Políticas de asignación de aplicaciones a núcleos en un Intel Xeon utilizando la metodología Top-Down

Abstract

[ES] La mayoría de los procesadores utilizados en los servidores de los centros de cómputo de altas prestaciones disponen de núcleos que soportan la ejecución de múltiples hilos al mismo tiempo. Se trata de núcleos denominados simultaneous multithreading (SMT). Estos núcleos logran alcanzar la mayor productividad de entre los núcleos convencionales existentes con un incremento mínimo del área. Por este motivo, la mayoría de los fabricantes de procesadores (Intel, IBM, ARM, AMD, ...) ofrecen entre sus productos procesadores SMT. La principal clave por las que obtienen mayor productividad es la compartición de los recursos internos del núcleo (caches, unidades funcionales, banco de registros...) entre las aplicaciones en ejecución en el mismo. Sin embargo, las instrucciones de las distintas aplicaciones compiten entre ellas por el consumo de recursos creando interferencia en tiempo de ejecución. En consecuencia, el tiempo de ejecución de una aplicación varía en función de la aplicación con la que se está ejecutando haciendo, por tanto, que el tiempo de ejecución sea impredecible.

Este Trabajo Fin de Grado propone una política de asignación de aplicaciones a núcleos capaz de mejorar a la planificación que realiza el sistema operativo Linux. La idea de la política es reducir la interferencia entre las parejas en ejecución a fin de maximizar las prestaciones. En otras palabras, se persigue encontrar parejas que ofrezcan una mayor simbiosis. Para encontrar las parejas de aplicaciones que presentan mejor simbiosis se ha empleado de manera novedosa la conocida metodología Top-Down, que permite categorizar las aplicaciones de manera rápida y precisa.

Antes de proceder desarrollo del algoritmo, se ha realizado un detallado estudio de caracterización compuesto por dos partes. En primer lugar, se categorizaron todas las aplicaciones haciendo uso de la metodología Top-Down. A continuación, se realizaron análisis estáticos y dinámicos de mezclas de aplicaciones con el fin de estudiar su comportamiento en compañía. Los resultados de este estudio nos permitieron averiguar qué condiciones cumplen las parejas simbióticas. Estas condiciones se utilizaron en el algoritmo como criterios para identificar dichas parejas en tiempo de ejecución.

El algoritmo se implementó en un ordenador con un procesador Intel Xeon E5-2620 v4. Los resultados muestran que la política de asignación propuesta en este trabajo realizar una distribución mucho más eficiente que la realizada por Linux. El algoritmo propuesto mejora hasta un 25% en la productividad del sistema (STP) con respecto al sistema operativo Linux.

[EN] The majority of processors used in servers in high-performance computing centers are made up of cores with support for simultaneous multi-threaded (SMT) execution. SMT cores are able to achieve the highest performance among existing conventional cores at the expense of a minimum increase of the area. For this reason, most processor manufacturers (Intel, IBM, ARM, AMD, ...) include SMT processors as part of their products. They achieve such a high performance since they share intra-core resources (L1 caches, functional units, physical register files, ...) among the co-running applications. In other words, the instructions of the running applications compete among them for the use of the shared intra-core resources, introducing inter-application interference that impacts on the execution time. Consequently, the execution time of an application varies depending on the co-running application, making this time to become unpredictable.

This Final Degree Project proposes a policy that allocates (couple of) applications to cores. The idea behind this sheduler is to reduce interference between the running pairs of applications in order to maximize performance. In other words, the aim is to find applications that have greatest symbiosis and assing them together to the same physical core. To do so, we have leveraged in an innovative way the well-known Top-Down methodology, which classifies applications in a quick and precise manner.

Prior to the development of the proposed algorithm, a detailed characterization study was carried out that can be considered split in two parts. First, all applications were categorized using the Top-Down methodology. Next, static and dynamic analyses of application mixes were carried out in order to study their behavior in multi-program execution. The results of this study allowed us to establish which conditions the symbiotic couples meet. These criteria were implemented in the algorithm to identify these pairs at runtime.

The proposed algorithm was implemented on a machine with an Intel Xeon E5-2620 v4 processor. Experimental results show that the proposed thread-to-core allocation policy in this work makes a much more efficient distribution than that performed by Linux, improving up to 25% the system throughput (STP) with respect to the Linux operating system.