检索结果-内蒙古大学图书馆

作者：莫铁强湖南大学

学位级别：博士

伴随能在GPU上高效执行的应用类型的不断增加,原来作为专业化的图形加速器变得越来越通用化。作为科学计算的一种形式模板计算应用也可移植到GPU中并能充分利用其不同类型的存储器资源获得显著的加速。模板计算利用循环空间某被计算点... 详细信息

伴随能在GPU上高效执行的应用类型的不断增加,原来作为专业化的图形加速器变得越来越通用化。作为科学计算的一种形式模板计算应用也可移植到GPU中并能充分利用其不同类型的存储器资源获得显著的加速。模板计算利用循环空间某被计算点的邻域不断更新该点的值,同时最外层循环通常与物理时间相关,在每个计算的物理时间点,内环高维数组定义为邻域高维数组的函数。目前不同类型的模板广泛用于计算电磁学、偏微分求解以及CT或MRI成像中,甚至大量地用来对湍流、地震波传播等进行物理仿真的加速。从事这些应用研究的专家无法详尽地运用GPU的体系结构特征对代码进行性能的优化,因此为了取得更高层次的底层性能优化和更好的可移植性,研究和设计基于GPU模板计算的特定域语言和不断优化模板计算代码有重要意义。本文将针对面向大规模计算的GPU系统中如何设计能产生高效的模板代码的特定域语言以及存储带宽的优化面临的各种挑战,研究相应的代码生成模板规范、算法和基于体系结构特征的优化,并实现相关的编译器流程和模板代码的优化。本文的贡献主要包括以下方面:(1)模板规范和模板编译流程。采用抽象语法规则定义的模板规范为特定体系结构的自动代码产生提供了基础,手写的模板规范或模板编译器从高级语言编写的模板程序中抽取的规范作为模板编译流程的输入而产生新的中间表示,该中间表示用抽象的语法树结构来呈现模板程序的所有域及其对应的模板函数,每个域中定义了其数据类型和其可读或写的语义,对于多个模板函数遵循顺序执行的语义。(2)自动生成带重叠ghost zone的CUDA或Open CL代码。用循环分块本地线程的冗余计算代替不同循环分块在模板计算时的通信,既充分发挥了GPU强大的计算能力也大量地降低了线程簇warps或threads group之间的通信开销。产生代码时利用主机代码生成算法和GPU代码生成算法产生主机代码和相邻循环分块边缘彼此重叠的GPU代码。为了使产生的代码能高效执行,在代码产生过程中需要执行线程块大小确定算法和共享存储器的分配算法。(3)消除了在加载循环分块边缘重叠区的条件语句带来的控制流分歧。通常GPU以32(Nvidia)或64(AMD)个线程构成的线程簇warps或threads group同时执行,然而如果代码中存在条件语句,这些线程因存在控制流分歧而不能同步执行,这样带来大量的线程不同步开销。通过设计新的模板数据载入共享存储器的算法,上述的控制流分歧可以完全消除。(4)采用不同的策略优化了模板计算所大量需要的存储器带宽资源。GPU的全局存储器访问采用对齐的32个字节合并的方式访问降低了带宽需求;线程的执行同时利用共享存储器空间和寄存器,适当加载模板格点数据和中间临时数据到寄存器,有利于启动更多的线程执行,增大了线程执行的并行粒度;本文设计的软件预取机制在模板计算的前后迭代循环更新模板点值时需要相邻模板XY-平面的数据,当前迭代循环加载的数据被紧接着的迭代循环作为计算模板点更新值的输入,在GPU的warp调度或threads group调度的基础之上进一步重叠了算术操作与存储器访问的延迟。

关键词：模板计算循环分块分块重叠区控制流分歧共享存储器合并的存储器访问模板规范

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基于CPU与GPU的异构模板计算优化研究

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计算机工程 2023年第4期49卷 131-137页

作者：李博黄东强贾金芳吴利王晓英黄建强青海大学计算机技术与应用系西宁810016 清华大学计算机科学与技术系北京100084

模板计算是一类使用固定模板的算法,被广泛应用于图像处理、计算流体动力学模拟等领域,现有的模板计算存在计算并行度弱、缓存命中率低、无法充分利用计算资源等问题。在消息传递接口(MPI)计算模型和跨平台多线程(OpenMP)计算模型的基... 详细信息

