του παραλληλισμού καθώς και τον αποδοτικό συγχρονισμό σε αρχιτεκτονικές επεξεργαστών με Ταυτόχρονο Πολυνηματισμό (Simultaneous Multithreading - SMT) και Πολυεπεξεργασία σε Επίπεδο Τσιπ (Chip-level Multiprocessing - CMP). Διερευνούμε εναλλακτικές τεχνικές παραλληλοποίησης που στηρίζονται στην ιδέα της βοηθητικής νημάτωσης (helper threading) και οι οποίες προορίζονται κυρίως για εφαρμογές με ασαφή, ακανόνιστο ή και μηδενικό εγγενή παραλληλισμό. Τέτοιες εφαρμογές δε θα μπορούσαν να λάβουν σημαντικά οφέλη αν εκτελούνταν σε κάποιο παραδοσιακό σύστημα πολυεπεξεργασίας ή χρησιμοποιώντας κάποια παραδοσιακή τεχνική παραλληλοποίησης. Στις αρχιτεκτονικές SMT χρησιμοποιούμε τη βοηθητική νημάτωση για να αποφορτίσουμε το κύριο νήμα μιας εφαρμογής από χρονοβόρες λειτουργίες πρόσβασης στη μνήμη. Σε αρκετές περιπτώσεις επιτυγχάνουμε αξιοσημείωτα αποτελέσματα, ωστόσο οι συγκρούσεις ανάμεσα στα εκτελούμενα νήματα για κοινούς πόρους του επεξεργαστή καθιστούν δύσκολη την επίτευξη μεγαλύτερων επιταχύνσεων. Στην κατεύθυνση αυτή προτείνουμε ένα πλαίσιο για την υλοποίηση αποδοτικών λειτουργιών συγχρονισμού, οι οποίες σε σύγκριση με άλλες υλοποιήσεις είναι σε θέση να προσφέρουν τον καλύτερο συμβιβασμό ανάμεσα στην αποδοτική διαχείριση πόρων και τη χαμηλή καθυστέρηση. Στις αρχιτεκτονικές CMP χρησιμοποιούμε τη βοηθητική νημάτωση για να αποφορτίσουμε το κύριο νήμα από πραγματικούς υπολογισμούς, αξιοποιώντας έναν προηγμένο μηχανισμό συγχρονισμού στο υλικό, αυτόν της μνήμης διενεργειών (transactional memory - ΤΜ). Παρουσιάζουμε ένα σχήμα υποθετικής παραλληλοποίησης (speculative parallelization), μέσω του οποίου καταφέρνουμε να επιταχύνουμε μια περίπτωση εφαρμογής για την οποία οποιοδήποτε συμβατικό σχήμα παραλληλοποίησης μέχρι τώρα είχε αρνητικά αποτελέσματα.