MIC-CPU对等模式下程序优化研究

发布时间：2017-09-02 20:26

  本文关键词：MIC-CPU对等模式下程序优化研究

  更多相关文章： 对等模式 通信测试 负载平衡 进程重排

【摘要】：近年来,超级计算机不断发展,已成为信息时代下各国科技实力的一个重要体现。然而受限于晶体管物理极限以及当前制造工艺水平的限制,CPU的性能发展已经减缓且逐渐无法满足人们的追求。这种情况下,要达到更强的计算性能,一个可行的方法是不断的增加计算集群的规模。然而,计算规模的增大必然导致整个系统功耗的线性增长。因此从2007年开始,人们开始使用GPGPU进行高密度的浮点计算,协助CPU进行高速运算,这种由不同类型运算部件构成的系统也称之为异构计算系统。INTEL作为最强的处理器提供厂商,在2012年发布了先进的众核加速器MIC,迄今为止已经得到了较为广泛的应用。MIC与CPU采用同样的x86指令集,MIC内部运行一个我们称之为μOS的精简的Linux系统。因此MIC与CPU的编程模式十分相似,MIC计算核心可以作为独立的计算节点参与计算,与CPU在逻辑上地位相对等。这种MIC应用模式我们称之为对等模式,对等模式下运行在CPU和MIC核心上的进程之间通过消息传递接口(Message-Passing Interface,MPI)进行消息传递。与运行在传统只由CPU构成的计算系统上的MPI程序类似,MPI通信也会造成不小的程序运行开销。本文以MIC-CPU对等模式为研究对象,考察程序在对等模式下执行时的通信开销,并进行与其相关的优化研究。主要取得了以下成果:1.对等模式下,运算部件包括CPU和MIC,MIC通过PCI-e接口连接到CPU构成计算节点,集群中各个计算节点通过高速网络进行互连。而两个相互通信的进程间可能在整个集群中的任何两个运算部件上,通信时通路的不同带来通信的复杂性。本文对MIC-CPU对等模式通信与应用的性能展开测试与分析,包括节点内和节点间CPU+MIC及MIC+MIC等不同组合时运算部件间的通信性能。并测试了对等模式下通信性能对Linpack和NPB执行性能的影响;2.对等模式下程序的实质是MPI程序,而针对MPI程序的优化策略包括本地优化和全局优化。本文首先针对mini MD程序进行MIC本地优化,包括SIMD优化和线程扩展优化。然后根据MIC和CPU的运算能力进行负载平衡,使得在对等模式下运行时不会由于负载不均衡导致性能损失;3.根据对等模式下不同计算单元间通信性能的差异和不同进程间通信需求的差异,研究进程重排(进程和计算单元的映射)对程序性能的影响,寻找最优进程分配方案,以期获得更好的性能。具体来说,本文将进程与计算单元间的映射关系抽象为二次分配问题(QAP),采用蚁群遗传算法进行优化排布;
【关键词】：对等模式 通信测试 负载平衡 进程重排
【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】：2014
【分类号】：TP332
【目录】：

• 摘要9-11
• ABSTRACT11-14
• 第一章 绪论14-22
• 1.1 课题背景14-18
• 1.2 研究现状18-20
• 1.2.1 MIC应用现状18-19
• 1.2.2 对等模式相关优化概述19-20
• 1.3 本文研究内容和创新20
• 1.4 论文结构20-22
• 第二章 背景知识22-36
• 2.1 MIC系统结构特点和编程模型22-29
• 2.1.1 MIC系统结构特点22-25
• 2.1.2 MIC通用编程模型25-29
• 2.2 MIC优化方法概述29-35
• 2.2.1 并行度优化31
• 2.2.2 内存管理优化31
• 2.2.3 数据传输优化31-32
• 2.2.4 存储器访问优化32-33
• 2.2.5 向量化优化33-34
• 2.2.6 负载均衡优化34
• 2.2.7 线程扩展性优化34-35
• 2.3 对等模式下全局优化策略35-36
• 第三章 对等模式平台搭建与通信测试36-48
• 3.1 平台搭建36-39
• 3.1.1 硬件环境搭建36-37
• 3.1.2 软件环境搭建37-39
• 3.2 对等模式下通信性能测试39-48
• 3.2.1 测试方法39-40
• 3.2.2 测试结果40-48
• 第四章 MIC本地优化及负载平衡48-56
• 4.1 miniMD算法分析48-49
• 4.2 miniMD本地向量化49-53
• 4.2.1 短程势能向量化优化50-52
• 4.2.2 邻居列表更新向量化优化52-53
• 4.3 miniMD线程扩展与负载均衡优化53-56
• 第五章 进程重排程序优化56-67
• 5.1 问题建模56-58
• 5.2 蚁群算法58-60
• 5.3 实现过程及结果60-67
• 5.3.1 工具程序60-62
• 5.3.2 测试过程及结果62-67
• 第六章 总结与展望67-69
• 6.1 工作总结67
• 6.2 展望67-69
• 致谢69-70
• 参考文献70-74
• 作者在学期间取得的学术成果74-75
• 附录A 对等模式下通信性能测试详细数据75-78

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