Convergence HPC - Big Data : Gestion de différentes catégories d'applications sur des infrastructures HPC

par Valentin Honore

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Brice Goglin.

Soutenue le 15-10-2020

à Bordeaux , dans le cadre de École doctorale de mathématiques et informatique , en partenariat avec Laboratoire bordelais de recherche en informatique (laboratoire) , Tadaam (équipe de recherche) et de Tadaam (laboratoire) .

Le président du jury était Gabriel Antoniu.

Le jury était composé de Brice Goglin, Frédéric Suter, Anne Benoit, Guillaume Pallez, Ewa Deelman.

Les rapporteurs étaient Frédéric Suter, Anne Benoit.


  • Résumé

    Le calcul haute performance est un domaine scientifique dans lequel de très complexes et intensifs calculs sont réalisés sur des infrastructures de calcul à très large échelle appelées supercalculateurs. Leur puissance calculatoire phénoménale permet aux supercalculateurs de générer un flot de données gigantesque qu'il est aujourd'hui difficile d'appréhender, que ce soit d'un point de vue du stockage en mémoire que de l'extraction des résultats les plus importants pour les applications.Nous assistons depuis quelques années à une convergence entre le calcul haute performance et des domaines tels que le BigData ou l'intelligence artificielle qui voient leurs besoins en terme de capacité de calcul exploser. Dans le cadre de cette convergence, une grande diversité d'applications doit être traitée par les ordonnanceurs des supercalculateurs, provenant d'utilisateurs de différents horizons pour qui il n'est pas toujours aisé de comprendre le fonctionnement de ces infrastructures pour le calcul distribué.Dans cette thèse, nous exposons des solutions d'ordonnancement et de partitionnement de ressources pour résoudre ces problématiques. Pour ce faire, nous proposons une approche basée sur des modèles mathématiques qui permet d'obtenir des solutions avec de fortes garanties théoriques de leu performance. Dans ce manuscrit, nous nous focalisons sur deux catégories d'applications qui s'inscrivent en droite ligne avec la convergence entre le calcul haute performance et le BigData:les applications intensives en données et les applications à temps d'exécution stochastique.Les applications intensives en données représentent les applications typiques du domaine du calcul haute performance. Dans cette thèse, nous proposons d'optimiser cette catégorie d'applications exécutées sur des supercalculateurs en exposant des méthodes automatiques de partitionnement de ressources ainsi que des algorithmes d'ordonnancement pour les différentes phases de ces applications. Pour ce faire, nous utilisons le paradigme in situ, devenu à ce jour une référence pour ces applications. De nombreux travaux se sont attachés à proposer des solutions logicielles pour mettre en pratique ce paradigme pour les applications. Néanmoins, peu de travaux ont étudié comment efficacement partager les ressources de calcul les différentes phases des applications afin d'optimiser leur temps d'exécution.Les applications stochastiques constituent la deuxième catégorie d'applications que nous étudions dans cette thèse. Ces applications ont un profil différent de celles de la première partie de ce manuscrit. En effet, contrairement aux applications de simulation numérique, ces applications présentent de fortes variations de leur temps d'exécution en fonction des caractéristiques du jeu de données fourni en entrée. Cela est dû à leur structure interne composée d'une succession de fonctions, qui diffère des blocs de code massifs composant les applications intensive en données.L'incertitude autour de leur temps d'exécution est une contrainte très forte pour lancer ces applications sur les supercalculateurs. En effet, l'utilisateur doit réserver des ressources de calcul pour une durée qu'il ne connait pas. Dans cette thèse, nous proposons une approche novatrice pour aider les utilisateurs à déterminer une séquence de réservations optimale qui minimise l'espérance du coût total de toutes les réservations. Ces solutions sont par la suite étendues à un modèle d'applications avec points de sauvegarde à la fin de (certaines) réservations afin d'éviter de perdre le travail réalisé lors des réservations trop courtes. Enfin, nous proposons un profiling d'une application stochastique issue du domaine des neurosciences afin de mieux comprendre les propriétés de sa stochasticité. A travers cette étude, nous montrons qu'il est fondamental de bien connaître les caractéristiques des applications pour qui souhaite élaborer des stratégies efficaces du point de vue de l'utilisateur.

  • Titre traduit

    HPC - Big Data Convergence : Managing theDiversity of Application Profiles on HPC Facilities


  • Résumé

    Numerical simulations are complex programs that allow scientists to solve, simulate and model complex phenomena. High Performance Computing (HPC) is the domain in which these complex and heavy computations are performed on large-scale computers, also called supercomputers.Nowadays, most scientific fields need supercomputers to undertake their research. It is the case of cosmology, physics, biology or chemistry. Recently, we observe a convergence between Big Data/Machine Learning and HPC. Applications coming from these emerging fields (for example, using Deep Learning framework) are becoming highly compute-intensive. Hence, HPC facilities have emerged as an appropriate solution to run such applications. From the large variety of existing applications has risen a necessity for all supercomputers: they mustbe generic and compatible with all kinds of applications. Actually, computing nodes also have a wide range of variety, going from CPU to GPU with specific nodes designed to perform dedicated computations. Each category of node is designed to perform very fast operations of a given type (for example vector or matrix computation).Supercomputers are used in a competitive environment. Indeed, multiple users simultaneously connect and request a set of computing resources to run their applications. This competition for resources is managed by the machine itself via a specific program called scheduler. This program reviews, assigns andmaps the different user requests. Each user asks for (that is, pay for the use of) access to the resources ofthe supercomputer in order to run his application. The user is granted access to some resources for a limited amount of time. This means that the users need to estimate how many compute nodes they want to request and for how long, which is often difficult to decide.In this thesis, we provide solutions and strategies to tackle these issues. We propose mathematical models, scheduling algorithms, and resource partitioning strategies in order to optimize high-throughput applications running on supercomputers. In this work, we focus on two types of applications in the context of the convergence HPC/Big Data: data-intensive and irregular (orstochastic) applications.Data-intensive applications represent typical HPC frameworks. These applications are made up oftwo main components. The first one is called simulation, a very compute-intensive code that generates a tremendous amount of data by simulating a physical or biological phenomenon. The second component is called analytics, during which sub-routines post-process the simulation output to extract,generate and save the final result of the application. We propose to optimize these applications by designing automatic resource partitioning and scheduling strategies for both of its components.To do so, we use the well-known in situ paradigm that consists in scheduling both components together in order to reduce the huge cost of saving all simulation data on disks. We propose automatic resource partitioning models and scheduling heuristics to improve overall performance of in situ applications.Stochastic applications are applications for which the execution time depends on its input, while inusual data-intensive applications the makespan of simulation and analytics are not affected by such parameters. Stochastic jobs originate from Big Data or Machine Learning workloads, whose performanceis highly dependent on the characteristics of input data. These applications have recently appeared onHPC platforms. However, the uncertainty of their execution time remains a strong limitation when using supercomputers. Indeed, the user needs to estimate how long his job will have to be executed by the machine, and enters this estimation as his first reservation value. But if the job does not complete successfully within this first reservation, the user will have to resubmit the job, this time requiring a longer reservation.


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