Parallel algorithms and data structures for interactive applications

Abstract

The quest for performance has been a constant through the history of computing systems. It has been more than a decade now since the sequential processing model had shown its first signs of exhaustion to keep performance improvements. Walls to the sequential computation pushed a paradigm shift and established the parallel processing as the standard in modern computing systems. With the widespread adoption of parallel computers, many algorithms and applications have been ported to fit these new architectures. However, in unconventional applications, with interactivity and real-time requirements, achieving efficient parallelizations is still a major challenge. Real-time performance requirement shows up, for instance, in user-interactive simulations where the system must be able to react to the user’s input within a computation time-step of the simulation loop. The same kind of constraint appears in streaming data monitoring applications. For instance, when an external source of data, such as traffic sensors or social media posts, provides a continuous flow of information to be consumed by an online analysis system. The consumer system has to keep a controlled memory budget and deliver a fast processed information about the stream Common optimizations relying on pre-computed models or static index of data are not possible in these highly dynamic scenarios. The dynamic nature of the data brings up several performance issues originated from the problem decomposition for parallel processing and from the data locality maintenance for efficient cache utilization. In this thesis we address data-dependent problems on two different applications: one on physically based simulations and another on streaming data analysis. To deal with the simulation problem, we present a parallel GPU algorithm for computing multiple shortest paths and Voronoi diagrams on a grid-like graph. Our contribution to the streaming data analysis problem is a parallelizable data structure, based on packed memory arrays, for indexing dynamic geo-located data while keeping good memory locality.

A busca por desempenho tem sido uma constante na história dos sistemas computacionais. Ha mais de uma década, o modelo de processamento sequencial já mostrava seus primeiro sinais de exaustão pare suprir a crescente exigência por performance. Houveram "barreiras"para a computação sequencial que levaram a uma mudança de paradigma e estabeleceram o processamento paralelo como padrão nos sistemas computacionais modernos. Com a adoção generalizada de computadores paralelos, novos algoritmos foram desenvolvidos e aplicações reprojetadas para se adequar às características dessas novas arquiteturas. No entanto, em aplicações menos convencionais, com características de interatividade e tempo real, alcançar paralelizações eficientes ainda representa um grande desafio. O requisito por desempenho de tempo real apresenta-se, por exemplo, em simulações interativas onde o sistema deve ser capaz de reagir às entradas do usuário dentro do tempo de uma iteração da simulação. O mesmo tipo de exigência aparece em aplicações de monitoramento de fluxos contínuos de dados (streams). Por exemplo, quando dados provenientes de sensores de tráfego ou postagens em redes sociais são produzidos em fluxo contínuo, o sistema de análise on-line deve ser capaz de processar essas informações em tempo real e ao mesmo tempo manter um consumo de memória controlada A natureza dinâmica desses dados traz diversos problemas de performance, tais como a decomposição do problema para processamento em paralelo e a manutenção da localidade de dados para uma utilização eficiente da memória cache. As estratégias de otimização tradicionais, que dependem de modelos pré-computados ou de índices estáticos sobre os dados, não atendem às exigências de performance necessárias nesses cenários. Nesta tese, abordamos os problemas dependentes de dados em dois contextos diferentes: um na área de simulações baseada em física e outro em análise de dados em fluxo contínuo. Para o problema de simulação, apresentamos um algoritmo paralelo, em GPU, para computar múltiplos caminhos mínimos e diagramas de Voronoi em um grafo com topologia de grade. Para o problema de análise de fluxos de dados, apresentamos uma estrutura de dados paralelizável, baseada em Packed Memory Arrays, para indexar dados dinâmicos geo-localizados ao passo que mantém uma boa localidade de memória.

La quête de performance a été une constante à travers l’histoire des systèmes informatiques. Il y a plus d’une décennie maintenant, le modèle de traitement séquentiel montrait ses premiers signes d’épuisement pour satisfaire les exigences de performance. Les barrières du calcul séquentiel ont poussé à un changement de paradigme et ont établi le traitement parallèle comme standard dans les systèmes informatiques modernes. Avec l’adoption généralisée d’ordinateurs parallèles, de nombreux algorithmes et applications ont été développés pour s’adapter à ces nouvelles architectures. Cependant, dans des applications non conventionnelles, avec des exigences d’interactivité et de temps réel, la parallélisation efficace est encore un défi majeur. L’exigence de performance en temps réel apparaît, par exemple, dans les simulations interactives où le système doit prendre en compte l’entrée de l’utilisateur dans une itération de calcul de la boucle de simulation. Le même type de contrainte apparaît dans les applications d’analyse de données en continu. Par exemple, lorsque des donnes issues de capteurs de trafic ou de messages de réseaux sociaux sont produites en flux continu, le système d’analyse doit être capable de traiter ces données à la volée rapidement sur ce flux tout en conservant un budget de mémoire contrôlé La caractéristique dynamique des données soulève plusieurs problèmes de performance tel que la décomposition du problème pour le traitement en parallèle et la maintenance de la localité mémoire pour une utilisation efficace du cache. Les optimisations classiques qui reposent sur des modèles pré-calculés ou sur l’indexation statique des données ne conduisent pas aux performances souhaitées. Dans cette thèse, nous abordons les problèmes dépendants de données sur deux applications différentes : la première dans le domaine de la simulation physique interactive et la seconde sur l’analyse des données en continu. Pour le problème de simulation, nous présentons un algorithme GPU parallèle pour calculer les multiples plus courts chemins et des diagrammes de Voronoi sur un graphe en forme de grille. Pour le problème d’analyse de données en continu, nous présentons une structure de données parallélisable, basée sur des Packed Memory Arrays, pour indexer des données dynamiques géo-référencées tout en conservant une bonne localité de mémoire.