【摘要】：心臟疾病是人類三大疾病之一。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,通過(guò)對(duì)心肌細(xì)胞的生理行為進(jìn)行數(shù)學(xué)建模,并在計(jì)算機(jī)上模擬,可以模擬各種心臟疾病。心電模型模擬對(duì)一些復(fù)雜假說(shuō)進(jìn)行驗(yàn)證,預(yù)測(cè),指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)研究,對(duì)研究心臟電生理學(xué),心率不齊,藥物作用,以及心臟疾病的預(yù)防和治療具有非常重要的作用。然而,必須有足夠的模擬精度才能有效的模擬心肌行為問(wèn)題。高時(shí)空精度的計(jì)算需要巨大的計(jì)算量,因此,需要高性能計(jì)算機(jī)才能滿足其計(jì)算需求。當(dāng)前越來(lái)越多的高性能計(jì)算平臺(tái)使用MIC協(xié)處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)算加速。如排名世界第一的天河2號(hào)超級(jí)計(jì)算機(jī)的每個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)就裝配有3個(gè)MIC協(xié)處理器�；趨f(xié)處理器進(jìn)行計(jì)算已經(jīng)成為大規(guī)模科學(xué)計(jì)算應(yīng)用獲得高性能的重要方式。目前,還沒(méi)有基于MIC協(xié)處理器平臺(tái)的心電模型模擬應(yīng)用研究與實(shí)現(xiàn),也沒(méi)有針對(duì)單節(jié)點(diǎn)內(nèi)多協(xié)處理器之間的高效編程與通信模式的研究。本課題針對(duì)單節(jié)點(diǎn)多核CPU+多MIC的混合平臺(tái),對(duì)心電模型模擬應(yīng)用進(jìn)行了研究和實(shí)現(xiàn),重點(diǎn)針對(duì)單節(jié)點(diǎn)內(nèi)多協(xié)處理器結(jié)構(gòu)的高效編程與通信模式進(jìn)行研究。主要研究?jī)?nèi)容如下:一、選取了一個(gè)簡(jiǎn)單的基于有限差分求解的心臟模型模擬應(yīng)用,探索實(shí)現(xiàn)了在通用多核CPU平臺(tái)上和單MIC平臺(tái)上的并行編程與優(yōu)化技術(shù)。本應(yīng)用的模擬計(jì)算包括求解偏微分方程(PDE)和常微分方程(ODE)兩個(gè)部分,其中,PDE部分主要是一個(gè)三維7點(diǎn)模板計(jì)算,ODE部分則選取一個(gè)簡(jiǎn)單的4變量前向歐拉有限差分法計(jì)算。我們采取了OpenMP多線程,手動(dòng)向量化,訪問(wèn)對(duì)齊,數(shù)值算法優(yōu)化等技術(shù)進(jìn)行并行編程與優(yōu)化,并初步探討了采用卸載(offload)編程模式在CPU與單協(xié)處理器平臺(tái)上的實(shí)現(xiàn)與優(yōu)化。這些并行手段為我們接下來(lái)在多MIC協(xié)處理器平臺(tái)的編程與優(yōu)化提供了并行基礎(chǔ)。二、在前面簡(jiǎn)單模型計(jì)算的研究基礎(chǔ)上,選取了一個(gè)更接近現(xiàn)實(shí)世界的以擴(kuò)散-反應(yīng)方程為核心的數(shù)學(xué)模型�；谔旌�2號(hào)單節(jié)點(diǎn)內(nèi)有3個(gè)MIC協(xié)處理器的平臺(tái),本課題中我們首次設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了兩種不同的卸載(offload)方式,基于pragma的卸載模式和基于系統(tǒng)級(jí)接口(COI和SCIF)的卸載模式,并分別實(shí)現(xiàn)了這兩種不同卸載模式針對(duì)心臟細(xì)胞模型的并行與優(yōu)化,包括任務(wù)分塊、傳輸隱藏、直接傳輸?shù)�。三、通過(guò)充分的實(shí)驗(yàn),詳細(xì)分析比較了兩種不同卸載模式的編程與性能差異。第一種方式的編程實(shí)現(xiàn)更簡(jiǎn)單,而第二種方式有三個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì):(1)關(guān)于offload代碼段的啟動(dòng)開(kāi)銷更小,(2)數(shù)據(jù)傳輸帶寬更高,(3)在計(jì)算和數(shù)據(jù)傳輸之間的同步更為優(yōu)化。第二種方式的使用了更為底層接口函數(shù),為傳輸提供了更為精確的控制,從而達(dá)到了更好數(shù)據(jù)傳輸性能。本課題研究為心臟細(xì)胞模擬應(yīng)用在基于MIC平臺(tái)上的研究和實(shí)現(xiàn)提供了初始參考,特別是研究了單節(jié)點(diǎn)多MIC平臺(tái)上如何高效地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信,其經(jīng)驗(yàn)還可以為其他應(yīng)用移植到本類平臺(tái)提供借鑒意義。
【學(xué)位授予單位】：國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號(hào)】：R541;TP332
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本文編號(hào)：2538561