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Título: A model-based framework for autonomous and self-adaptive benchmarking in HPC systems
Título(s) alternativo(s): Um framework baseado em modelo para o benchmarking autônomo e auto-adaptativo em sistemas HPC
Autor(es): Rista, Luís Cassiano Goularte
Orientador(es): Fonseca, Mauro Sergio Pereira
Palavras-chave: Processamento paralelo (Computadores)
Petri, Redes de
Computação de alto desempenho
Desempenho - Avaliação
Benchmarking (Administração)
Organização matricial
Parallel processing (Electronic computer)
Petri nets
High performance computing
Performance - Evaluation
Benchmarking (Management)
Matrix organization
Data do documento: 17-Nov-2025
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Curitiba
Citação: RISTA, Luis Cassiano Goularte. A model-based framework for autonomous and self-adaptive benchmarking in HPC systems. 2026. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica e Informática Industrial) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2025.
Resumo: Os benchmarks de Computação de Alto Desempenho (HPC) são essenciais para avaliar a eficiência de aplicações científicas em diferentes arquiteturas. No entanto, benchmarks tradicionais como o High-Performance Linpack (HPL) exigem extensa configuração e ajuste manual, tornando o processo demorado, propenso a erros e difícil de reproduzir. Esta tese de doutorado introduz o HPL Auto-Adaptativo (SA-HPL), um benchmark de nova geração que incorpora mecanismos de auto-adaptação baseados em princípios de computação autonômica. O SAHPL é construído em três pilares principais: (i) o desenvolvimento de módulos auto-adaptativos que eliminam a necessidade de ajuste manual, (ii) sua implementação em sistemas multinú- cleo com suporte para várias políticas de escalonamento dinâmico, e (iii) uma extensão para ambientes distribuídos através de uma arquitetura híbrida MPI+OpenMP, que aumenta a portabilidade e a autonomia do benchmark. Além disso, o SA-HPL é integrado a um modelo preditivo baseado em Redes de Petri Estocásticas Generalizadas (GSPN), que permite uma estimativa interpretável da taxa de transferência (throughput) e da eficiência. Essa integração acelera a exploração de alternativas de configuração sem a necessidade de execuções exaustivas. Experimentos extensivos em ambientes multinúcleo e clusters distribuídos com até 32 núcleos confirmam a precisão e a escalabilidade da abordagem, alcançando um Erro Percentual Absoluto Médio (MAPE) tão baixo quanto 0,12% para a taxa de transferência e 0,03% para a eficiência. Ao consolidar ajuste autônomo, simulação preditiva e paralelismo híbrido, esta tese de doutorado estabelece o SA-HPL como um benchmark portável e independente de arquitetura. Isso contribui para metodologias de benchmarking adaptativas que podem suportar avaliações de desempenho e planejamento de sistemas mais eficientes em ambientes HPC atuais e futuros.
Abstract: High-Performance Computing (HPC) benchmarks are essential for evaluating the efficiency ofscientific applications across different architectures. However, traditional benchmarks like the High-Performance Linpack (HPL) require extensive manual configuration and tuning, making the process time-consuming, error-prone, and difficult to reproduce. This PhD thesis introduces the Self-Adaptive HPL (SA-HPL), a novel-generation benchmark that incorporates self-adaptation mechanisms based on principles of autonomic computing. The SA-HPL is built on three main pillars: (i) the development of self-adaptive modules that eliminate the need for manual tuning, (ii) its implementation on multicore systems with support for various dynamic scheduling policies, and (iii) an extension to distributed environments via a hybrid MPI+OpenMP architecture, which enhances the benchmark’s portability and autonomy. In addition, the SA-HPL is integrated with a predictive model based on Generalized Stochastic Petri Nets (GSPN), which allows for interpretable estimation of throughput and efficiency. This integration accelerates the exploration of configuration alternatives without the need for exhaustive execution runs. Extensive experiments on multicore environments and distributed clusters with up to 32 cores confirm the approach’s precision and scalability, achieving a Mean Absolute Percentage Error (MAPE) as low as 0.12% for throughput and 0.03% for efficiency. By consolidating autonomous tuning, predictive simulation, and hybrid parallelism, this PhD thesis establishes the SA-HPL as a portable and architecture-independent benchmark. This contributes to adaptive benchmarking methodologies that can support more efficient performance evaluations and system planning in current and future HPC environments.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/39200
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