Design ¡and ¡Implementa/on ¡of ¡Key ¡Proposed ¡MPI-‑3 ¡ One-‑Sided ¡Communica/on ¡Seman/cs ¡on ¡InfiniBand ¡ Sreeram ¡Potluri , ¡Sayantan ¡Sur, ¡Devendar ¡Bureddy ¡ ¡ and ¡Dhabaleswar ¡K. ¡Panda ¡ ¡ Network-‑Based ¡Compu2ng ¡Laboratory ¡ Department ¡of ¡Computer ¡Science ¡and ¡Engineering ¡ The ¡Ohio ¡State ¡University, ¡USA ¡ ¡ EuroMPI ¡2011 ¡
Introduction • Reduced synchronization overheads, simultaneous use of powerful system resources - key on modern clusters • Better support through one-sided communication in MPI-2 • Optimized implementation in MVAPICH2 • Limitations in semantics – hindered its wider acceptance • RMA working group proposed several extensions as part of the MPI-3 effort • Efficient implementation is crucial – to highlight their performance benefits, encourage their wide-spread use • Can the new semantics be implemented with high performance in MVAPICH2? 2 EuroMPI 2011
Overview MPI-3 One Sided Communication Synchronization Communication Window Creation • Get_accumulate • Lock_all, Unlock_all • Win_allocate • Rput, Rget, • Win_flush, • Win_create_dynamic, Win_flush_local, Raccumulate, Win_attach, Rget_accumulate Win_flush_all, Win_detach Win_flush_local_all • Fetch_and_op, • Win_sync Compare_and_swap Separate and Unified Undefined Conflicting Accumulate Ordering Windows Accesses 3 EuroMPI ¡2011 ¡
Flush Operations • Local and remote completions bundled in MPI-2 one- sided communication model • Handled using synchronization operations, requires closure of an epoch • Overhead in scenarios that require only local completions • Considerable overhead on networks like IB - semantics and cost of local and remote completions are different • RDMA Reads and Atomic Ops: CQ event means both local and remote completions • RDMA Writes: CQ event only means local completion. Remote completion requires a follow up Send/Recv exchange or an atomic operation. • Flush operations allow for more efficient check for completions 4 EuroMPI ¡2011 ¡
Flush Operations Put+Unlock% Put+Flush_local% Put+Flush% Get+Unlock% Get+Flush_local% Get+Flush% 10" sec)% 10 ¡ 10 ¡ 8 ¡ 8 ¡ Time ¡(usec) ¡ Time ¡(usec) ¡ 6 ¡ 6 ¡ 4 ¡ 4 ¡ 2 ¡ 2 ¡ 0 ¡ 0 ¡ 1 ¡ 2 ¡ 16 ¡ 32 ¡ 128 ¡ 256 ¡ 512 ¡ 1K ¡ 2K ¡ 4K ¡ 4 ¡ 8 ¡ 64 ¡ 1 ¡ 4 ¡ 16 ¡ 64 ¡ 256 ¡ 1K ¡ 4K ¡ Message ¡Size ¡(Bytes) ¡ Message ¡Size ¡(Bytes) ¡ • Local completion of Put is efficient using flush • Completion does not require closure of the epoch 8-core Intel Westmere Nodes connected with InfiniBand QDR IB 5 EuroMPI ¡2011 ¡
Request Based Operations • Current semantics provide bulk synchronization • Lack of a way to request completion of individual operations, without closing an epoch • Does not serve well for fine grained computation and communication overlap • Request based operations (MPI_Rput, MPI_Rget, and others) return an MPI Request, can be polled for completion • Added GCP(Get-Compute-Put) Benchmarks in the OSU suite to highlight their benefits 6 EuroMPI ¡2011 ¡
