Leistungsanalyse von Rechnersystemen

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1 Center for Information Services and High Performance Computing (ZIH) Leistungsanalyse von Rechnersystemen 10. Oktober 2007 Zellescher Weg 12 Willers-Bau A113 Tel Matthias S. Mueller Holger Brunst Organization Lecture: Every Wednesday in INF E02 from 13:00 to 14:30 Exercise: Every Thursday from 11:10 to12:40 INF E09 for presentations INF E40 for labs First Exercise: October 18th, guided tour through all new machine rooms at ZIH All slides will be in English Ten minute summary of last lecture at the beginning of each lecture. Also given in English

2 Class Material on the Web Slides will be put on the web prior or shortly after each class ZIH web pages Possibly: Bildungsportal Sachsen Login required but identical to ZIH or INF login Lecture Script Not yet available :-( We would like to provide one Help needed Offer: Student helper Attendance of both classes and exercises LaTeX Effort: hours per week

3 Class Outline 14 lectures with 12 corresponding exercises Class structure Introduction and motivation Performance requirements and common evaluation mistakes Performance metrics and evaluation techniques Workload types, selection, and characterization Commonly used benchmarks Benchmarks specialized on I/O Monitoring techniques Capacity planning for future systems Performance data presentation Comparing system using sample data Regression models Experimental design Performance simulation and prediction Introduction to queuing theory Literature Raj Jain: The Art of Computer Systems Performance Analysis John Wiley & Sons, Inc., 1991 (ISBN: ) Rainer Klar, Peter Dauphin, Fran Hartleb, Richard Hofmann, Bernd Mohr, Andreas Quick, Markus Siegle Messung und Modellierung paralleler und verteilter Rechensysteme B.G. Teubner Verlag, Stuttgart, 1995 (ISBN: ) Dongarra, Gentzsch, Eds.: Computer Benchmarks, Advances in Parallel Computing 8, North Holland, 1993 (ISBN: x)

4 Motivation Zellescher Weg 12 Willers-Bau A113 Tel Matthias S. Mueller Holger Brunst Innovations that changed our daily life steam engine, motor railway, car, airplanes fertilizer telephone computer energy transportation food communication data processing

5 Speed of data processing Human Workstation, PC Supercomputer 10-2 FLOPS 10 8 FLOPS FLOPS Ratio: factor

6

7

8 HPC A key technology? USA defines strategic mission of HPC Software, methods and human beings Main motivation from military applications Integration of know-how in the country Attraction of experts from all over the world Japan: Creator of the Earth-Simulator Petaflop special purpose machine for MD simulations Petaflop project is in preparation EU started an European initiative Accelerated Strategic Computing Initiative (ASCI) Strategic Initiative in the U.S.A. ASCI Red (Sandia): Intel-System with 1TFLOP ASCI Blue (LANL;LLNL): IBM und SGI, 3 TFLOP each ASCI White (LLNL): ASCI Q (LANL): IBM Power 3 (10 TFLOPS) COMPAQ-Rechner (20 TFLOPS) Accelerated Strategic Computing Initiative -> Advanced Simulation and Computing (ASC) Red Storm (Sandia) ASC Purple (LLNL): ASC BlueGene (LLNL): Cray XT3, Opteron (40 TFLOPS) IBM Power 4 (100 TFLOPS) IBM PowerPC (180/360 TFLOPS)

9 What kind of know-how is required for HPC? Algorithms and methods Performance Programming (Paradigms and details of implementations) Operation of supercomputers (network, infrastructure, service, support) Challenges Languages Fortran95, C++, Java Parallelization: MPI, OpenMP Network Ethernet, Infiniband, Myrinet Scheduling Distributed components, job scheduling, process scheduling System architecture Processors, memory hierarchy What is the best programming model for clustered SMPs with a deep memory hierarchy?

