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申威异构众核处理器架构下结构瞬态有限元并行算法

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振动与冲击 2023年第6期42卷 152-158页

作者：喻高远楼云锋李俊杰金先龙上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室上海200240 上海交通大学机械与动力工程学院上海200240 上海宇航系统工程研究所上海201108

根据国产申威异构众核分布式存储计算机的体系结构特点,提出了一种结构瞬态有限元分层并行计算方法,对于提高国产申威异构众核分布式存储并行计算机下大型、超大型复杂结构系统的瞬态并行求解效率具有重要意义。该方法在分层通信和Newma... 详细信息

根据国产申威异构众核分布式存储计算机的体系结构特点,提出了一种结构瞬态有限元分层并行计算方法,对于提高国产申威异构众核分布式存储并行计算机下大型、超大型复杂结构系统的瞬态并行求解效率具有重要意义。该方法在分层通信和Newmark-HHT算法的基础上构建了大规模复杂结构系统的瞬态并行求解体系,不仅实现了计算过程中大量数据的分布式存储,显著改善了数据的内存访存效率;而且实现了计算过程的两层并行,有效改善了通信效率。因此,该计算方法能够充分利用国产申威异构众核分布式存储并行计算机的体系结构特点提升结构瞬态大规模并行计算效率。最后通过典型数值算例验证了该方法的正确性和有效性,并将其应用于某高层建筑,实现其上千万自由度、数万核的结构瞬态并行计算。

关键词：异构众核分布式存储分层通信大规模瞬态分析并行计算

面向国产异构众核系统的Parallel C语言设计与实现

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软件学报 2017年第4期28卷 764-785页

作者：何王全刘勇方燕飞魏迪漆锋滨江南计算技术研究所江苏无锡214083

异构众核架构具有超高的性能功耗比,已成为超级计算机体系结构的重要发展方向.但众核系统更为复杂的并行层次和存储层次,给编程和优化带来了极大的挑战.因此,研究面向众核系统的并行编程技术,对于降低国产众核系统并行应用的编程难度、... 详细信息

异构众核架构具有超高的性能功耗比,已成为超级计算机体系结构的重要发展方向.但众核系统更为复杂的并行层次和存储层次,给编程和优化带来了极大的挑战.因此,研究面向众核系统的并行编程技术,对于降低国产众核系统并行应用的编程难度、提升并行程序的性能都具有重要的意义.提出统一架构的多模式并行编程模型,包括异构融合的加速运算模型和按同构方式编程的自主运算模型,根据编程模型设计了Parallel C语言,能够有效地描述国产众核系统的异构并行性.与其他众核系统上MPI+X的使用模式相比,编程和系统优化都具有全局视角,在多级局部性描述、单边消息、兼容已有多核应用等方面具有特色;基于Open64构建了Parallel C编译系统,全面支持加速运算模型和自主运算模型,提出并实现了数据布局与自动DMA、编译指导的线程代理和拓扑位置感知的集合通信等优化.Micro Benchmark和实际应用在神威太湖之光计算机系统上的测试数据结果表明:Parallel C语言和编译系统具有良好的性能和可扩展性,能够有效支撑大型应用.

关键词：异构众核编程模型并行语言 Parallel C 编译器消息传递

面向新一代国产异构众核处理器的数据流计算系统

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计算机研究与发展 2023年第10期60卷 2405-2417页

作者：肖谦赵美佳李名凡沈莉陈俊仕周文浩王飞安虹中国科学技术大学计算机科学与技术学院合肥230026 国家超级计算无锡中心江苏无锡214100 清华大学计算机科学与技术系北京100084

如今,科学研究已从计算科学时代进入数据科学时代.从海量数据中发现规律和突破科学发展瓶颈是数据科学范式的主要目标.与此同时,高性能计算机(HPC)也越来越重视智能算力,在传统高性能计算方法的基础上融合人工智能算法(HPC+AI),更有利... 详细信息

