Modèles et protocoles de cohérence de données, décision et optimisation à la compilation pour des architectures massivement parallèles

Data Consistency Models and Protocols, Decision and Optimization at Compile Time for Massively Parallel Architectures

• Auteur / Autrice : Safae Dahmani
• Direction : Guy Gogniat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Stic
• Date : Soutenance le 14/12/2015
• Etablissement(s) : Lorient
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Santé, information-communication et mathématiques, matière (Brest, Finistère)
• Partenaire(s) de recherche : PRES : Université européenne de Bretagne (2007-2016)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des sciences et techniques de l'information- de la communication et de la connaissance / Lab-STICC
• Jury : Président / Présidente : Henri-Pierre Charles
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Raymond Namyst, Gabriel Antoniu, Loïc Cudennec
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Raymond Namyst, Gilles Sassatelli

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mémoire partagée répartie

Cohérence (informatique)

Microprocesseurs multi-coeurs

Mots clés libres

Protocoles de cohérence

Plate-forme multiprotocolaire

Compilation

Manycores architectures

Multi-protocol compilation toolchain

Résumé

Le développement des systèmes massivement parallèles de type manycores permet d'obtenir une très grande puissance de calcul à bas coût énergétique. Cependant, l'exploitation des performances de ces architectures dépend de l'efficacité de programmation des applications. Parmi les différents paradigmes de programmation existants, celui à mémoire partagée est caractérisé par une approche intuitive dans laquelle tous les acteurs disposent d'un accès à un espace d'adressage global. Ce modèle repose sur l'efficacité du système à gérer les accès aux données partagées. Le système définit les règles de gestion des synchronisations et de stockage de données qui sont prises en charge par les protocoles de cohérence. Dans le cadre de cette thèse nous avons montré qu'il n'y a pas un unique protocole adapté aux différents contextes d'application et d'exécution. Nous considérons que le choix d'un protocole adapté doit prendre en compte les caractéristiques de l'application ainsi que des objectifs donnés pour une exécution. Nous nous intéressons dans ces travaux de thèse au choix des protocoles de cohérence en vue d'améliorer les performances du système. Nous proposons une plate-forme de compilation pour le choix et le paramétrage d'une combinaison de protocoles de cohérence pour une même application. Cette plate- forme est constituée de plusieurs briques. La principale brique développée dans cette thèse offre un moteur d'optimisation pour la configuration des protocoles de cohérence. Le moteur d'optimisation, inspiré d'une approche évolutionniste multi-objectifs (i.e. Fast Pareto Genetic Algorithm), permet d'instancier les protocoles de cohérence affectés à une application. L'avantage de cette technique est un coût de configuration faible permettant d'adopter une granularité très fine de gestion de la cohérence, qui peut aller jusqu'à associer un protocole par accès. La prise de décision sur les protocoles adaptés à une application est orientée par le mode de performance choisi par l'utilisateur (par exemple, l'économie d'énergie). Le modèle de décision proposé est basé sur la caractérisation des accès aux données partagées selon différentes métriques (par exemple: la fréquence d'accès, les motifs d'accès à la mémoire, etc). Les travaux de thèse traitent également des techniques de gestion de données dans la mémoire sur puce. Nous proposons deux protocoles basés sur le principe de coopération entre les caches répartis du système: Un protocole de glissement des données ainsi qu'un protocole inspiré du modèle physique du masse-ressort.

Manycores architectures consist of hundreds to thousands of embedded cores, distributed memories and a dedicated network on a single chip. In this context, and because of the scale of the processor, providing a shared memory system has to rely on efficient hardware and software mechanisms and data consistency protocols. Numerous works explored consistency mechanisms designed for highly parallel architectures. They lead to the conclusion that there won't exist one protocol that fits to all applications and hardware contexts. In order to deal with consistency issues for this kind of architectures, we propose in this work a multi-protocol compilation toolchain, in which shared data of the application can be managed by different protocols. Protocols are chosen and configured at compile time, following the application behaviour and the targeted architecture specifications. The application behaviour is characterized with a static analysis process that helps to guide the protocols assignment to each data access. The platform offers a protocol library where each protocol is characterized by one or more parameters. The range of possible values of each parameter depends on some constraints mainly related to the targeted platform. The protocols configuration relies on a genetic-based engine that allows to instantiate each protocol with appropriate parameters values according to multiple performance objectives. In order to evaluate the quality of each proposed solution, we use different evaluation models. We first use a traffic analytical model which gives some NoC communication statistics but no timing information. Therefore, we propose two cycle- based evaluation models that provide more accurate performance metrics while taking into account contention effect due to the consistency protocols communications.We also propose a cooperative cache consistency protocol improving the cache miss rate by sliding data to less stressed neighbours. An extension of this protocol is proposed in order to dynamically define the sliding radius assigned to each data migration. This extension is based on the mass-spring physical model. Experimental validation of different contributions uses the sliding based protocols versus a four-state directory-based protocol.