Συγκριτική μελέτη και αποτίμηση απόδοσης αλγορίθμων σε διασυνδεδεμένα - διαδικτυωμένα συστήματα υπολογιστών

Abstract

Herein, High Performance Computing systems are investigated in detail, focusing on issues as fault tolerance, load balancing, energy consumption, as well as on metrics from the perspective of performance and energy efficiency. A new algorithm which incorporates mechanisms for supporting: a) fault tolerance and b) load balancing for homogeneous/heterogeneous computer clusters is presented. This new algorithm is experimentally investigated for the behavior that exhibits and as demonstrated by the experimental results, the overhead of integrating the mechanism for fault tolerance is relatively small compared to the overhead that would result from repeating the execution of the application all over. Furthermore, the integration of the load balancing mechanism, in cases of heterogeneity, resulted in a highly significant increase in application’s performance. Today, more than ever, the performance of high performance computing systems and the associated energy consumption should be considered and dealt in the same manner from the aspect of importance. Energy efficiency is quickly proving to be the most important metric concerning supercomputers. In this context, the relation of performance evaluation to the consumed energy by three real high performance computing systems, of different architectures, in hand is investigated. For the experimental measurement of the consumed energy, new comprehensive scenarios have been developed for every different architecture. The experimental results have been presented on a comparative basis and useful conclusions were derived. Finally, a new metric for measuring the energy efficiency was proposed, which correlates the time complexity with the consumed energy by a high performance computing platform. The main objective is a direct and reliable comparison aiming for a fair ranking of various high performance computing systems in terms of their energy efficiency.

Η παρούσα Διδακτορική Διατριβή έχει ως αντικείμενο τα Συστήματα Υψηλών Επιδόσεων, εστιάζοντας σε θέματα ανοχής σε σφάλματα (fault tolerance), ισοκατανομής φορτίου (load balancing), κατανάλωσης ενέργειας, καθώς και μετρικών αποτίμησης απόδοσης συστημάτων υψηλών επιδόσεων, είτε από πλευράς επιδόσεων (performance metrics) ή από πλευράς ενεργειακής αποδοτικότητας (energy efficiency). Συγκεκριμένα, αρχικά παρουσιάστηκε και πειραματικά διερευνήθηκε η συμπεριφορά ενός νέου αλγόριθμου ο οποίος ενσωματώνει μηχανισμούς που υποστηρίζουν: α) την ανοχή σε σφάλματα και β) την εξισορρόπηση φορτίου, για ομοιογενή/ετερογενή συμπλέγματα υπολογιστών. Όπως αποδείχθηκε με τα πειραματικά αποτελέσματα, η επιβάρυνση της ενσωμάτωσης του μηχανισμού για την ανοχή σε σφάλματα είναι σχετικά μικρή συγκρινόμενη με την επιβάρυνση που θα προέκυπτε από την επανάληψη της εκτέλεσης της εφαρμογής από την αρχή. Επιπλέον, η ενσωμάτωση του μηχανισμού για εξισορρόπηση φορτίου σε περιπτώσεις ετερογένειας, οδήγησε σε μια ιδιαίτερα σημαντική αύξηση της απόδοσης της εφαρμογής. Σήμερα, περισσότερο από ποτέ, η απόδοση των συστημάτων υψηλών επιδόσεων και η κατανάλωση ενέργειας πρέπει να θεωρηθούν και να αντιμετωπιστούν με έναν ανάλογο δείκτη σημασίας. Η ενεργειακή αποδοτικότητα γρήγορα αναδεικνύεται ως η πλέον σημαντική μετρική της αξίας των υπερυπολογιστών. Στο πλαίσιο αυτό, μελετάται η αποτίμηση της απόδοσης σε σχέση με την ενέργεια που καταναλώνουν τρία πραγματικά συστήματα υψηλών επιδόσεων διαφορετικής αρχιτεκτονικής. Προτείνονται νέα αναλυτικά σενάρια για τον υπολογισμό της συνολικής ενέργειας που καταναλώνουν τα συστήματα διαφορετικής αρχιτεκτονικής και συγκρίνονται ως προς την ενεργειακή τους αποδοτικότητα. Τέλος, προτείνεται μία νέα μετρική η οποία συσχετίζει τη χρονική πολυπλοκότητα με την ενέργεια που καταναλώνεται κατά την εκτέλεση ενός αλγόριθμου σε μία πλατφόρμα υψηλών επιδόσεων. Βασικός στόχος της νέας μετρικής είναι η άμεση και αξιόπιστη σύγκριση των συστημάτων υψηλών επιδόσεων και η κατάταξή τους ως προς την ενεργειακή αποδοτικότητά τους.