Auto-tuning pour la détection automatique du meilleur format de compression pour matrice creuse

par Ichrak Mehrez

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Nahid Emad Petiton et de Zaher Mahjoub.

Soutenue le 27-09-2018

à Paris Saclay en cotutelle avec l'Université de Tunis El-Manar. Faculté des Sciences de Tunis (Tunisie) , dans le cadre de École doctorale Sciences et technologies de l'information et de la communication (Orsay, Essonne ; 2015-....) , en partenariat avec Laboratoire d’informatique Parallélisme Réseaux Algorithmes Distribués (LI-PaRAD) (laboratoire) , Université de Versailles-Saint-Quentin-en-Yvelines (établissement opérateur d'inscription) et de Laboratoire d'Informatique Parallélisme Réseaux Algorithmes Distribués (laboratoire) .

Le président du jury était Riadh Robbana.

Le jury était composé de Nabil Abdennadher.

Les rapporteurs étaient Fabienne Jézéquel.


  • Résumé

    De nombreuses applications en calcul scientifique traitent des matrices creuses de grande taille ayant des structures régulières ou irrégulières. Pour réduire à la fois la complexité spatiale et la complexité temporelle du traitement, ces matrices nécessitent l'utilisation d'une structure particulière de stockage (ou de compression) des données ainsi que l’utilisation d’architectures cibles parallèles/distribuées. Le choix du format de compression le plus adéquat dépend généralement de plusieurs facteurs dont, en particulier, la structure de la matrice creuse, l'architecture de la plateforme cible et la méthode numérique utilisée. Etant donné la diversité de ces facteurs, un choix optimisé pour un ensemble de données d'entrée peut induire de mauvaises performances pour un autre. D’où l’intérêt d’utiliser un système permettant la sélection automatique du meilleur format de compression (MFC) en prenant en compte ces différents facteurs. C’est dans ce cadre précis que s’inscrit cette thèse. Nous détaillons notre approche en présentant la modélisation d'un système automatique qui, étant donnée une matrice creuse, une méthode numérique, un modèle de programmation parallèle et une architecture, permet de sélectionner automatiquement le MFC. Dans une première étape, nous validons notre modélisation par une étude de cas impliquant (i) Horner, et par la suite le produit matrice-vecteur creux (PMVC), comme méthodes numériques, (ii) CSC, CSR, ELL, et COO comme formats de compression, (iii) le data parallèle comme modèle de programmation et (iv) une plateforme multicœurs comme architecture cible. Cette étude nous permet d’extraire un ensemble de métriques et paramètres qui influent sur la sélection du MFC. Nous démontrons que les métriques extraites de l'analyse du modèle data parallèle ne suffisent pas pour prendre une décision (sélection du MFC). Par conséquent, nous définissons de nouvelles métriques impliquant le nombre d'opérations effectuées par la méthode numérique et le nombre d’accès à la mémoire. Ainsi, nous proposons un processus de décision prenant en compte à la fois l'analyse du modèle data parallèle et l'analyse de l’algorithme. Dans une deuxième étape, et en se basant sur les données que nous avons extrait précédemment, nous utilisons les algorithmes du Machine Learning pour prédire le MFC d’une matrice creuse donnée. Une étude expérimentale ciblant une plateforme parallèle multicœurs et traitant des matrices creuses aléatoires et/ou provenant de problèmes réels permet de valider notre approche et d’évaluer ses performances. Comme travail futur, nous visons la validation de notre approche en utilisant d'autres plateformes parallèles telles que les GPUs.

  • Titre traduit

    Auto-tuning for the automatic sparse matrix optimal compression format detection


  • Résumé

    Several applications in scientific computing deals with large sparse matrices having regular or irregular structures. In order to reduce required memory space and computing time, these matrices require the use of a particular data storage structure as well as the use of parallel/distributed target architectures. The choice of the most appropriate compression format generally depends on several factors, such as matrix structure, numerical method and target architecture. Given the diversity of these factors, an optimized choice for one input data set will likely have poor performances on another. Hence the interest of using a system allowing the automatic selection of the Optimal Compression Format (OCF) by taking into account these different factors. This thesis is written in this context. We detail our approach by presenting a design of an auto-tuner system for OCF selection. Given a sparse matrix, a numerical method, a parallel programming model and an architecture, our system can automatically select the OCF. In a first step, we validate our modeling by a case study that concerns (i) Horner scheme, and then the sparse matrix vector product (SMVP), as numerical methods, (ii) CSC, CSR, ELL, and COO as compression formats; (iii) data parallel as a programming model; and (iv) a multicore platform as target architecture. This study allows us to extract a set of metrics and parameters that affect the OCF selection. We note that data parallel metrics are not sufficient to accurately choose the most suitable format. Therefore, we define new metrics involving the number of operations and the number of indirect data access. Thus, we proposed a new decision process taking into account data parallel model analysis and algorithm analysis.In the second step, we propose to use machine learning algorithm to predict the OCF for a given sparse matrix. An experimental study using a multicore parallel platform and dealing with random and/or real-world random matrices validates our approach and evaluates its performances. As future work, we aim to validate our approach using other parallel platforms such as GPUs.


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