[論文レビュー] Experiments in Sustainable Software Practices for Future Architectures

Charles Ferenbaugh|arXiv (Cornell University)|Sep 5, 2013

Green IT and Sustainability参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、ロスアラモス国立研究所（LANL）における将来のマルチコアおよびアクセラレータベースアーキテクチャへのレガシーシンタクチャルコードの移植に向けた課題に対処するため、アジャイル開発、ユニットテスト、コードレビュー、アーキテクチャ抽象化などの持続可能なソフトウェア工学手法を提案する。主な貢献は、現代のソフトウェア手法がコードの保守性を向上させ、クロスアーキテクチャ再利用を可能にするとともに、高並列環境における再現不能な結果と数値不安定性を軽減できることを示したことである。

ABSTRACT

In the process of rewriting large physics codes at Los Alamos National Laboratory to perform well on new architectures such as many-core, GPU, and Intel MIC, we have found a number of areas in which sustainable software practices can provide significant advantages. We describe several specific advantages of sustainable practices for future architectures, and report on two small experimental projects at LANL intended to raise awareness of new software practices and programming approaches for new architectures.

研究の動機と目的

• GPU やマルチコアシステムなどの新しいアーキテクチャへのレガシーシンタクチャルコードの保守および移植の難易度の増大に対処すること。
• 物理コードとモノリシックなデータ構造が密結合であることで生じるポータビリティおよびモularityの障壁を克服すること。
• ハイパフォーマンスコンピューティング環境において、現代のソフトウェア工学手法を採用することで技術的負債を削減し、ソフトウェア品質を向上させること。
• 将来のアーキテクチャにおける並列処理とハードウェアのばらつきが引き起こす再現不能な結果と数値不安定性を軽減すること。
• ドメイン科学者とコンピュータサイエンティストを協働的でアジャイルな開発によって統合し、コードの持続可能性とチームの結束を高めること。

提案手法

• チームの協働性と対応性を向上させるために、2週間のイテレーション、毎日のスタンドアップ会議、共同作業を実施したアジャイル開発手法を採用した。
• 再現不能性や数値不安定性を早期に検出するため、コーナーケースに焦点を当てた包括的なユニットテストを実装した。
• デプロイ前におけるコード品質の問題や潜在的なバグを特定するために、静的および動的解析ツールを適用した。
• コードレビューとペアプログラミングを活用して、ドメインチームとソフトウェアエンジニアリングチーム間でのコード品質の向上と知識共有を促進した。
• 多様なアーキテクチャ間でのコード再利用を最大化するために、ソフトウェア抽象化と高度な言語機能（例：テンプレート、関数インライン化）を導入した。
• 物理的論理と低レベルのインfraストラクチャ（例：MPI、メモリ管理）を分離することで、レガシーコードベースを再アーキテクチャ化し、移植の容易さを向上させた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 持続可能なソフトウェア工学手法は、将来のマルチコアおよびアクセラレータベースアーキテクチャにおけるレガシーシンタクチャルコードの保守性とポータビリティをどのように向上させるか？
• RQ2 ユニットテスト、コードレビュー、ペアプログラミングなどの現代的開発手法は、高並列HPC環境における再現不能な結果の低減にどのような役割を果たすか？
• RQ3 テンプレートなどのアーキテクチャ抽象化と言語機能は、パフォーマンスを損なわずに、どの程度クロスアーキテクチャのコード再利用を可能にするか？
• RQ4 レガシーアルゴリズムの数値不安定性は、新しいアーキテクチャにおけるハードウェア由来の非決定的要因とどのように作用し合うか？そして、それらは体系的にどのように是正できるか？
• RQ5 ロスアラモス国立研究所（LANL）のような大規模な科学コンputングセンターにおいて、アジャイルおよび持続可能なソフトウェア手法の導入を阻害する文化的・組織的障壁は何か？

主な発見

• モノリシックなデータ構造や物理的論理とインfraストラクチャとの密結合といった伝統的コード実装は、新しいアーキテクチャへの移植を著しく妨げ、コードの保守性を低下させる。
• 新しいアーキテクチャにおける並列処理に起因する再現不能な結果は、従来のデバッグ手法の不十分さを露呈し、自動テストと静的解析への移行を不可避にした。
• レガシーアルゴリズムはしばしば数値不安定性を示しており、これが新しいハードウェア上での微小な入力変動によって悪化するため、開発プロセスに明示的な安定性解析を組み込む必要があった。
• ペアプログラミングや毎日のスタンドアップ会議といったアジャイル手法は、ドメイン科学者とソフトウェアエンジニア間でのチーム協働と知識移転を向上させた。
• 共同作業スペースの設置と協働のための専用時間の確保は効果的であったが、LANLの割り込み型文化により頻繁に中断され、強いチーム参加意識にもかかわらず生産性が低下した。
• SWIFTプロジェクトの教訓は、継続的なコード近代化作業へと成功裏に移行され、組織的支援とチームの展開が整っている限り、持続可能な手法はスケーラブルであることが示された。