模板计算是一类使用固定模板的算法,被广泛应用于图像处理、计算流体动力学模拟等领域,现有的模板计算存在计算并行度弱、缓存命中率低、无法充分利用计算资源等问题。在消息传递接口(MPI)计算模型和跨平台多线程(OpenMP)计算模型的基础上提出MPI+OpenMP、统一计算设备架构(CUDA)+OpenMP两种混合计算模型。相较于常规的MPI计算模型,MPI+OpenMP计算模型通过使用MPI进行多节点之间的粗粒度通信,使用OpenMP实现进程内部的细粒度并行计算,并结合单指令多数据、非一致内存访问、数据预取、数据分块等技术,提高模板计算过程中的缓存命中率与计算并行能力,加快计算速度。在只采用CUDA进行模板计算时,CPU的计算资源没有得到充分利用,浪费了大量计算资源,CUDA+OpenMP计算模型通过对计算任务的负载划分让CPU也参与到计算中,以减少通信开销及充分利用CPU的多核并行计算能力。实验结果表明,OpenMP+MPI计算模型相较于MPI计算模型的平均加速比为3.67,CUDA+OpenMP计算模型相较于CUDA计算模型的平均加速比为1.26,OpenMP+MPI和CUDA+OpenMP两种计算模型的性能均得到了显著提升。

关键词：模板计算消息传递接口跨平台多线程单指令多数据非一致内存访问统一计算设备架构

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模板计算并行优化方法

模板计算并行优化方法

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作者：苏巨亮华东师范大学

学位级别：硕士

模板计算是当前科学与工程应用场景中最重要的计算内核之一,也是高性能计算中的主要计算模式。采用模板计算的应用一般计算复杂,计算量较大,需要在超级计算机上加速计算。但模板计算是高度耦合的,其计算和访存开销随着模板计算数据处理... 详细信息

模板计算是当前科学与工程应用场景中最重要的计算内核之一,也是高性能计算中的主要计算模式。采用模板计算的应用一般计算复杂,计算量较大,需要在超级计算机上加速计算。但模板计算是高度耦合的,其计算和访存开销随着模板计算数据处理规模的不断扩大而快速增长。新一代神威超级计算机作为国产神威太湖之光的继任者,采用了新一代国产申威异构众核处理器,具有超高的计算能力,可以为大规模模板计算提供强大的计算资源。在新一代神威超级计算机上,开展对程序性能有关键影响的模板计算核心的并行优化方法研究,具有重要理论和现实意义。然而,新一代神威超算的主存访问带宽有限,从核局部存储空间较小,并且具有多级存储架构,因此在该平台上对模板计算实施并行和优化具有挑战性。针对上述问题,本文对模板计算在神威平台上的并行优化技术展开研究,主要工作和研究成果包括:(1)一种基于新一代国产申威处理器的模板计算主从核多级并行框架:根据新一代申威处理器的硬件特性和模板计算的软件特点,在进程层次设计了通用高效的进程分块与通信方法和粒度可调的进程线程异步并行方法,在线程层次设计了适应局存大小的线程分块、空间时间精简的线程数据读写和基于RMA的二维数据双向共享方法。框架实现了模板计算程序在神威平台上的多节点运行,使得硬件资源得到了良好分配,取得了良好的计算加速效果和硬件扩展性能。(2)一种基于新一代国产申威处理器的平均/差分模板计算并行优化方法:根据平均/差分模板计算的程序特点,针对二维输入数据设计了基于SIMD的二维数据重用方法提高数据复用,针对三维输入数据设计了基于RMA的三维数据单向共享方法减少冗余数据访问,还设计了局存大小感知的DMA策略优化从核访存。此外,将算子表达式通过表达式树的方式生成融合计算代码,并设计了数据读取的筛查与简化方法和二维/三维数据兼容的模板计算并行方法,实现高效的并行代码生成。(3)一种基于新一代国产申威处理器RMA通信的数据双向/单向共享方法:对从核阵列设计了采用周期划分的方式分配二维/三维计算数据,将计算依赖数据存储于相邻从核内,进一步设计采用更为高效的从核RMA方式部分代替DMA方式进行数据通信,避免主从核间的冗余通信开销,有效缓解了内存带宽的性能瓶颈问题。该方法在原有优化的基础上进一步提升了程序性能。面向新一代国产申威处理器,本文研究了普适的三维模板计算的并行优化方法、领域专用的平均/差分模板计算的并行优化方法和基于RMA的数据双向/单向共享方法。针对三维模板计算,本文实验测试了3D7P、3D27P模板计算经过优化后,在新一代神威超算的16个核组上,最高分别可以达到698.12倍和3091.85倍加速。同时,强扩展性实验结果表明该并行框架可以较好地扩展到数十万核。针对平均/差分模板计算,本文实验测试了经过优化后,在新一代神威超算的单核组上,单个平均/差分模板计算算子最高可以达到33.67倍的加速。进一步实验多个平均/差分模板计算算子融合的性能可以加速39.11倍。