如今,科学研究已从计算科学时代进入数据科学时代.从海量数据中发现规律和突破科学发展瓶颈是数据科学范式的主要目标.与此同时,高性能计算机(HPC)也越来越重视智能算力,在传统高性能计算方法的基础上融合人工智能算法(HPC+AI),更有利于在数据科学时代解决实际问题,并能充分发挥高性能计算机的智能算力.不过,在国产HPC系统——特别是面向由新一代国产异构众核处理器sw26010pro构建的HPC系统——上支撑HPC+AI领域应用,则面临着诸多挑战.提出了一种面向国产异构众核处理器的数据流计算系统swFLOWpro,支持使用TensorFlow接口构建数据流程序,实现对用户透明的众核加速,并实现了面向全处理器视角的两级并行策略.经测试,系统针对典型核心计算,单核组众核加速比最高可达545倍、典型模型众核加速比最高可达346倍,全片6核组并行执行ResNet50模型训练,对比单核组加速比达到4.96倍,并行效率82.6%.实验表明,swFLOWpro能够支持以深度学习为代表的数据流程序在国产异构众核处理器上的高效运行.

关键词：数据流深度学习异构众核 swFLOWpro系统高性能计算

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异构众核处理器的设计与实现

异构众核处理器的设计与实现

作者：刘智龙西安电子科技大学

学位级别：硕士

在高性能处理器领域,受到功耗、互联及复杂度三大因素的限制,处理器计算性能的增长速度已经无法满足摩尔定律,异构并行的加速方式将引领新的发展方向。在嵌入式领域,ASIP技术以其半定制化的结构特点,集ASIC和DSP技术之所长,提供了一种... 详细信息

在高性能处理器领域,受到功耗、互联及复杂度三大因素的限制,处理器计算性能的增长速度已经无法满足摩尔定律,异构并行的加速方式将引领新的发展方向。在嵌入式领域,ASIP技术以其半定制化的结构特点,集ASIC和DSP技术之所长,提供了一种兼顾性能、功耗、灵活性和开发周期的解决方案。本文结合嵌入式应用的特点,设计并实现了一种异构众核ASIP并行处理器。首先,通过对异构并行关键技术的深入研究,本文设计了一种基于片上总线与共享内存的异构众核架构,该架构的异构单元包括了八个RISC处理器与一个SPARC处理器,且多个异构单元可以挂载到同一条总线上实现架构扩展。在具体的电路实现上,选择了简单紧凑的wishbone总线作为片上总线,采用了一种带有二级地址索引功能的多端口数据存储器作为共享内存。其次,本文设计并实现了由八个RISC处理器组成的SIMD结构处理器阵列,配置并优化了一套完整的指令集,同时增加了屏蔽操作和邻核通信功能,简化了算法并行化的设计难度,提高了指令执行效率。本文设计并实现了一个支持精简化SPARC指令集的ASIP处理器,同时兼容BCC交叉编译工具链,可使用高级语言进行程序开发。最后,以Virtex-6系列的VLX240T-FF787 FPGA开发平台作为硬件载体,使用Verilog硬件描述语言实现了上述异构众核处理器,并采用5/3提升小波分解算法和FFT算法对处理器的功能完备性作了测试和验证,统计了逻辑资源占用和关键路径延时。此外,还采用并行冒泡排序算法对处理器的并行加速性能进行了评估。

关键词：异构众核片上总线共享内存专用指令集处理器并行处理

同方学位论文库评论

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同方学位论文库

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面向异构众核从核的数学函数库访存优化方法

计算机科学 2014年第6期41卷 12-17页

作者：许瑾晨郭绍忠黄永忠王磊解放军信息工程大学数学工程与先进计算国家重点实验室郑州450002

数学库函数算法的特性致使函数存在大量的访存,而当前异构众核的从核结构采用共享主存的方式实现数据访问,从而严重影响了从核的访存速度,因此异构众核结构中数学库函数的性能无法满足高性能计算的要求。为了有效解决此问题,提出了一种... 详细信息

