Performance Evaluation of a Platform for Component-Based Parallel Programming

In order to deal with programming-in-the-large requirements in emerging applications of High Performance Computing (HPC), it is still necessary the development of new software development tools for reconciling high level of abstraction, expressiveness and high performance. The technologies behind CBHPC (Component-Based High Performance Computing) target these requirements, looking for reuse of software parts, interoperability across execution platforms, high development productivity and easy maintenance. However, to reconcile high level of abstraction, high performance and high expressiveness for parallel programming models and patterns when building HPC applications is not trivial. For this reason, most of the current technologies fail in this context, since they adopt the traditional process-oriented perspective in the architecture of parallel programs. The HPE platform (Hash Programming Environment) sits on top of the Hash component model to support general forms of parallelism, by combining high expressiveness with high level of abstraction. The Hash component model proposes a concern-oriented perspective to parallel programming, in alternative to the traditional process-oriented approach. In this context, this dissertation is about the efficacy and efficiency of HPE for HPC applications, also validating some of its parallel programming techniques based on components. For that, a set of programs from NPB (NAS Parallel Benchmarks), a widely disseminated collection of benchmarks for evaluating the performance of parallel computing platforms, written in Fortran, C and Java, have been refactored into components aimed at the HPE platform. In such refactoring, the original structure of the benchmarks has been preserved, with minimal changes in the code that declare and initialize data structures, as well as those that describe computations and communication patterns. Using the component-based versions of the benchmarks, a systematic performance evaluation has been performed for quantifying the overheads caused strictly by the component-based structure.Reduzir a complexidade do software e permitir o desenvolvimento em larga escala de aplicações voltados à Computação de Alto Desempenho (CAD) tem exigido o desenvolvimento de ferramentas com potencial capacidade de abstração na construção de sistemas. As tecnologias que envolvem o desenvolvimento de componentes procuram alcançar esses requisitos, buscando oferecer suporte a reuso, interoperabilidade, produtividade e maior flexibilidade de manutenção e desenvolvimento de aplicações de alto desempenho. No entanto, conciliar alto poder de abstração com alto poder de expressividade na construção de componentes de aplicações não é algo trivial, o que as atuais tecnologias não têm conseguido solucionar, uma vez que adotam as tradicionais formas de paralelismo por processos. Diante disso, a plataforma HPE (Hash Programming Environment), baseada no modelo de componentes Hash, tem buscado suportar formas mais gerais de paralelismo, conciliando expressividade com alto poder de abstração, uma vez que o modelo Hash é baseado em interesses de software e não em processo, como é feito tradicionalmente. Nesse contexto, esta dissertação busca explorar os recursos do HPE, certificando-se de sua viabilidade no contexto de aplicações de alto desempenho e validando suas técnicas de programação paralela baseadas em componentes. Isso tem resultado em um processo de construção de aplicações científicas sob a abordagem de componentes, tendo como base o conjunto de aplicativos NPB (Nas Parallel Benchmarks), o qual passa por um processo rigoroso de conversão para ser suportado pelo HPE. No processo de conversão e refatoração em componentes, busca-se conservar as estruturas originais do NPB, sem alterações significativas nos códigos que declaram e inicializam as estruturas de dados, bem como os que descrevem computações, topologia de processos e comunicação entre os processos. Para validação da plataforma, uma avaliação sistemática de desempenho é feita, tendo como princípio isolar e mensurar o peso ou o efeito da refatoração do NPB em componentes do modelo Hash