發(fā)布時(shí)間：2020-03-23 21:14

【摘要】：并行計(jì)算模型是并行計(jì)算的重要研究內(nèi)容。隨著高性能計(jì)算技術(shù)的日益發(fā)展,并行計(jì)算的軟硬件結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜.一方面計(jì)算機(jī)硬件持續(xù)復(fù)雜化,如多核處理器、異構(gòu)多平臺(tái)、各種高速網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的加入,使得應(yīng)用程序在這些平臺(tái)上的執(zhí)行行為難以預(yù)測(cè)；另一方面計(jì)算機(jī)軟件持續(xù)抽象化,并日益脫離硬件。傳統(tǒng)的并行計(jì)算模型已不能適應(yīng)當(dāng)前并行計(jì)算的高速發(fā)展。分層并行計(jì)算模型的提出,從算法設(shè)計(jì),程序?qū)崿F(xiàn)和程序執(zhí)行三個(gè)層次分別考慮,力圖解決并行計(jì)算模型不能適應(yīng)當(dāng)前并行計(jì)算發(fā)展的矛盾。 并行程序執(zhí)行模型是分層并行計(jì)算模型的重要組成部分,其中的數(shù)據(jù)通信過程又是并行程序執(zhí)行模型中重要的一個(gè)方面,因?yàn)槠渑c并行系統(tǒng)中的若干子系統(tǒng)相關(guān),如系統(tǒng)連接拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),應(yīng)用程序通信拓?fù)?互連網(wǎng)絡(luò)性能,處理器間同步、負(fù)載平衡等等。本文基于若干實(shí)際應(yīng)用研究,力圖構(gòu)建面向數(shù)據(jù)通信優(yōu)化的并行程序執(zhí)行模型,將并行程序中的數(shù)據(jù)通信過程劃分為三個(gè)子過程：數(shù)據(jù)準(zhǔn)備過程,通信準(zhǔn)備過程以及數(shù)據(jù)傳輸過程。這三個(gè)子過程之間存在緊密的聯(lián)系卻又有一定獨(dú)立性,并且均對(duì)程序通信的速度和效率有著重要影響。本文從三個(gè)不同的并行計(jì)算實(shí)例中深入分析這三個(gè)部分的特點(diǎn)以及優(yōu)化方法,從不同角度揭示了優(yōu)化并行程序通信效率的若干方法。具體而言,本文的主要研究成果和創(chuàng)新點(diǎn)可概括為以下幾點(diǎn)： (1)提出了面向數(shù)據(jù)通信優(yōu)化的并行執(zhí)行模型：通過對(duì)MPI實(shí)現(xiàn)中的通信操作過程進(jìn)行深入研究,從中抽取出影響并行計(jì)算程序數(shù)據(jù)通信效率的各種因素,將整個(gè)數(shù)據(jù)通信過程分解為數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、通信準(zhǔn)備以及數(shù)據(jù)傳輸三個(gè)子過程,分析了這三個(gè)子過程各自的特點(diǎn)和研究內(nèi)容,本文提出了面向數(shù)據(jù)通信優(yōu)化的并行程序執(zhí)行模型。同時(shí)給出了模型的一些性質(zhì)和討論,以期能夠預(yù)測(cè)出并行應(yīng)用程序在運(yùn)行時(shí)的行為以及幫助程序執(zhí)行者對(duì)應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)通信過程進(jìn)行優(yōu)化。 (2)研究了數(shù)據(jù)準(zhǔn)備過程中的優(yōu)化方法,并在三維快速傅里葉變換的應(yīng)用中討論了其執(zhí)行模型：數(shù)據(jù)準(zhǔn)備過程的優(yōu)化極大地影響著數(shù)據(jù)通信的效率。本文以三維快速傅里葉變換的實(shí)際應(yīng)用為例,探討了數(shù)據(jù)準(zhǔn)備過程的優(yōu)化對(duì)數(shù)據(jù)通信的重要影響。本文同時(shí)提出了一種新的三維快速傅里葉變換的并行算法,針對(duì)稀疏三維向量的傅里葉變換,通過重新調(diào)整X、y、z三個(gè)方向的計(jì)算順序,能最大限度地減少結(jié)點(diǎn)間的通信量,從而減少計(jì)算時(shí)間,提高并行加速比。 (3)對(duì)通信準(zhǔn)備過程中的優(yōu)化方法進(jìn)行了探討,并研究了Sort-Last模式下圖像合成過程實(shí)現(xiàn)程序的執(zhí)行模型：通信準(zhǔn)備過程在數(shù)據(jù)通信三個(gè)子過程中起著承上啟下的作用,本文以Sort-Last模式下的并行繪制為例,研究了通信準(zhǔn)備過程中的優(yōu)化方法。圖像合成是并行繪制中的一個(gè)性能瓶頸,本文提出了一系列基于流水線的并行圖像合成方法,通過重疊圖形繪制時(shí)間和通信時(shí)間得到了流暢的實(shí)時(shí)繪制效果。實(shí)驗(yàn)表明,流水線方法在結(jié)點(diǎn)數(shù)目的可擴(kuò)展性上和圖像像素可擴(kuò)展性上均優(yōu)于已有算法。 (4)研究了數(shù)據(jù)傳輸過程的優(yōu)化方法,并使用了執(zhí)行模型分析預(yù)測(cè)了動(dòng)態(tài)進(jìn)程映射方法在實(shí)現(xiàn)中的性能和執(zhí)行行為：數(shù)據(jù)傳輸是三個(gè)子過程中最為復(fù)雜和難以預(yù)測(cè)的過程。本文在優(yōu)化MPI程序中的群集操作的實(shí)現(xiàn)中,基于數(shù)據(jù)傳輸過程選擇最優(yōu)信道的思路,提出了動(dòng)態(tài)進(jìn)程映射方法。其基本思想是在運(yùn)行時(shí)改變進(jìn)程的編號(hào)來改變?nèi)杭僮魍負(fù)浣Y(jié)構(gòu),以期優(yōu)化應(yīng)用程序運(yùn)行時(shí)的通信效率。對(duì)于不同的運(yùn)行時(shí)環(huán)境我們分別提出離線和在線兩種不同的方法來計(jì)算映射數(shù)組。本文基于MPICH2實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)進(jìn)程映射方法,并在實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證了執(zhí)行模型的實(shí)用性和有效性。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2011
【分類號(hào)】：TP338.6

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2597276