From Software Locality to Hardware Locality in Shared Memory Systems with NUMA and Heterogenous Memory

La hiérarchie mémoire des serveurs de calcul est de plus en plus complexe. Les machines disposent de plusieurs niveaux de caches plus ou moins partagés et d’une mémoire distribuée. Plus récemment le paysage du Calcul Haute Performance (CHP) a vu apparaître des mémoires adressables embarquées dans le processeur ainsi que de nouvelles mémoires non-volatiles (périphérique mémoire sur le bus d’entrées sorties et prochainement de la mémoire non-volatile directement sur le bus mémoire). Cette hiérarchie est nécessaire pour espérer obtenir de bonnes performances de calcul, au prix d’une gestion minutieuse du placement des données et des tâches de calcul. Là où la gestion des caches était entièrement matérielle et masquée au développeur, le choix du placement des données dans telle ou telle zone de mémoire, plus ou moins rapide, volatile ou non, volumineuse ou non, est maintenant paramétrable logiciellement. Cette nouvelle flexibilité donne une grande liberté aux développeurs mais elle complexifie surtout leur travail quand il s’agit de choisir les stratégies d’allocation, de communication, de placement, etc. En effet, les caractéristiques des nombreux niveaux de hiérarchie impliqués varient significativement en vitesse, taille et fonctionnalités. Dans cette thèse, co-encadrée entre Atos Bull Technologies et Inria Bordeaux– Sud-Ouest, nous détaillons la structure des plates-formes contemporaines et caractérisons la performance des accès à la mémoire selon plusieurs scénarios de localité des tâches de calcul et des données accédées. Nous expliquons comment la sémantique du langage de programmation impacte la localité des données dans la machine et donc la performance des applications. En collaboration avec le laboratoire INESC-ID de Lisbonne, nous proposons une extension au célèbre modèle Roofline pour exposer de manière intelligible les compromis de performance et de localité aux développeurs d’applications. Nous proposons par ailleurs un outil de synthèse de métriques de localité mettant en lien les évènements de performance de l’application et de la machine avec la topologie de cette dernière. Enfin, nous proposons une approche statistique pour sélectionner automatiquement la meilleure politique de placement des tâches de calcul sur les coeurs de la machine et des données sur les mémoires.Through years, the complexity of High Performance Computing (HPC) systems’ memory hierarchy has increased. Nowadays, large scale machines typically embed several levels of caches and a distributed memory. Recently, on-chip memories and non-volatile PCIe based flash have entered the HPC landscape. This memory architecture is a necessary pain to obtain high performance, but at the cost of a thorough task and data placement. Hardware managed caches used to hide the tedious locality optimizations. Now, data locality, in local or remote memories, in fast or slow memory, in volatile or non-volatile memory, with small or wide capacity, is entirely software manageable. This extra flexibility grants more freedom to application designers but with the drawback of making their work more complex and expensive. Indeed, when managing tasks and data placement, one has to account for several complex trade-offs between memory performance, size and features. This thesis has been supervised between Atos Bull Technologies and Inria Bordeaux – Sud-Ouest. In the hereby document, we detail contemporary HPC systems and characterize machines performance for several locality scenarios. We explain how the programming language semantics affects data locality in the hardware, and thus applications performance. Through a joint work with the INESC-ID laboratory in Lisbon, we propose an insightful extension to the famous Roofline performance model in order to provide locality hints and improve applications performance. We also present a modeling framework to map platform and application performance events to the hardware topology, in order to extract synthetic locality metrics. Finally, we propose an automatic locality policy selector, on top of machine learning algorithms, to easily improve applications tasks and data placement