Ordonnancement pour améliorer la consommation d'énergie pour les architectures exascale

Energy-efficient scheduling for exascale architectures

• Auteur / Autrice : Albert D'aviau de piolant
• Direction : Amina Guermouche, Abdou Guermouche
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Inscription en doctorat le 23/10/2023
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de mathématiques et informatique
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LaBRI - Laboratoire Bordelais de Recherche en Informatique
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Supports et Algorithmes pour les applications numériques hautes performances (SATANAS)

Mots clés

Mots clés libres

Puissance

Supports d'exécution

Hpc

Exascale

Energie

Energy

Runtime

Hpc

Power

Exascale

Résumé

Le besoin en puissance de calcul concerne de plus en plus de domaines tels que la biologie, la météorologie, l'astrophysique … Les applications sont exécutées sur des supercalculateurs avec de grandes capacités de calcul. Le PEPR Numérique pour l'exascale (NumPex) s'inscrit dans ce contexte. Il a pour but de fournir les briques logicielles nécessaires pour l'exascale. Il est divisé en 5 projets ciblés (appelés PC), allant des méthodes mathématiques au traitement des données en passant par les logiciels. Cette thèse s'inscrit dans le cadre du 2e PC : ExaSoft dont le but et de fournir la pile logicielle nécessaire au bon fonctionnement des applications. Un des but du ExaSoft est de fournir des solutions pour améliorer la consommation d'énergie lors de l'exécution d'une application. En effet, la puissance de calcul qui vient avec les supercalculateurs est souvent liée à une forte consommation énergétique. En effet, Frontier, le super calculateur le plus puissant au monde (Top500) consomme 21MW (40MW en considérant tout le système de refroidissemnt). Ceci est équivalent à la consommation d'une ville américaine d'environ 12000 foyers. Réduire la consommation d'énergie se fait à la fois au niveau du noeud, et au niveau du cluster. La thèse proposée ici s'intéresse aux techniques pour réduire la consommation d'énergie au niveau du noeud. Son but est de proposer des algorithmes d'ordonnancement combinant placement des calculs et techniques propres aux processeurs (gestion des fréquences, limitation du budget de puissance (powercap), …). Des études proposent des techniques de réductions de fréquence et/ou de power capping [2,3,4,5,6], mais ces dernières ne sont pas associées au placement des tâches. Ces algorithmes seront implémentés dans StarPU [1], un support d'exécution à base de tâches développé à Bordeaux et faisant partie de la pile logicielle du PEPR NumPEX. La thèse va commencer par proposer des modèles de consommation d'énergie et de puissance pour les différents calculs (les tâches). A partir de là, le support d'exécution sera capable de placer les opérations en fonction de leurs consommations sur les différentes unités de calcul. Le support d'exécution devra également être étendu afin de pouvoir gérer les leviers d'architecture tels que la modulation de la fréquence et le budget de puissance. Ainsi, selon le type de la tâche, ces reconfigurations pourront avoir un impact sur la puissance consommée sans impacter les performances (et donc améliorer la consommation d'énergie). Les travaux de la thèse se dérouleront selon les étapes suivantes : - Etude de la consommation d'énergie des différentes tâches et de l'impact de l'architecture (CPU/GPU) et des leviers (fréquence, powercap). - Algorithmes d'ordonnancement pour placer les tâches en fonction de leurs consommation - Adaptation dynamique de la fréquence et/ou du powercap selon les tâches Cette thèse donnera la possibilité à l'étudiant.e de collaborer avec plusieurs experts dans les différents domaines concernés par le PEPR NumPex aussi bien sur le site bordelais qu'au niveau national voire international.

The computational power is needed by more and more fields like biology, meteorology, astrophysics, ... Applications are run on super computers with high computation capabilities. The PEPR 'Numérique pour l'exascale' (NumPEX) was designed in this contexte. It aimes at providing the building blocks for exascale architectures. It is devided in 5 projects (called PC), that will provide mathematical methods, data management and softwares. This thesis is part of PC2 : ExaSoft which aims at providing the softwares needed by the applications. One of ExaSoft goals is to provied solutions to improve the energy consumption of the applications during their execution. As a matter of fact, the computational power of super computers comes with a high energy cost : Frontier, the most powerful super computer in the world (https://www.top500.org/lists/top500/2023/06/) consumes 21 MW (40 MW when accounting for the cooling system). This is roughly the consumption of 12000 american households. Reducing the energy consumption can be done at the node level or at the cluster level. This thesis focuses on node-level energy minimization. It aims at designing scheduling algorithms combining computation placement and techniques specific to the computing units (frequency management, power capping, ...). These algorithms will be implemented in StarPU[1], a task-based runtime system developped in Bordeaux and part of the NumPEX PEPR. The thesis will start by providing energy and power models for the different computations (the tasks). Then, the runtime system will be able to place the computations according to their power consumption on the different computing units. The runtime system will also have to be extended to handle architecture leverages like frequency management and power capping. Hence, depending on the task, these reconfigurations may impact the power consumption without impact on the performance (therefore improving the energy consumption). The thesis will follow the following steps - Study of the energy consumption of the different tasks (of few applications) and the impact of the architecture (CPU/GPU) and their leverages (frequency, powercap). - Scheduling algorithms to place tasks according to their consumption - Dynamic adaptation of the frequency and/or the powercap depending on the task. This theses will give the student the possibility to collaborate with many experts in different fields related to the PEPR NumPex in Bordeaux, but also in France and internationally.