10 Software a key technology Software is a key factor for progress in our country Is Germany a location for software development? WWW is everywhere (E-Commerce, Google, EBay, ) Contribution of HPC: Optimizing servers Optimizing access to data bases Optimizing applications Technologies for Parallel Computing Does HPC and Performance matter in real life? We just entered the Multi-Core Era: IBM Power4, SUN T-1 (Niagara), Intel Core2 Duo, AMD Opteron Dual Core Embedded processors in telephones,. More cores in the future: An Intel prediction: technology might support 2010: cores 200 GF 1 TF 2013: cores 500 GF 4 TF 2016: cores 2 TF 20 TF

11 Center of Information Services and HPC A short introduction Zellescher Weg 12 Willers-Bau A113 Tel Matthias S. Mueller Holger Brunst HPC in Germany

12 Center for Information Services and HPC (ZIH) Central Scientific Unit at TU Dresden Merged institution: TUD Computing Center (URZ) and Center for High Performance Computing (ZHR) Competence Center for Parallel Computing and Software Tools Strong commitment to support real users Development of algorithms and methods: Cooperation with users from all departments Structure Management Director: Deputy Directors: Prof. Dr. W. E. Nagel Dr. P. Fischer Dr. M. Müller Unit ZSD Central Systems and Services Dr. S. Maletti Unit IAK Interdiciplinary Application Development and Coordination Dr. M. Müller Unit NK Network and Communication W. Wünsch Unit IMC Innovative Methods of Computing PD Dr. A. Deutsch Unit PSW Programming and Software Tools Dr. H. Mix

13 Responsibilities of ZIH Providing infrastructure and qualified service for TU Dresden and Saxony Research topics Architecture and performance analysis of High Performance Computers Programming methods and techniques for HPC systems Software tools to support programming and optimization Modeling algorithms of biological processes Mathematical models, algorithms, and efficient implementations Role of mediator between vendors, developers, and users Pick up and preparation of new concepts, methods, and techniques Teaching and Education Concept of Installation HPC-Server Main memory : 6 TB PC-Farm 8 GB/s 4 GB/s 4 GB/s HPC-SAN Capacity: 68 TB PC-SAN Capacity: 50 TB HPC-Component SGI Altix of MonteCito Cores 6.5 TByte main memory 1,8 GB/s PetaByte Tape Silo Capacity: 1 PB PC-Farm System from Linux Networx AMD opteron CPUs (dual core, 2.6 GHz) 728 boards with 2592 cores Infiniband networks between the nodes

14 HPC-System: SGI Altix x 42U Racks 1024 x Sockets with Itanium2 Montecito Dual- Core CPUs (1.6 GHz/9MB L3 Cache) 13 TFlop/s peak performance 11.9 TFlop/s linpack 6.5 TB shared memory Linux Networx PC-Farm (Deimos) 26 water cooled racks (Knürr) 1296 AMD Opteron x85 Dual-Core CPUs (2,6 GHz) 728 compute nodes with 2 (384), 4 (232) or 8 (112) cores 2 Master- und 11 Lustre-Server 2 GB memory per core 50 TB SAN disc Local scratch discs (70, 150, 290 GB) 2 4x-Infiniband Fabrics (MPI + I/O) OS: SuSE SLES 10 Batch system: LSF Compiler: Pathscale, PGI, Intel, Gnu ISV-Codes: Ansys100, CFX, Fluent, Gaussian, LS-DYNA, Matlab, MSC

15 Storage Technology DDN discs SGI InfiniteStorage 6700 (DDN S2A9500) 4 GBit/s FC technology HPC-SAN: 68 TB capacity 8 GB/s performance PC-SAN: 68 TB capacity 4 GB/s performance Petabyte Tape Archive SUN STK SL Slots 30 LTO-3 tape drives 2500 LTO-3 tapes 1.8 GB/s performance

16 Realization of the concept HPC-Komponente Hauptspeicher 6,5 TB PC-Farm 8 GB/s 4 GB/s 4 GB/s HPC-SAN Festplattenkapazität: 68 TB PC-SAN Festplattenkapazität: 68 TB 1,8 GB/s PetaByte- Bandarchiv Kapazität: 1 PB Computer Rooms Extension to the Building

17 HRSK-Building Status in March 2006 Configuration of overall system: SAN Overview

18 Beschreibung der Lösung von SGI HPC-SAN Gesamtkapazität: 68 TB durchgängig 4 Gb/s FC 4 x DDN S2A 9500 je 17 TB 584 Festplatten 146 GB CXFS/DMF auf Altix 350 (24 Itanium) TP 9300 (MDS Storage Subsystem) 14 x 73 GB für Metadaten Zugang von PC-Farm: NFS-Server auf 12 x Altix 350 mit je 2 CPUs oder Opteron (für RDMA-Zugriff) Beschreibung der Lösung von SGI HPC-Komponente mehr als 500 dual-core Itanium-2 (Montecito) 1,6 GHz, 18 MB L3 (pro core 9 MB) 12,8 GFlops Peak 4 8 GB RAM (DDR2) S = 6.5 TB verbunden über SGI NumaLink 4 Bandbreite: 3,2 GB/s pro Knoten und Richtung Fat-Tree-Topologie Grafik-Pipes + Grafik-Compositor RASC Blade mit zwei FPGAs (RASClib)

