Contribution à l'amélioration des méthodes d'optimisation de la gestion de la mémoire dans le cadre du calcul haute performance

Contribution to the development of methods for optimization of memory management in high-performance computing

• Auteur / Autrice : Sébastien Valat
• Direction : William Jalby
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance en 2014
• Etablissement(s) : Versailles-St Quentin en Yvelines

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microprocesseurs multi-coeurs

Calcul intensif (informatique)

Gestion mémoire (informatique)

Résumé

L'évolution des architectures des calculateurs actuels est telle que la mémoire devient un problème majeur pour les performances. L'étude décrite dans ce document montre qu'il est déjà possible d'observer des pertes importantes imputables aux mécanismes de gestion de cette dernière. Dans ce contexte, nous nous sommes intéressés aux problèmes de gestion des gros segments mémoire sur les supercalculateurs multicoeurs NUMA de type Tera 100 et Curie. Notre travail est détaillé ici en suivant trois axes principaux. Nous analysons dans un premier temps les politiques de pagination de différents systèmes d'exploitation (coloration de pages, grosses pages. . . ). Nous mettons ainsi en évidence l'existence d'interférences néfastes entre ces politiques et les décisions de placement de l'allocateur en espace utilisateur. Nous complétons donc les études cache/allocateur et cache/pagination par une analyse de l'interaction cumulée de ces composants. Nous abordons ensuite la problématique des performances d'allocation des grands segments mémoire en considérant les échanges entre le système et l'allocateur. Nous montrons ici qu'il est possible d'obtenir des gains significatifs (de l'ordre de 50% sur une grosse application) en limitant ces échanges et en structurant l'allocateur pour un support explicite des architectures NUMA. La description de nos travaux s'achève sur une étude des problèmes d'extensibilité observés au niveau des fautes de pages du noyau Linux. Nous avons ainsi proposé une extension de la sémantique d'allocation afin d'éliminer la nécessité d'effectuer les coûteux effacements mémoire des pages au niveau système

Current supercomputer architectures are subject to memory related issues. For instance we can observe slowdowns induced by memory management mechanisms and their implementation. In this context, we focus on the management of large memory segments for multi-core and NUMA supercomputers similar to Tera 100 and Curie. We discuss our work in three parts. We first study several paging policies (page coloring, huge pages. . . ) from multiple operating systems. We demonstrate an interference between those policies and layout decisions taken by userspace allocators. Such interactions can significantly reduce cache efficiency depending on the application, particularly on multi-core architectures. This study extends existing works by studying interactions between the operating system, the allocator and caches. Then, we discuss performance issues when large memory segments are allocated. We consider the interaction between the OS and userspace allocators. We show that we can significantly improve some application performances (up to 50%) by controlling the memory exchange rate with the OS and by taking care of memory topologies. We finally study page fault extensibility in current Linux kernel implementation. We observe a large impact due to page zeroing which is a security requirement. We propose an improvement on memory allocation semantic aimed at avoiding page zeroing. It shows a new interest for huge pages to improve paging scalability without changing too much kernel algorithms