【摘要】：借助高性能計算平臺和并行仿真技術加速仿真執(zhí)行過程,已經(jīng)成為復雜系統(tǒng)仿真應用的主要途徑。目前,基于多核CPU(CMP)與集成眾核(MIC)處理器的計算平臺在高性能計算領域異軍突起,為加速仿真執(zhí)行過程帶來了新的機遇。然而,現(xiàn)有的并行仿真支撐技術主要面向多處理機、集群、CMP+GPU等計算平臺,難以發(fā)揮CMP+MIC計算平臺線程資源豐富、局部共享存儲、協(xié)同計算等架構(gòu)優(yōu)勢。因此,開展基于CMP+MIC計算平臺的并行仿真支撐技術研究,對于充分利用新型高性能計算資源,滿足仿真不斷增長的計算需求,促進新型高性能計算平臺在仿真領域的應用具有重要的理論意義和實用價值。論文針對當前并行仿真支撐技術在CMP+MIC新型計算平臺應用方面存在的相關問題,圍繞基于CMP+MIC新型計算平臺的并行仿真引擎架構(gòu)、計算模型加速解算及負載平衡等問題展開深入研究,主要工作和創(chuàng)新點如下:(1)提出了面向CMP+MIC計算平臺的并行仿真引擎架構(gòu)。仿真引擎是支持仿真運行的核心組件,為了獲得更高的性能,要求仿真引擎架構(gòu)能夠發(fā)揮CMP+MIC計算平臺線程資源豐富、局部共享存儲、協(xié)同計算等架構(gòu)優(yōu)勢。目前,基于多進程方式實現(xiàn)的傳統(tǒng)并行仿真引擎架構(gòu)并行粒度粗、存儲消耗大、通信開銷大,針對多核計算平臺的相關工作難以支持多節(jié)點協(xié)同仿真,面向GPU等眾核計算平臺的相關工作由于體系結(jié)構(gòu)差異而難以兼容。為此,提出了一種面向CMP+MIC計算平臺的并行仿真引擎架構(gòu)SE-HPTM。SE-HPTM分別在CMP和MIC內(nèi)部利用多線程方式并行處理事件,CMP和MIC之間利用進程間通信實現(xiàn)協(xié)同仿真,并通過減少鎖開銷和優(yōu)化訪存等方式進一步提高性能。測試表明,相對于多進程方式的并行仿真引擎,SE-HPTM在CMP+MIC計算平臺上最高可獲得1.57倍的加速比。(2)提出了基于聚合-分載的計算模型加速解算方法。復雜仿真系統(tǒng)中某些計算模型解算往往非常耗時,成為整個系統(tǒng)的性能瓶頸,在CMP端運行仿真主程序,將比較耗時的模型解算過程分載至MIC端加速解算是一種解決方案。然而,計算模型的廣泛性和封裝性使得通用的模型加速解算難以實現(xiàn),事件的離散調(diào)度導致難以對大量的計算模型進行規(guī)�；铀俳馑�。為此,提出了一種基于聚合分載的計算模型加速解算方法GOMA。該方法針對同質(zhì)化計算密集型并行仿真應用,基于保守運行機制,通過提取“安全事件”子集將解算過程相同的計算模型進行聚合,而后將規(guī)�；哪Ｐ徒馑氵^程分載至MIC計算平臺加速解算。典型測試用例表明,相對于僅使用CMP的情況,GOMA能夠獲得高達3.4倍的加速比。(3)提出了基于Work-Stealing和對象重組的并行仿真負載平衡方法。并行仿真的計算和通信負載不均衡容易成為系統(tǒng)性能瓶頸,由于靜態(tài)劃分難以預先在處理核心之間均衡地分配負載,全局事件調(diào)度機制僅局限于單機多核計算平臺,動態(tài)負載均衡是當前并行仿真負載平衡的重要途徑。然而,頻繁的動態(tài)遷移會引入額外的開銷而阻礙性能提升。為此,提出了一種基于Work-Stealing和對象重組的并行仿真負載平衡方法WSReG。該方法基于SE-HPTM,結(jié)合Work-Stealing和對象遷移的思想實現(xiàn)動態(tài)負載均衡:在進程內(nèi)部,通過Work-Stealing動態(tài)均衡線程間負載以減少對象遷移,由處于空閑狀態(tài)的線程分擔待處理事件最多的線程負載,并在滿足條件時進行對象重組,將總是“滿載”線程的部分仿真對象遷移至容易“空載”的線程;在進程之間,通過適度的對象遷移來均衡計算和通信負載。實驗結(jié)果表明,WSReG能夠有效提升系統(tǒng)的負載均衡度,從而提高仿真應用性能。在上述研究成果的基礎上,論文設計實現(xiàn)了一個面向CMP+MIC計算平臺的并行仿真支撐環(huán)境ECMIC。社會民意趨勢仿真應用測試結(jié)果表明,相比多進程方式在單獨CMP上的運行情況,ECMIC獲得高達42%左右的性能提升。
【圖文】：

