基于有限差分的心电模型模拟在CPU与多MIC协处理器平台的并行与优化

发布时间：2019-09-20 05:02

【摘要】：心脏疾病是人类三大疾病之一。在生物医学领域,通过对心肌细胞的生理行为进行数学建模,并在计算机上模拟,可以模拟各种心脏疾病。心电模型模拟对一些复杂假说进行验证,预测,指导实验研究,对研究心脏电生理学,心率不齐,药物作用,以及心脏疾病的预防和治疗具有非常重要的作用。然而,必须有足够的模拟精度才能有效的模拟心肌行为问题。高时空精度的计算需要巨大的计算量,因此,需要高性能计算机才能满足其计算需求。当前越来越多的高性能计算平台使用MIC协处理器来实现计算加速。如排名世界第一的天河2号超级计算机的每个计算节点就装配有3个MIC协处理器。基于协处理器进行计算已经成为大规模科学计算应用获得高性能的重要方式。目前,还没有基于MIC协处理器平台的心电模型模拟应用研究与实现,也没有针对单节点内多协处理器之间的高效编程与通信模式的研究。本课题针对单节点多核CPU+多MIC的混合平台,对心电模型模拟应用进行了研究和实现,重点针对单节点内多协处理器结构的高效编程与通信模式进行研究。主要研究内容如下:一、选取了一个简单的基于有限差分求解的心脏模型模拟应用,探索实现了在通用多核CPU平台上和单MIC平台上的并行编程与优化技术。本应用的模拟计算包括求解偏微分方程(PDE)和常微分方程(ODE)两个部分,其中,PDE部分主要是一个三维7点模板计算,ODE部分则选取一个简单的4变量前向欧拉有限差分法计算。我们采取了OpenMP多线程,手动向量化,访问对齐,数值算法优化等技术进行并行编程与优化,并初步探讨了采用卸载(offload)编程模式在CPU与单协处理器平台上的实现与优化。这些并行手段为我们接下来在多MIC协处理器平台的编程与优化提供了并行基础。二、在前面简单模型计算的研究基础上,选取了一个更接近现实世界的以扩散-反应方程为核心的数学模型。基于天河2号单节点内有3个MIC协处理器的平台,本课题中我们首次设计实现了两种不同的卸载(offload)方式,基于pragma的卸载模式和基于系统级接口(COI和SCIF)的卸载模式,并分别实现了这两种不同卸载模式针对心脏细胞模型的并行与优化,包括任务分块、传输隐藏、直接传输等。三、通过充分的实验,详细分析比较了两种不同卸载模式的编程与性能差异。第一种方式的编程实现更简单,而第二种方式有三个明显的优势:(1)关于offload代码段的启动开销更小,(2)数据传输带宽更高,(3)在计算和数据传输之间的同步更为优化。第二种方式的使用了更为底层接口函数,为传输提供了更为精确的控制,从而达到了更好数据传输性能。本课题研究为心脏细胞模拟应用在基于MIC平台上的研究和实现提供了初始参考,特别是研究了单节点多MIC平台上如何高效地实现数据通信,其经验还可以为其他应用移植到本类平台提供借鉴意义。
【学位授予单位】：国防科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：R541;TP332
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本文编号：2538561