Design space exploration of 64-bit arm compute nodes for highly energy effcient Exascale

Ce travail s’inscrit dans le cadre de la famille de projets Européens Mont-Blanc dont l’objectif est de développer la prochaine génération de systèmes Exascale. Il s’intéresse particulièrement à la question de l’efficacité énergétique, d’abord au niveau micro-architectural en considérant l’utilisation de nœuds de calcul basés sur l’Armv8-A 64-bit associée à une topologie SoC pertinente, puis en examinant les aspects exécutifs notamment par une étude de stratégies de gestion énergétique (power management) mieux adaptées à des contraintes de traitement massivement parallèle. Une méthodologie d’exploration architecturale capable de supporter la simulation de larges clusters de calcul parallèle est définie et exploitée pour proposer, développer et évaluer des modèles multi-SoC et de réseaux de communication associés (SoC Coherent Interconnect, SCI). Cette démarche est ensuite poursuivie pour définir une architecture Exascale permettant de réduire globalement la complexité et les coûts de développement en dégradant le moins possible les performances. Le partitionnement de la puce permet ainsi des possibilités intéressantes au niveau technologique telles que l’intégration de nœuds supplémentaires basée sur des technologies System-in-Package (interposer), ou 3D Through Silicon Vias (TSVs) et High Memory Bandwidth (HBM). En second lieu, les aspects énergétiques sont abordés plus directement par l’étude de politiques de gestion énergétique existantes et en proposant deux stratégies pour permettre réduire la consommation en préservant les performance. La première exploite une perception applicative plus fine pour ajuster la fréquence de nombreuses tâches parallèles et mieux équilibrer leurs temps d’exécution. La seconde stratégie réduit la fréquence des coeurs aux points de synchronisation des tâches pour limiter les fonctionnements inutiles à pleine puissance. Les résultats d’expérimentation obtenus avec ces stratégies, à la fois en simulation et sur plateforme réelle, montrent les possibilités offertes par cette approche pour répondre aux fortes contraintes des plateformes pre-exascale sur le plan énergétique.This work is part of a family of European projects called Mont-Blanc whose objective is to develop the next generation of Exascale systems. It addresses specifically the issue of energy efficiency, at micro-architectural level first by considering the use of 64-bit Armv8-A based compute nodes and an associated relevant SoC topology, and examine also the runtime aspects with notably the study of power management strategies that can be better suited to the constraints of HPC highly parallel processing. A design space exploration methodology capable of supporting the simulation of large manycore computing clusters is developped and lead to propose, design and evaluate multi-SoC and their associated SoC Coherent Interconnect models (SCI). This approach is then used to define a pre-exascale architecture allowing to globally reduce the complexity and cost of chip developments without sacrifying performances. The resulting partitioning scheme introduces interesting perspectives at technology level such as the integration of more compute nodes directly on an interposer based System-in-Package (SiP), possibly based on 3D Through Silicon Vias (TSVs) using High Memory Bandwidth (HBM). Energy efficiency is addressed more directly in second instance by studying current power management policies and proposing two strategies to help reducing power while preserving performances. The first one exploits finer application execution knowledge to adjust the frequency of extensive parallel threads and better balance their execution time. The second strategy reduces core frequencies at synchronisation points of jobs to avoid running the cores at full speed while it is not necessary. Experiment results with these strategies, both in simulation and real hardware, show the possibilities offered par this approach to address the strong requirements of Exascale platforms