Request Based Operations GCP ¡Benchmark ¡ MPI_Win_lock ¡ MPI_Win_lock ¡ MPI_Win_lock ¡ for ¡i ¡in ¡1, ¡N ¡ for ¡i ¡in ¡1, ¡N ¡ for ¡i ¡in ¡1, ¡N ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ MPI_Get ¡(i th ¡ Block) ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ MPI_Get ¡(i th ¡ Block) ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ MPI_Rget ¡(i th ¡ Block) ¡ end ¡for ¡ end ¡for ¡ end ¡for ¡ MPI_Win_unlock ¡ MPI_Win_unlock ¡ ¡ ¡ ¡ MPI_Wait_any ¡(get ¡requests) ¡ Compute ¡(N ¡Blocks) ¡ while ¡a ¡get ¡request ¡j ¡completes ¡ MPI_Win_lock ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Compute ¡(j th ¡Block) ¡ for ¡i ¡in ¡1, ¡N ¡ MPI_Win_lock ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ MPI_Rput ¡(j th ¡ Block) ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ Compute ¡(i th ¡Block) ¡ for ¡i ¡in ¡1, ¡N ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ MPI_Wait_any ¡ (get ¡requests) ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ MPI_Put ¡(i th ¡ Block) ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ MPI_Put ¡(i th ¡ Block) ¡ end ¡while ¡ end ¡for ¡ end ¡for ¡ MPI_Wait_all ¡(put ¡requests) ¡ MPI_Win_unlock ¡ MPI_Win_unlock ¡ MPI_Win_unlock ¡ ¡ ¡ Overlap ¡using ¡Request ¡Ops ¡ No ¡Overlap ¡ Overlap ¡using ¡Lock-‑Unlock ¡ 7 ¡ EuroMPI ¡2011 ¡
Request Based Operations Lock6Unlock% Request%Ops% 100 ¡ Percentage ¡Overlap ¡ 80 ¡ 60 ¡ 40 ¡ 20 ¡ 0 ¡ 2K ¡ 8K ¡ 32K ¡ 128K ¡ 512K ¡ 2M ¡ Message ¡Size ¡(Bytes) ¡ • Request based operations provide superior overlap 8-core Intel Westmere Nodes connected with InfiniBand QDR IB 8 EuroMPI ¡2011 ¡
Dynamic Windows • Creation of a window is collective on communicator • A process can attach or detach memory to the window dynamically • User has to manage exchange and correct use of address information • MPI Implementations on IB have to manage dynamic exchange of key information to use RDMA • MVAPICH2 uses a pull model – request-for-info sent when the first operation is issued on a region, information is cached • Request is piggy-backed onto the first data packet for small and medium message sizes 9 EuroMPI ¡2011 ¡
Dynamic Windows Sta3c%Window% Dynamic%Window% OSU Put Bandwidth OSU Put Latency 8 ¡ 4000 ¡ Bandwidth ¡(MBps) ¡ 6 ¡ 3000 ¡ Time ¡(usec) ¡ 4 ¡ 2000 ¡ 2 ¡ 1000 ¡ 0 ¡ 0 ¡ 0 ¡ 2 ¡ 8 ¡ 32 ¡ 128 ¡ 512 ¡ 2K ¡ 1 ¡ 16 ¡ 256 ¡ 4K ¡ 64K ¡ 1M ¡ Message ¡Size ¡(Bytes) ¡ Message ¡Size ¡(Bytes) ¡ • Dynamic windows can provide performance similar to static windows • Key exchange overhead is amortized 8-core Intel Westmere Nodes connected with InfiniBand QDR IB 10 EuroMPI ¡2011 ¡
Conclusion and Future Work • First implementation of features from the proposed one- sided communication semantics for MPI-3 • Highlighted their benefits • Working towards a complete implementation of the proposed MPI-3 one-sided communication standard • Modifying application benchmarks to show how real- world applications can benefit from the proposed extensions 11 EuroMPI ¡2011 ¡
¡Thank ¡You! ¡ {potluri, ¡surs, ¡bureddy, ¡panda}@cse.ohio-‑state.edu ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ Network-‑Based ¡Compu/ng ¡Laboratory ¡ h]p://nowlab.cse.ohio-‑state.edu/ ¡ MVAPICH ¡Web ¡Page ¡ h]p://mvapich.cse.ohio-‑state.edu/ � 12 ¡
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