Méthodes de génération automatique de code appliquées à l’algèbre linéaire numérique dans le calcul haute performance

par Ian Masliah

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Marc Baboulin et de Joël Falcou.

Soutenue le 26-09-2016

à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Sciences et technologies de l'information et de la communication (Orsay, Essonne) , en partenariat avec Université de Paris-Sud (établissement opérateur d'inscription) et de Laboratoire de recherche en informatique (Orsay, Essonne) (laboratoire) .

Le président du jury était Frédéric Magoulès.

Le jury était composé de Marc Baboulin, Joël Falcou, Frédéric Magoulès, Paolo Bientinesi, David R. C. Hill, Emmanuel Chailloux.

Les rapporteurs étaient Paolo Bientinesi, David R. C. Hill.


  • Résumé

    Les architectures parallèles sont aujourd'hui présentes dans tous les systèmes informatiques, allant des smartphones aux supercalculateurs en passant par les ordinateurs de bureau. Programmer efficacement ces architectures en fonction des applications requiert un effort pluridisciplinaire portant sur les langages dédiés (Domain Specific Languages - DSL), les techniques de génération de code et d'optimisation, et les algorithmes numériques propres aux applications. Dans cette thèse, nous présentons une méthode de programmation haut niveau prenant en compte les caractéristiques des architectures hétérogènes et les propriétés existantes des matrices pour produire un solveur générique d'algèbre linéaire dense. Notre modèle de programmation supporte les transferts explicites et implicites entre un processeur (CPU) et un processeur graphique qui peut être généraliste (GPU) ou intégré (IGP). Dans la mesure où les GPU sont devenus un outil important pour le calcul haute performance, il est essentiel d'intégrer leur usage dans les plateformes de calcul. Une architecture récente telle que l'IGP requiert des connaissances supplémentaires pour pouvoir être programmée efficacement. Notre méthodologie a pour but de simplifier le développement sur ces architectures parallèles en utilisant des outils de programmation haut niveau. À titre d'exemple, nous avons développé un solveur de moindres carrés en précision mixte basé sur les équations semi-normales qui n'existait pas dans les bibliothèques actuelles. Nous avons par la suite étendu nos travaux à un modèle de programmation multi-étape ("multi-stage") pour résoudre les problèmes d'interopérabilité entre les modèles de programmation CPU et GPU. Nous utilisons cette technique pour générer automatiquement du code pour accélérateur à partir d'un code effectuant des opérations point par point ou utilisant des squelettes algorithmiques. L'approche multi-étape nous assure que le typage du code généré est valide. Nous avons ensuite montré que notre méthode est applicable à d'autres architectures et algorithmes. Les routines développées ont été intégrées dans une bibliothèque de calcul appelée NT2.Enfin, nous montrons comment la programmation haut niveau peut être appliquée à des calculs groupés et des contractions de tenseurs. Tout d'abord, nous expliquons comment concevoir un modèle de container en utilisant des techniques de programmation basées sur le C++ moderne (C++-14). Ensuite, nous avons implémenté un produit de matrices optimisé pour des matrices de petites tailles en utilisant des instructions SIMD. Pour ce faire, nous avons pris en compte les multiples problèmes liés au calcul groupé ainsi que les problèmes de localité mémoire et de vectorisation. En combinant la programmation haut niveau avec des techniques avancées de programmation parallèle, nous montrons qu'il est possible d'obtenir de meilleures performances que celles des bibliothèques numériques actuelles.

  • Titre traduit

    Automatic code generation methods applied to numerical linear algebra in high performance computing


  • Résumé

    Parallelism in today's computer architectures is ubiquitous whether it be in supercomputers, workstations or on portable devices such as smartphones. Exploiting efficiently these systems for a specific application requires a multidisciplinary effort that concerns Domain Specific Languages (DSL), code generation and optimization techniques and application-specific numerical algorithms. In this PhD thesis, we present a method of high level programming that takes into account the features of heterogenous architectures and the properties of matrices to build a generic dense linear algebra solver. Our programming model supports both implicit or explicit data transfers to and from General-Purpose Graphics Processing Units (GPGPU) and Integrated Graphic Processors (IGPs). As GPUs have become an asset in high performance computing, incorporating their use in general solvers is an important issue. Recent architectures such as IGPs also require further knowledge to program them efficiently. Our methodology aims at simplifying the development on parallel architectures through the use of high level programming techniques. As an example, we developed a least-squares solver based on semi-normal equations in mixed precision that cannot be found in current libraries. This solver achieves similar performance as other mixed-precision algorithms. We extend our approach to a new multistage programming model that alleviates the interoperability problems between the CPU and GPU programming models. Our multistage approach is used to automatically generate GPU code for CPU-based element-wise expressions and parallel skeletons while allowing for type-safe program generation. We illustrate that this work can be applied to recent architectures and algorithms. The resulting code has been incorporated into a C++ library called NT2. Finally, we investigate how to apply high level programming techniques to batched computations and tensor contractions. We start by explaining how to design a simple data container using modern C++14 programming techniques. Then, we study the issues around batched computations, memory locality and code vectorization to implement a highly optimized matrix-matrix product for small sizes using SIMD instructions. By combining a high level programming approach and advanced parallel programming techniques, we show that we can outperform state of the art numerical libraries.


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