关键词：模板计算算子并行优化新一代神威超级计算机

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面向ARM64架构多核微处理器的模板计算性能优化研究

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计算机工程与科学 2017年第5期39卷 829-833页

作者：冯璐霞李春江黄亚斌国防科学技术大学计算机学院湖南长沙410073

模板计算是一类重要的计算核心,广泛存在于图像和视频处理以及大规模科学和工程计算领域。但是,针对ARM64高性能处理器的模板计算性能的优化研究还很少。为了实现典型模板计算核心在ARM64架构多核微处理器上的并行化和性能优化,基于AMCC... 详细信息

模板计算是一类重要的计算核心,广泛存在于图像和视频处理以及大规模科学和工程计算领域。但是,针对ARM64高性能处理器的模板计算性能的优化研究还很少。为了实现典型模板计算核心在ARM64架构多核微处理器上的并行化和性能优化,基于AMCC X-GENE2和飞腾FT-1500A多核微处理器特点,提出了基于两维度绑定的优化方法,该方法通过线程与CPU绑定以及线程与数据块绑定,减少了线程调度的并行开销,增加了Cache的命中率。实验结果表明,该方法提升了模板计算在ARM64架构多核微处理器上的性能,且在两种ARM64架构多核微处理器平台上都表现出较好的可扩展性。

关键词：模板计算 ARM64 AMCC X-GENE2 FT-1500A 并行化线程绑定

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面向SMP的模板计算访存优化研究

面向SMP的模板计算访存优化研究

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作者：董钰山国防科学技术大学

学位级别：硕士

共享存储多核多级Cache结构已成为高性能计算领域通用的处理器架构。虽然多级Cache结构能够有效缓解“存储墙”,但在科学计算程序中,访存指令占有较大比重,访存效率仍然很低,而且多核并行对访存带宽有更高的需求。因此,减少访存次数和... 详细信息