数学库函数算法的特性致使函数存在大量的访存,而当前异构众核的从核结构采用共享主存的方式实现数据访问,从而严重影响了从核的访存速度,因此异构众核结构中数学库函数的性能无法满足高性能计算的要求。为了有效解决此问题,提出了一种基于访存指令的调度策略,亦即将访存延迟有效地隐藏于计算延迟中,以提高基于汇编实现的数学函数库的函数性能;结合动态调用方式,利用从核本地局部数据存储空间LDM(local data memory),提出了一种提高访存速度的ldm_call算法。两种优化技术在共享存储结构下具有普遍适用性,并能够有效减少函数访存开销,提高访存速度。实验表明,两种技术分别能够平均提高函数性能16.08%和37.32%。

关键词：异构众核数学函数库访存优化指令调度局部数据存储空间

面向国产异构众核架构的CFD非结构网格计算并行优化方法

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计算机科学 2022年第6期49卷 99-107页

作者：陈鑫李芳丁海昕孙唯哲刘鑫陈德训叶跃进何香国家超级计算无锡中心江苏无锡214000 中国空气动力研究与发展中心四川绵阳621000

神威太湖之光在2016-2018年度全球超算top500榜单中排名第一,峰值性能为125.4 PFlops,其计算能力主要归功于国产SW26010众核处理器。由于CFD非结构网格计算存在拓扑关系复杂、离散访存问题严重、存在强相关的线化方程求解等问题,导致CF... 详细信息

神威太湖之光在2016-2018年度全球超算top500榜单中排名第一,峰值性能为125.4 PFlops,其计算能力主要归功于国产SW26010众核处理器。由于CFD非结构网格计算存在拓扑关系复杂、离散访存问题严重、存在强相关的线化方程求解等问题,导致CFD非结构网格计算一直是国产众核超级计算机移植与优化的难题。为充分发挥国产异构众核架构的计算效能,首先,提出了一种数据重构模型,提高了数据的局部性和可并行性,使得数据结构更加适应众核架构的特点;然后,针对非结构网格数据存放的无序性导致的离散访存问题,提出了一种基于信息关系预存的离散访存优化方法,将离散访存转化为连续访存;最后,对于存在强相关的线化方程求解问题,引入了从核阵列流水线并行的思想,实现了众核并行。优化后CFD非结构网格计算的整体性能相比原始版本提升了4.19倍,相比通用CPU提升了1.2倍,并扩展到62.4万计算核心的并行规模,能保持64.5%的并行效率。

关键词：计算流体力学异构众核神威超级计算机非结构网格并行计算

一种基于国产异构众核处理器的C++智能源码转换框架

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计算机工程与科学 2021年第6期43卷 997-1005页

作者：俞茂学贾东宁魏志强许佳立马广浩青岛海洋科学与技术试点国家实验室山东青岛266237 中国海洋大学信息科学与工程学院山东青岛266100

国产异构众核处理器是我国打破国际技术壁垒,在高性能计算领域取得突破的关键环节。围绕国产超算的软件生态环境建设,采用智能源码转换的方法盘活海量多核架构的遗产代码是加速软件研发效率,推动领域发展的重要途径。针对国产运算核心... 详细信息

国产异构众核处理器是我国打破国际技术壁垒,在高性能计算领域取得突破的关键环节。围绕国产超算的软件生态环境建设,采用智能源码转换的方法盘活海量多核架构的遗产代码是加速软件研发效率,推动领域发展的重要途径。针对国产运算核心不支持C++编译的现状,基于开源的ANTLR语言翻译工具,提出了一种面向异构众核处理器的智能化C++语言向C语言转换的辅助框架。该框架聚焦面向对象语言的关键特征,基于抽象语法树,实现了基类和继承类、函数定义、基于标签法的模板实例化以及部分STL库的C语言转换,建立了待转换代码的自动化标注体系,极大地提高了C++代码的转换和移植效率。通过对可衡量的并行计算基准应用BableStream进行自动转换和移植测试,证实了该转换框架的有效性。

