ExaStencils
Advanced Stencil-Code Engineering
Visualisierung von Daten im Mehrgitterverfahren
Zukünftige Exascale-Systeme mit 107 Recheneinheiten und einer Spitzenleistung von bis zu 1018 FLOPS werden ein enges Codesign von Anwendung, Algorithmus und architekturgewahrer Programmentwicklung benötigen, wenn die potenziell zur Verfügung stehende Spitzenleistung für eine breite Palette von Anwendungen erreicht werden soll. Dafür gibt es zwei Hauptgründe. Zum Ersten wird sich der Knotenaufbau in einem Exascale-Cluster in nachfolgenden Rechnergenerationen zunehmend heterogen gestalten, mit jeweils der neuesten Manycore-, Grafikkarten-und Beschleunigertechnologie. Zum Zweiten wird sich der Cluster selbst aus heterogenen Subsystemen und Verbindungsnetzwerken zusammensetzen. Der effiziente Betrieb solcher Cluster wird neue Softwaretechniken benötigen, die eine gemeinsame Entwicklung der algorithmischen Lösung und des Programms unterstützen. Derartige Techniken werden nicht nur (a) eine Vereinfachung der Anwendungs- und Programmentwicklung zur Folge haben, sondern auch (b) die Leistungsanalyse und -optimierung unterstützen, (c) zu kürzeren Entwicklungszyklen führen und (d) die Portabilität der Hochleistungssoftware erhöhen oder gar erst ermöglichen.
Projekt ExaStencils wird einen einzigartigen, werkzeugunterstützten, domänenspezifischen Codesign-Ansatz für Stencil-Codes untersuchen und bereitstellen. Stencil-Codes spielen beim Hochleistungsrechnen und der Simulation auf strukturierten und blockstrukturierten Gittern eine zentrale Rolle. Stencils sind reguläre Zugriffsmuster auf (in der Regel) mehrdimensionalen Datengittern. Mehrgittermethoden arbeiten auf einer Hierarchie von anfänglich sehr feinen und nachfolgend immer gröberen Gittern. Aus der Perspektive des Rechenalgorithmus beinhalten notwendige domänenspezifische Untersuchungen die Extraktion und Entwicklung von geeigneten Stencils, die Analyse leistungsrelevanter algorithmischer Alternativen und die Analyse und Minderung von Synchronisationsanforderungen auf Basis eines Schablonenmodells der anvisierten Clusterarchitektur. Ausgehend von dieser Analyse soll eine hochentwickelte Programmierungs- und Softwarewerkzeugunterstützung erarbeitet werden, indem die relevanten Datenstrukturen und Programmsegmente for Stencil-Berechnungen in einer domänenspezifischen Sprache erfasst werden. Generatorbasierte Produktlinientechnologie soll zur automatischen Erzeugung von Stencil-Codes eingesetzt werden, die speziell auf die jeweils anvisierte Kombination von Anwendung und Rechenplattform angepasst sind. Ein wesentliches Merkmal von ExaStencils ist, dass Domänenwissen koordiniert über alle Abstraktionsebenen einfließt und zur Optimierung verwendet wird – von der Formulierung des Anwendungsszenarios bis zur Generierung von hoch-optimiertem Stencil-Codes.
Für den im Konsortium gemeinsam entwickelten einzigartigen und erstmalig durchgängigen Entwurfsfluss sollen die drei Ziele der (1) Produktivitätssteigerung, (2) Flexibilität in der Wahl des Algorithmus und der Zielplattform und (3) Erreichbarkeit und Nachweis von ExaFLOPS-Rechenleistung in einer detaillierten, abschließenden Evaluierungsphase demonstriert werden.