共享存储多核多级Cache结构已成为高性能计算领域通用的处理器架构。虽然多级Cache结构能够有效缓解“存储墙”,但在科学计算程序中,访存指令占有较大比重,访存效率仍然很低,而且多核并行对访存带宽有更高的需求。因此,减少访存次数和隐藏访存延迟仍然是程序访存优化研究的主要内容。模板计算是一类在图像和视频处理、大规模科学和工程计算等领域广泛使用的访存密集型计算核心,已被众多科研工作者作为性能优化的对象,包括并行加速、通信优化、负载平衡等,而对模板计算的访存优化还需要进一步研究。本文以共享存储多核处理器为平台,从循环分块、向量重组和数据预取三个方面对模板计算进行了访存优化研究,主要贡献及创新包括三个方面:第一、改进了传统的循环分块方法,并提出一种基于OpenMP线程与数据块绑定的并行算法。改进的循环分块方法综合考虑了多核或多线程并行及多级Cache结构的特性;基于OpenMP线程与数据块绑定的并行算法能够有效的解决传统并行算法中并行开销大、不能有效重用相邻分块之间的边界数据等问题。第二、采用向量重组减少模板计算的非对齐访存,并提出一种向量拼接移位的向量重组方法。通过对模板计算访存特点的分析,发现模板计算不仅可以进行向量化,而且一些向量之间存在数据元素的重用。所以在模板计算向量化的基础上,采用向量重组方法减少了模板计算存取数据的次数,有效提升了模板计算的访存效率。在模板计算向量重组方法的研究中,不仅基于模板计算的访存模式提出多种向量重组方法,而且基于模板计算重组向量的特点提出向量拼接移位的向量重组方法,减少了向量操作次数。第三、采用数据预取隐藏模板计算中的访存延迟。数据预取充分利用处理器空闲带宽对数据进行存取,通过将访存与计算重叠,能够有效地隐藏访存延迟。通过对Intel X8664硬件预取和软件预取机制的分析,分别对连续访存和非连续访存两种模式下的模板计算使用了软件预取优化,并使用循环展开和循环剥皮优化了数据预取。实验结果表明,软件预取更有益于优化非连续访存模式下的模板计算。

关键词：模板计算 SMP 多级Cache 循环分块 SIMD 向量重组数据预取

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模板计算的众核性能优化实际应用研究

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高性能计算技术 2013年第6期 29-34页

作者：邓亮张理论徐传福国防科学技术大学计算机学院长沙410073

模板计算是众多科学计算应用的基础.现有的模板计算性能优化研究多是针对理想应用场景及传统多核平台,难以直接用于指导真实应用问题在Intel Xeon Phi上的性能优化.本文以理想场景和实际CFD应用场景下基于7点模板计算的雅克比迭代为例,... 详细信息

模板计算是众多科学计算应用的基础.现有的模板计算性能优化研究多是针对理想应用场景及传统多核平台,难以直接用于指导真实应用问题在Intel Xeon Phi上的性能优化.本文以理想场景和实际CFD应用场景下基于7点模板计算的雅克比迭代为例,结合Intel集成众核(MIC:Many Integrated Cores)架构特点,研究了其众核性能优化方法.研究发现模板计算在不同应用场景的众核加速效果存在明显差异.借助性能分析工具——LIKWID,通过收集和分析程序执行中的多种硬件性能指标,尝试对模板计算在不同场景的这种加速性能差异进行了比较研究与合理性解释.

关键词：模板计算集成众核 LIKWID 硬件性能指标

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面向ARM高性能处理器的模板计算性能优化研究

面向ARM高性能处理器的模板计算性能优化研究

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作者：冯璐霞国防科学技术大学

学位级别：硕士

基于ARM高性能处理器的SoCs是移动计算的主要平台,也是下一代高性能计算系统(HPC)的候选平台。ARM架构为满足新的需求而不断更新,最新的A RMv8架构不仅采用了多核架构,更采用能缓解计算速度与访存速度之间不匹配的多级Cache结构,而且还... 详细信息

