【摘 要】
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Stencil是一类在科学计算和工程应用中常见的计算模式,其计算和访存开销随规模增大呈线性增长,适合在高性能计算机上并行执行。我国自主研发设计的“神威·太湖之光”由国产SW26010众核处理器搭载而成,是世界上首台性能超过100 Pflop/s的超级计算机。为充分发挥国产超级计算机在科学应用性能加速中的作用,针对Stencil计算的性能优化研究十分重要。然而,Stencil计算在国产异构众核处理器
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Stencil是一类在科学计算和工程应用中常见的计算模式,其计算和访存开销随规模增大呈线性增长,适合在高性能计算机上并行执行。我国自主研发设计的“神威·太湖之光”由国产SW26010众核处理器搭载而成,是世界上首台性能超过100 Pflop/s的超级计算机。为充分发挥国产超级计算机在科学应用性能加速中的作用,针对Stencil计算的性能优化研究十分重要。然而,Stencil计算在国产异构众核处理器上面临着访存带宽受限的挑战,并且在优化过程中需要大量的手工调优工作。为了实现Stencil计算及其应用在国产异构众核处理器上的深度优化和高效部署,本文对Stencil计算在国产异构众核处理器上的性能优化技术展开研究,主要工作和研究成果包括:1、设计并实现了Stencil计算在国产异构众核处理器上的并行优化方案。针对国产异构众核处理器的体系架构和存储特点,分析Stencil计算在并行优化过程中的主要性能瓶颈。设计了适应局存的数据划分、交叉分块、双缓冲优化和时间分块等结合的并行优化方案,有效解决了从核存储空间过小、访存带宽不足、数据重用低效等问题。选取2D-5P、2D-9P、3D-7P、3D-27P Stencil算例在SW26010处理器单核组上进行了优化实验,最高加速比可达132.05。2、提出并建立了面向国产异构众核处理器的Stencil计算性能模型。结合上述并行优化方案,分析Stencil计算并行程序的算法特征和访存模式,量化关键性能参数和程序运行时间之间的关系,进一步分析采用双缓冲时DMA传输时间和计算时间重叠的特征,得到全局性能模型。以SW26010处理器为实验平台,建立了相应的性能模型,并使用常见3D-7P、3D-27P Stencil算例进行了实验验证,得到性能模型平均误差约为10.97%,准确性较高。3、提出了面向国产异构众核处理器的Stencil计算自适应分块参数选择算法。基于性能模型对性能瓶颈的分析,进一步调整空间分块参数和时间分块参数,衡量冗余数据传输和冗余计算的开销,得到理论最优分块参数。通过将性能模型和分块参数调整方法结合,提出了面向国产异构众核处理器的自适应分块参数选择算法,并通过3D-7P、3D-27P Stencil算例验证了算法的有效性。
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