Publikationen
ExaStencils: Advanced Stencil-Code Engineering
Euro-Par: Parallel Processing Workshops (Porto, 08/25/14 - 08/26/14)
In: Lecture Notes in Computer Science (including subseries Lecture Notes in Artificial Intelligence and Lecture Notes in Bioinformatics), Berlin; Heidelberg: Springer-Verlag, 2014
DOI: 10.1007/978-3-319-14313-2_47
URL: http://link.springer.com/content/pdf/10.1007%2F978-3-319-14313-2_47.pdf
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Reconfigurable Hardware Generation of Multigrid Solvers with Conjugate Gradient Coarse-Grid Solution
In: Parallel Processing Letters 28 (2018), Art.Nr.: 1850016
ISSN: 0129-6264
DOI: 10.1142/S0129626418500160
URL: https://www12.informatik.uni-erlangen.de/downloads/schmittch/publications/SSKKTH18ppl.pdf
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A Scala Prototype to Generate Multigrid Solver Implementations for Different Problems and Target Multi-Core Platforms
In: International Journal of Computational Science and Engineering 14 (2017), S. 150-163
ISSN: 1742-7185
DOI: 10.1504/IJCSE.2017.10003829
URL: https://www12.cs.fau.de/downloads/schmittch/publications/KSKHTR14jcse.pdf
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Optimizing Performance of Stencil Code with SPL Conqueror
1st International Workshop on High-Performance Stencil Computations (HiStencils) (Vienna, 01/20/14 - 01/20/14)
URL: https://www12.cs.fau.de/downloads/schmittch/publications/GSAKSK14histencils.pdf
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Towards a Performance-portable Description of Geometric Multigrid Algorithms using a Domain-specific Language
In: Journal of Parallel and Distributed Computing 74 (2014), S. 3191-3201
ISSN: 0743-7315
DOI: 10.1016/j.jpdc.2014.08.008
URL: https://graphics.cg.uni-saarland.de/papers/membarth-2014-jpdc.pdf
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Big Data and HPC Acceleration with Vivado HLS
In: Dirk Koch, Frank Hannig, and Daniel Ziener (Hrsg.): FPGAs for Software Programmers, Springer, 2016, S. 115-136
DOI: 10.1007/978-3-319-26408-0_7
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Systems of Partial Differential Equations in ExaSlang
In: Software for Exascale Computing - SPPEXA 2013-2015, Berlin, Heidelberg, New York: Springer, 2016, S. 47-67 (Lecture Notes in Computational Science and Engineering, Bd.113)
ISBN: 9783319405261
DOI: 10.1007/978-3-319-40528-5_3
URL: https://www12.cs.fau.de/downloads/schmittch/publications/SKHTKRL16sppexa.pdf
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Experiments on Optimizing the Performance of Stencil Codes with SPL Conqueror
In: Parallel Processing Letters 24 (2014)
ISSN: 0129-6264
DOI: 10.1142/S0129626414410011
URL: https://www12.cs.fau.de/downloads/schmittch/publications/GKSKSAHT14ppl.pdf
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ExaSlang: A Domain-Specific Language for Highly Scalable Multigrid Solvers
4th International Workshop on Domain-Specific Languages and High-Level Frameworks for High Performance Computing (WOLFHPC) (New Orleans, LA, USA, 11/17/14 - 11/17/14)
In: Proceedings of the 4th International Workshop on Domain-Specific Languages and High-Level Frameworks for High Performance Computing (WOLFHPC), New York, NY, USA: IEEE Press, 2014
DOI: 10.1109/WOLFHPC.2014.11
URL: https://www12.cs.fau.de/downloads/schmittch/publications/SKHHT14wolfhpc.pdf
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Code Generation for High-Level Synthesis of Multiresolution Applications on FPGAs
First International Workshop on FPGAs for Software Programmers (FSP) (Munich, 09/01/14 - 09/01/14)
URL: http://arxiv.org/abs/1408.4721
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An Evaluation of Domain-Specific Language Technologies for Code Generation
14th International Conference on Computational Science and its Applications (ICCSA) (Minho, Guimaraes, 06/30/14 - 07/03/14)
In: Proceedings - 14th International Conference on Computational Science and Its Applications, ICCSA 2014, New York, NY, USA: IEEE Press, 2014
DOI: 10.1109/ICCSA.2014.16
URL: https://www12.cs.fau.de/downloads/schmittch/publications/SKKHT14iccsa.pdf
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ExaStencils: Advanced Stencil-Code Engineering - First Project Report
(2014)
Open Access: http://www.fim.uni-passau.de/fileadmin/files/forschung/mip-berichte/MIP1401.pdf
URL: http://www.fim.uni-passau.de/fileadmin/files/forschung/mip-berichte/MIP1401.pdf
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Generation of Multigrid-based Numerical Solvers for FPGA Accelerators
2nd International Workshop on High-Performance Stencil Computations (HiStencils) (Amsterdam, 01/20/15 - 01/20/15)
URL: https://www12.cs.fau.de/downloads/schmittch/publications/SSHTKK15histencils.pdf
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Trends in Data Locality Abstractions for HPC Systems
In: IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems (2017)
ISSN: 1045-9219
DOI: 10.1109/TPDS.2017.2703149
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A Target Platform Description Language for Parallel Code Generation
31st GI/ITG International Conference on Architecture of Computing Systems (ARCS) (Braunschweig, 04/09/18 - 04/12/18)
URL: https://www12.cs.fau.de/downloads/schmittch/publications/SHT18arcs.pdf
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Automating the Development of High-Performance Multigrid Solvers
In: Proceedings of the IEEE 106 (2018), S. 1969 - 1984
ISSN: 0018-9219
DOI: 10.1109/JPROC.2018.2854229
URL: https://www.infosun.fim.uni-passau.de/publications/docs/ExaStencilsProcIEEE2018.pdf
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