Comprendre et Guider la Gestion des Ressources de Calcul dans unContexte Multi-Modèles de Programmation

With the advent of multicore and manycore processors as buildingblocks of HPC supercomputers, many applications shift from relying solely on a distributed programming model (e.g., MPI) to mixing distributed and shared-memory models (e.g., MPI+OpenMP). This leads to a better exploitation of shared-memory communications and reduces the overall memory footprint.However, this evolution has a large impact on the software stack as applications’ developers do typically mix several programming models to scale over a largenumber of multicore nodes while coping with their hiearchical depth. Oneside effect of this programming approach is runtime stacking: mixing multiplemodels involve various runtime libraries to be alive at the same time. Dealing with different runtime systems may lead to a large number of execution flowsthat may not efficiently exploit the underlying resources.We first present a study of runtime stacking. It introduces stacking configurations and categories to describe how stacking can appear in applications.We explore runtime-stacking configurations (spatial and temporal) focusing on thread/process placement on hardware resources from different runtime libraries. We build this taxonomy based on the analysis of state-of-the-artruntime stacking and programming models.We then propose algorithms to detect the misuse of compute resources when running a hybrid parallel application. We have implemented these algorithms inside a dynamic tool, called the Overseer. This tool monitors applications,and outputs resource usage to the user with respect to the application timeline, focusing on overloading and underloading of compute resources.Finally, we propose a second external tool called Overmind, that monitors the thread/process management and (re)maps them to the underlyingcores taking into account the hardware topology and the application behavior. By capturing a global view of resource usage the Overmind adapts theprocess/thread placement, and aims at taking the best decision to enhance the use of each compute node inside a supercomputer. We demonstrate the relevance of our approach and show that our low-overhead implementation is able to achieve good performance even when running with configurations that would have ended up with bad resource usage.La simulation numérique reproduit les comportements physiquesque l’on peut observer dans la nature. Elle est utilisée pour modéliser des phénomènes complexes, impossible à prédire ou répliquer. Pour résoudre ces problèmes dans un temps raisonnable, nous avons recours au calcul haute performance (High Performance Computing ou HPC en anglais). Le HPC regroupe l’ensemble des techniques utilisées pour concevoir et utiliser les super calcula-teurs. Ces énormes machines ont pour objectifs de calculer toujours plus vite,plus précisément et plus efficacement.Pour atteindre ces objectifs, les machines sont de plus en plus complexes. La tendance actuelle est d’augmenter le nombre cœurs de calculs sur les processeurs,mais aussi d’augmenter le nombre de processeurs dans les machines. Les ma-chines deviennent de plus en hétérogènes, avec de nombreux éléments différents à utiliser en même temps pour extraire le maximum de performances. Pour pallier ces difficultés, les développeurs utilisent des modèles de programmation,dont le but est de simplifier l’utilisation de toutes ces ressources. Certains modèles, dits à mémoire distribuée (comme MPI), permettent d’abstraire l’envoi de messages entre les différents nœuds de calculs, d’autres dits à mémoire partagée, permettent de simplifier et d’optimiser l’utilisation de la mémoire partagée au sein des cœurs de calcul.Cependant, ces évolutions et cette complexification des supercalculateurs à un large impact sur la pile logicielle. Il est désormais nécessaire d’utiliser plusieurs modèles de programmation en même temps dans les applications.Ceci affecte non seulement le développement des codes de simulations, car les développeurs doivent manipuler plusieurs modèles en même temps, mais aussi les exécutions des simulations. Un effet de bord de cette approche de la programmation est l’empilement de modèles (‘Runtime Stacking’) : mélanger plusieurs modèles implique que plusieurs bibliothèques fonctionnent en même temps. Gérer plusieurs bibliothèques peut mener à un grand nombre de fils d’exécution utilisant les ressources sous-jacentes de manière non optimaleL’objectif de cette thèse est d’étudier l’empilement des modèles de programmation et d’optimiser l’utilisation de ressources de calculs par ces modèles au cours de l’exécution des simulations numériques. Nous avons dans un premier temps caractérisé les différentes manières de créer des codes de calcul mélangeant plusieurs modèles. Nous avons également étudié les différentes interactions que peuvent avoir ces modèles entre eux lors de l’exécution des simulations.De ces observations nous avons conçu des algorithmes permettant de détecter des utilisations de ressources non optimales. Enfin, nous avons développé un outil permettant de diriger automatiquement l’utilisation des ressources par les différents modèles de programmation