19 Beschreibung der Lösung von SGI PC-Farm mehr als 700 Boards Prozessoren: AMD Opteron Verbindungsnetzwerk: IB X4 Compute-Knoten verbunden über drei Switche (288 ports) Anbindung an HPC-SAN über 12 NFS-Server (CXFS-Clients) Beschreibung der Lösung von SGI PC-SAN Lustre FS 2 x DDN S2A 9500 Kapazität: 50,9 TB 440 Festplatten 146 GB

20 Tape Silo - Details CXFS/DMF-Server on Altix 350 (24 CPUs, 48 GB) Data Migration Facility (Licence for 1 bzw. 2 PB) 2 x FC-Switches (24 ports) StorageTek SL 8500 (SUN) ACSLS-Lizenz for 2500 Slots Performance of Computers at ZIH

21 Some Activities Zellescher Weg 12 Willers-Bau A113 Tel Matthias S. Mueller Holger Brunst Vampir: Technical Components Trace 1 Trace 2 Trace 3 Trace N Tools Worker 1 Worker 2 Worker m Server Master 1. Trace generator 2. Classical Vampir viewer and analyzer 3. Vampir client viewer 4. Parallel server engine 5. Conversion and analysis tools

22 Vampir: Timeline Vampir: Scalability sppm ASCI Benchmark 3D Gas Dynamic Data to be analyzed 16 Processes 200 MByte Volume Number of Workers Load Time 47,33 22,48 10,80 5,43 3,01 3,16 Timeline 0,10 0,09 0,06 0,08 0,09 0,09 Summary Profile 1,59 0,87 0,47 0,30 0,28 0,25 Process Profile 1,32 0,70 0,38 0,26 0,17 0,17 Com. Matrix 0,06 0,07 0,08 0,09 0,09 0,09 Stack Tree 2,57 1,39 0,70 0,44 0,25 0,25

23 Vampir: A Large Test Case IRS ASCI Benchmark Implicit Radiation Solver Data to be analyzed: 64 Processes in 8 Streams Approx Events 40 GByte Data Volume Analysis Platform: Jump.fz-juelich.de 41 IBM p690 nodes 32 processors per node 128 GByte per node Visualization Platform: Remote Laptop BenchIT: Key Components 1 BenchIT measurement core Measurement kernels Exact timer Running kernels with variable problem sizes Generating result files

24 BenchIT: Key Components 2 BenchIT measurement core Command line interface BenchIT: Key Components 3 BenchIT measurement core Command line interface GUI

25 BenchIT: Key Components 4 BenchIT measurement core Command line interface GUI Website Basisdaten-GUI mit eingelesenen rates.pbd bdm_rates_gui.png

26 Verhältnis stride und L2_Hit_Ratio bdm_rates_series-stride_x-stride_y1_runtime_y2-l2_hit_ratio.png Verhältnis stride und L3_Hit_Ratio /bdm_rates_series-stride_x-stride_y1_runtime_y2-l3_hit_ratio.png

27 Rechenleistung und Speichertransfer aller seq. KVs bdm_rates_series-none_x-flops_pt_y1_mem_transfer_pt_y2-none.png Multiprogramming Test_7_0 bdm_rates_series-stride_x-stride_y1_flops_pt_y2-none.png

28 Multiprogramming Test_7_2 bdm_rates_series-stride_x-stride_y1_flops_pt_y2-none.png Multiprogramming Test_7_13 bdm_rates_series-stride_x-stride_y1_flops_pt_y2-none.png

29 Pt2Pt latency between all possible pairs "64-2/result-all2all-latency.log" u 4:5: Pt2Pt bandwidth between all possible pairs "64/result-all2all-bandwidth.log" u 3:4:

30 Thank you! Hope to see you next time Zellescher Weg 12 Willers-Bau A113 Tel Matthias S. Mueller Holger Brunst

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