基于ARM高性能处理器的SoCs是移动计算的主要平台,也是下一代高性能计算系统(HPC)的候选平台。ARM架构为满足新的需求而不断更新,最新的A RMv8架构不仅采用了多核架构,更采用能缓解计算速度与访存速度之间不匹配的多级Cache结构,而且还从原来的32位架构拓展到64位架构,引入全新的高级S IMD支持,提供了多级多粒度的并行处理能力。模板计算是一类重要的计算核心,广泛存在于图像和视频处理以及大规模科学和工程计算领域,作为高性能计算的研究对象,模板计算的性能优化日益受到重视。另外,模板计算的研究正逐渐从提高数据局部性的串行性能优化研究转向利用并行化和向量化来优化性能。本文以ARMv8架构的处理器为平台,从对模板计算的OpenMP并行化和向量化两个方面进行了提升性能的研究,主要的工作和创新表现在以下两个方面:第一,研究了ARMv8架构处理器的体系结构特点和典型OpenMP并行化的实现方法,根据多级Cache特点和程序的访存模式,通过线程绑定优化,增加了Ca che的命中率,减少了线程的调度开销,优化了模板计算的并行。第二,研究了多核多SIMD结构的ARMv8处理器平台上的高级SIMD扩展技术,分析了目前的自动向量化方法,针对模板计算的核心分析发现简单的自动向量化并不能很好的提升多维模板计算的性能,因此采用了OpenMP编译指导的向量化中的collapse子句坍塌模板代码核心的多重循环,再结合改进的并行化方法并行处理,提升了向量化的效果,进一步优化了模板计算在ARM高性能处理器上的性能。针对ARM高性能处理器的模板计算的并行化和向量化的优化研究是非常有意义的,它不仅降低了高性能计算平台的局限性,而且满足了更多应用领域的需要。

关键词：模板计算 ARMv8架构多级Cache OpenMP 线程绑定 SIMD collapse子句

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模板计算的众核性能优化:理想与真实应用场景比较研究

模板计算的众核性能优化:理想与真实应用场景比较研究

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2013全国高性能计算学术年会

作者：邓亮张理论徐传福国防科学技术大学计算机学院长沙中国410073

模板计算是众多科学计算应用的基础.已有的模板计算性能优化研究多是针对理想应用场景及传统多核平台,难以直接用于指导真实应用问题在Intel Xeon Phi上的性能优化.本文以理想场景和实际CFD应用场景下基于7点模板计算的雅克比迭代为例,... 详细信息

模板计算是众多科学计算应用的基础.已有的模板计算性能优化研究多是针对理想应用场景及传统多核平台,难以直接用于指导真实应用问题在Intel Xeon Phi上的性能优化.本文以理想场景和实际CFD应用场景下基于7点模板计算的雅克比迭代为例,结合Intel集成众核(Many Integrated Cores,MIC)架构特点,研究了其众核性能优化方法.研究发现模板计算在不同应用场景的众核加速效果存在明显差异.借助性能分析工具—LIKWID,通过收集和分析程序执行中的多种硬件性能指标,尝试对模板计算在不同场景的这种加速性能差异进行了比较研究与合理性解释.

关键词：计算机理论模板计算集成众核性能优化

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水电站尾水肘管段模板计算

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湖南水利水电 2003年第5期 1-2页

作者：杨炯湖南省水利水电工程学校长沙市410131

尾水管模板是水电站模板工程中结构最为复杂的模板之一,模板计算的重点是保证曲面的外形符合设计要求。过去,模板设计人员仅依据水轮机制造厂家提供的尾水管单线图进行模板设计,致使模板放样工作极为复杂。文章通过对肘管的分析,建立模... 详细信息

尾水管模板是水电站模板工程中结构最为复杂的模板之一,模板计算的重点是保证曲面的外形符合设计要求。过去,模板设计人员仅依据水轮机制造厂家提供的尾水管单线图进行模板设计,致使模板放样工作极为复杂。文章通过对肘管的分析,建立模板内表面(拱面)的解析方程式,并计算出支撑拱架的外形尺寸,从而将肘管放样简化成一般的平面拱架放样。

关键词：水电站尾水肘管模板计算水轮机

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用Excel模板计算平面度误差

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中国计量 2002年第Z1期 29-30页

作者：李拥军李献波河南省安阳市计量测试中心河南省安阳市计量测试中心

　　我们利用Excel强大的表格计算功能,编制了平面度误差检定数据处理、加油机检定数据处理等电子表格模板,应用于实际工作中,收到了良好的效果.下面仅以平面度误差检定数据处理模板为例,详细介绍一下Excel模板的制作过程.……

关键词：模板计算数据处理误差检定平面度电子表格模板制作过程计算功能加油机应用编制

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