关键词：异构众核源码转换 OpenACC 并行计算 ANTLR C++

面向国产异构众核处理器SW26010的BFS优化方法

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计算机科学 2020年第8期47卷 98-104页

作者：袁欣辉林蓉芬魏迪尹万旺徐金秀江南计算技术研究所江苏无锡214083

近年来,人们越来越关注计算机对数据密集型课题的处理能力。宽度优先搜索(Breadth First Search,BFS)是一种典型的数据密集型课题,被广泛应用于多种图算法。Graph 500 Benchmark以BFS搜索为核心算法,已经成为评价计算机处理大数据能力... 详细信息

近年来,人们越来越关注计算机对数据密集型课题的处理能力。宽度优先搜索(Breadth First Search,BFS)是一种典型的数据密集型课题,被广泛应用于多种图算法。Graph 500 Benchmark以BFS搜索为核心算法,已经成为评价计算机处理大数据能力的基准。神威太湖之光超级计算机从2016年6月至2017年11月连续4次荣登Top 500榜单榜首,其处理器SW26010是首款由我国自主研制的异构众核处理器。文中研究了如何利用SW26010的体系结构特点加速BFS算法的问题,在SW26010上实现了基于单个核组的方向优化的融合BFS算法,使用字节图(bytemap)释放内层循环依赖性,利用异步DMA隐藏计算与便签存储器的访问开销,利用异构架构协同运算并对图做预处理。最终,以Graph 500作为基准测试程序处理scale为22的图,SW26010处理器单核组BFS的性能达到457.54MTEPS。

关键词： SW26010 神威太湖之光 Graph 500 数据密集异构众核宽度优先搜索

面向磁流体动力学方程组的异构众核全隐求解器研究

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数值计算与计算机应用 2019年第1期40卷 34-50页

作者：刘芳芳陈道琨杨超赵玉文中国科学院软件研究所并行软件与计算科学实验室北京100190 中国科学院大学北京100049 北京大学数学科学学院北京100871

磁流体动力学方程组被广泛应用于受控核聚变装置托卡马克、天体物理、磁流体发电等问题的研究中,其往往具有非线性、多尺度、多物理等特征,大规模数值难度较大.目前国际上对不可压缩流体问题的大规模数值求解主要采用全隐或半隐方法,但... 详细信息

磁流体动力学方程组被广泛应用于受控核聚变装置托卡马克、天体物理、磁流体发电等问题的研究中,其往往具有非线性、多尺度、多物理等特征,大规模数值难度较大.目前国际上对不可压缩流体问题的大规模数值求解主要采用全隐或半隐方法,但都是在同构的超级计算机而不是目前主流的异构众核系统上进行计算.论文面向国产神威"太湖之光"超级计算机,开展面向磁流体动力学方程组的异构众核全隐求解器研究.针对Newton-Krylov这类全隐求解器,提出了面向申威26010众核处理器的异构众核并行算法,并对其核心函数开展了众核并行和优化.对核心函数稀疏矩阵向量乘采用Matrix Free的方法来提升性能,对稀疏三角求解采用基于几何信息的异构众核并行算法,针对其访存密集的特点提出了存储格式、数据读取与计算依赖分离、核间寄存器通信等多种优化方法,对非线性残差计算等stencil类计算及10多个向量函数进行了异构众核并行,该异构众核并行算法可被其它应用软件重用.论文采用二维磁场重联问题进行测试,实验结果表明16进程时加速比可达13.6倍,能够支持高分辨率长时间模拟,并准确捕捉磁场重联现象.另外整体并行扩展性已经达到53万核,强可扩展性并行效率达到了33.8%,弱可扩展性并行效率达到了80.7%.

关键词：二维磁场重联磁流体动力学异构众核全隐求解器神威太湖之光申威26010处理器