Trace-based Performance Analysis for Hardware Accelerators

This thesis presents how performance data from hardware accelerators can be included in event logs. It extends the capabilities of trace-based performance analysis to also monitor and record data from this novel parallelization layer. The increasing awareness to power consumption of computing devices has led to an interest in hybrid computing architectures as well. High-end computers, workstations, and mobile devices start to employ hardware accelerators to offload computationally intense and parallel tasks, while at the same time retaining a highly efficient scalar compute unit for non-parallel tasks. This execution pattern is typically asynchronous so that the scalar unit can resume other work while the hardware accelerator is busy. Performance analysis tools provided by the hardware accelerator vendors cover the situation of one host using one device very well. Yet, they do not address the needs of the high performance computing community. This thesis investigates ways to extend existing methods for recording events from highly parallel applications to also cover scenarios in which hardware accelerators aid these applications. After introducing a generic approach that is suitable for any API based acceleration paradigm, the thesis derives a suggestion for a generic performance API for hardware accelerators and its implementation with NVIDIA CUPTI. In a next step the visualization of event logs containing data from execution streams on different levels of parallelism is discussed. In order to overcome the limitations of classic performance profiles and timeline displays, a graph-based visualization using Parallel Performance Flow Graphs (PPFGs) is introduced. This novel technical approach is using program states in order to display similarities and differences between the potentially very large number of event streams and, thus, enables a fast way to spot load imbalances. The thesis concludes with the in-depth analysis of a case-study of PIConGPU---a highly parallel, multi-hybrid plasma physics simulation---that benefited greatly from the developed performance analysis methods.Diese Dissertation zeigt, wie der Ablauf von Anwendungsteilen, die auf Hardwarebeschleuniger ausgelagert wurden, als Programmspur mit aufgezeichnet werden kann. Damit wird die bekannte Technik der Leistungsanalyse von Anwendungen mittels Programmspuren so erweitert, dass auch diese neue Parallelitätsebene mit erfasst wird. Die Beschränkungen von Computersystemen bezüglich der elektrischen Leistungsaufnahme hat zu einer steigenden Anzahl von hybriden Computerarchitekturen geführt. Sowohl Hochleistungsrechner, aber auch Arbeitsplatzcomputer und mobile Endgeräte nutzen heute Hardwarebeschleuniger um rechenintensive, parallele Programmteile auszulagern und so den skalaren Hauptprozessor zu entlasten und nur für nicht parallele Programmteile zu verwenden. Dieses Ausführungsschema ist typischerweise asynchron: der Skalarprozessor kann, während der Hardwarebeschleuniger rechnet, selbst weiterarbeiten. Die Leistungsanalyse-Werkzeuge der Hersteller von Hardwarebeschleunigern decken den Standardfall (ein Host-System mit einem Hardwarebeschleuniger) sehr gut ab, scheitern aber an einer Unterstützung von hochparallelen Rechnersystemen. Die vorliegende Dissertation untersucht, in wie weit auch multi-hybride Anwendungen die Aktivität von Hardwarebeschleunigern aufzeichnen können. Dazu wird die vorhandene Methode zur Erzeugung von Programmspuren für hochparallele Anwendungen entsprechend erweitert. In dieser Untersuchung wird zuerst eine allgemeine Methodik entwickelt, mit der sich für jede API-gestützte Hardwarebeschleunigung eine Programmspur erstellen lässt. Darauf aufbauend wird eine eigene Programmierschnittstelle entwickelt, die es ermöglicht weitere leistungsrelevante Daten aufzuzeichnen. Die Umsetzung dieser Schnittstelle wird am Beispiel von NVIDIA CUPTI darstellt. Ein weiterer Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der Darstellung von Programmspuren, welche Aufzeichnungen von den unterschiedlichen Parallelitätsebenen enthalten. Um die Einschränkungen klassischer Leistungsprofile oder Zeitachsendarstellungen zu überwinden, wird mit den parallelen Programmablaufgraphen (PPFGs) eine neue graphenbasisierte Darstellungsform eingeführt. Dieser neuartige Ansatz zeigt eine Programmspur als eine Folge von Programmzuständen mit gemeinsamen und unterchiedlichen Abläufen. So können divergierendes Programmverhalten und Lastimbalancen deutlich einfacher lokalisiert werden. Die Arbeit schließt mit der detaillierten Analyse von PIConGPU -- einer multi-hybriden Simulation aus der Plasmaphysik --, die in großem Maße von den in dieser Arbeit entwickelten Analysemöglichkeiten profiert hat