Μελέτη υποδομής για ανάπτυξη, βελτιστοποίηση και απεικόνιση εφαρμογών σε παράλληλες αρχιτεκτονικές

Abstract

Πρόσφατες εξελίξεις σε αλγορίθμους με υψηλό υπολογιστικό φόρτο σε διάφορους τομείς όπως η επεξεργασία εικόνας, η δυναμική ελέγχου ροής και η μηχανική μάθηση παρουσιάζουν μαζικά αυξημένη ανάγκη για υπολογιστική ισχύ. Από την άλλη πλευρά, το High Performance Computing βρίσκεται υπό συνεχή ανάπτυξη, προσφέροντας προηγμένες αρχιτεκτονικές υλικού και παράλληλα μοντέλα προγραμματισμού και πρωτόκολλα που αυξάνουν την απόδοση και μειώνουν το κόστος τέτοιων εργασιών. Ωστόσο, η εκμετάλλευση αυτών των τεχνολογιών είναι διαθέσιμη μόνο σε εξειδικευμένους χρήστες, ενώ οι μέσοι προγραμματιστές μπορούν να ασχοληθούν μόνο με ένα περιορισμένο αριθμό τεχνολογιών που έχουν αναπτυχθεί αρκετά ώστε να περιλαμβάνουν μια απλή διεπαφή ικανή να αποκρύπτει την υψηλή πολυπλοκότητα. Σε αυτή τη διπλωματική εργασία, μελετήσαμε μια σειρά διαφορετικών τεχνολογιών που μπορούν να συνδυαστούν για να διευκολύνουν την ανάπτυξη, βελτιστοποίηση και εκτέλεση μιας παράλληλης εφαρμογής. Εστιάσαμε στο σχεδιασμό της αρχιτεκτονικής μιας υποδομής, η οποία παίρνει τη μορφή μιας εργαλειοθήκης που προσφέρει μια ποικιλία διαφορετικών λειτουργιών. Η χρήση μιας τέτοιας υποδομής στοχεύει να βοηθήσει τον χρήστη να υλοποιήσει εφαρμογές υψηλής απόδοσης, ικανές να αναπτυχθούν σε διάφορες αρχιτεκτονικές και χώρους μνήμης. Ένα παράλληλο Προγραμματιστικό Μοντέλο έχει σχεδιαστεί για την καθοδήγηση του χρήστη μέσω της διαδικασίας σχεδιασμού εφαρμογής. Αυτό το μοντέλο αποκρύπτει τον προγραμματιστή από την εφαρμογή χαμηλού επιπέδου, φροντίζοντας όλες τις εργασίες επικοινωνίας και εκτέλεσης. Η ολοκλήρωση και η εκτέλεση της εφαρμογής είναι ευθύνη του εργαλείου Διαχείρισης Εκτέλεσης που έχει αναπτυχθεί για την εφαρμογή των οδηγιών χαμηλού επιπέδου και τη χρήση εξωτερικών βιβλιοθηκών. Η Προγραμματιστική Διεπαφή αποτελεί μέρος του μοντέλου προγραμματισμού και αποτελείται κυρίως από ένα σύνολο βιβλιοθηκών που αναπτύχθηκαν για να επιτρέπουν την επικοινωνία μεταξύ των επιμέρους κομματιών της εφαρμογής. Ένα εργαλείο Αυτόματης Παραλληλοποίησης είναι το αποτέλεσμα μιας εκτεταμένης μελέτης των σύγχρονων τεχνικών που χρησιμοποιούνται στον τομέα και εκμεταλλεύεται το σχεδιασμό του Προγραμματιστικού Μοντέλου για την αυτόματη παραλληλοποίηση μερών της εφαρμογής που περιλαμβάνουν μεγάλο υπολογιστικό φόρτο. Ένα εργαλείο λήψης αποφάσεων όσον αφορά τις διαθέσιμες τεχνικές που υποστηρίζονται, εκμεταλλεύεται τις οδηγίες του χρήστη για την ανάθεση τμημάτων της εφαρμογής στα διάφορα στοιχεία υλικού και επιλέγει τις αντίστοιχες τεχνολογίες για την υλοποίηση των λειτουργιών επικοινωνίας και εκτέλεσης χαμηλού επιπέδου που απαιτούνται. Οι κύριοι στόχοι αυτής της εργασίας μπορούν να συνοψιστούν σε τρία μέρη, συγκεκριμένα στα κεφάλαια 3, 4 και 5. Στο πρώτο μέρος συζητάμε τις τρέχουσες τεχνολογίες παραλληλοποίησης, εστιάζοντας ειδικά στην αξιολόγηση της απόδοσης του παραλληλοποιητή PLuTo και του μεταγλωττιστή ROSE, εργασία για την κάλυψη περισσότερων περιπτώσεων και βελτιστοποίηση της απόδοσης. Στο δεύτερο μέρος, περιγράφουμε λεπτομερώς το παράλληλο προγραμματιστικό μοντέλο που χρησιμοποιείται για την χρήση των εργαλείων. Τέλος, στο τρίτο μέρος, συζητάμε τις λεπτομέρειες ολοκλήρωσης μιας τέτοιας υποδομής (AEOLUS) και πώς η αλληλεπίδρασή των μερών της μπορεί να προσφέρει ως αποτέλεσμα μια ολοκληρωμένη και βελτιστοποιημένη παράλληλη εφαρμογή.