高的片上存儲器訪問帶寬，但其在可編程性、訪存模式以及分支處理等方面的不足，一定程度上限制了其在并行仿真領域的應用。集成眾核處理器 MIC 是 2012 年問世的基于眾核架構(gòu)的協(xié)處理器，其在單個芯片上集成了數(shù)十個計算核心，加之每個核心可同時支持 4 個硬件線程并發(fā)，使得MIC 協(xié)處理器具有豐富的線程資源，擁有強大的計算潛力。目前，MIC 已經(jīng)大量應用在 Tianhe-2 和 Stampede 超級計算機上，其中 Tianhe-2 已經(jīng)在兩年內(nèi)連續(xù)五次蟬聯(lián)世界超級計算機 TOP1。更有利的一點，在于 MIC 采用精簡的 x86 核心，與經(jīng)典 CPU 擁有一致的指令集和相似的執(zhí)行模式，與 GPU 相比，，其在邏輯較復雜的應用中更具優(yōu)勢，且 CPU 程序在 MIC 上的可移植性遠勝 GPU。此外，相比于多核處理器 CMP，眾核處理器具有更小的內(nèi)核，更多的硬件線程和更寬的矢量單元，以及更低的單核造價和功耗，能夠在相同的預算和功耗下提供更高的整體性能，更好地滿足高度并行化應用的計算需求，并有效降低制造和運行成本。因此基于 CMP+MIC 體系結(jié)構(gòu)的高性能計算平臺（如圖 1.1 所示），具備強大的并行計算能力、低功耗高效能特性以及良好的性能價格比，正成為新一代高性能計算機發(fā)展的重要方向，也為并行仿真應用的進一步發(fā)展提供了新的機遇。

圖 1.2 并行仿真執(zhí)行層次示意圖歸納起來，開展基于 CMP+MIC 計算平臺的并行仿真支撐技術研究的意義：（1）有效利用多核與眾核計算資源，提高仿真運行效率CMP+MIC 計算平臺表現(xiàn)出強大的計算潛力，其豐富的多核與眾核計算資源提高仿真的運行效率，滿足仿真不斷增長的計算需求提供了新的機遇。（2）積極借助高性能計算領域的最新成果，促進并行仿真技術的進一步發(fā)研究基于 CMP+MIC 計算平臺的并行仿真支撐技術，有利于借助高性能計域的最新成果，促進仿真應用的進一步發(fā)展。（3）促進新型高性能計算平臺在分析仿真領域的應用天河-2 號已經(jīng)展示了基于 CMP+MIC 的新型高性能計算平臺強大的計算能，然而，其計算能力能否在真實應用中得到充分發(fā)掘需要更多的應用測試和，研究基于 CMP+MIC 計算平臺的并行仿真支撐技術，為新一代高性能計算提供了仿真領域的真實應用，對計算平臺本身的發(fā)展也具有良好的促進作用�？傊�，開展基于 CMP+MIC 計算平臺的并行仿真支撐技術研究，對于充分新型高性能計算機提供的硬件資源，提高仿真應用的執(zhí)行速率，滿足仿真不
【學位授予單位】：國防科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TP391.9;TP332

【參考文獻】

相關期刊論文 前10條

1 李伯虎;柴旭東;李潭;侯寶存;林廷宇;邢馳;姚益平;張霖;;復雜系統(tǒng)高效能仿真技術研究[J];中國電子科學研究院學報;2012年03期

2 姚益平;劉剛;;面向大規(guī)模體系仿真的高性能仿真計算機系統(tǒng)[J];系統(tǒng)仿真學報;2011年08期

3 孟凡亮;胡曉峰;蔣亞群;禹海全;徐旭林;;基于并行計算的大規(guī)模群體行為建模與仿真方法研究[J];計算機應用;2010年06期

4 姚益平;張穎星;;基于并行處理的分析仿真解決方案[J];系統(tǒng)仿真學報;2008年24期

5 戴汝為;開展“系統(tǒng)復雜性”研究任重而道遠[J];復雜系統(tǒng)與復雜性科學;2004年03期

6 羅批,司光亞,胡曉峰,楊鏡宇;Swarm及其平臺下建特定民意模型的探討[J];系統(tǒng)仿真學報;2004年01期

7 羅批,司光亞,胡曉峰,楊鏡宇;戰(zhàn)爭系統(tǒng)多Agent民意模型的研究[J];系統(tǒng)仿真學報;2003年12期

8 胡峰,孫國基,衛(wèi)軍胡;動態(tài)系統(tǒng)計算機仿真技術綜述(Ⅰ)——仿真模型[J];計算機仿真;2000年01期

9 戴汝為;復雜巨系統(tǒng)科學——一門21世紀的科學[J];自然雜志;1997年04期

10 錢學森,于景元,戴汝為;一個科學新領域——開放的復雜巨系統(tǒng)及其方法論[J];自然雜志;1990年01期

相關博士學位論文 前4條

1 朱峰;并行離散事件仿真圖形化開發(fā)技術研究[D];國防科學技術大學;2015年

2 唐文杰;基于CMP+GPU異構(gòu)計算系統(tǒng)的并行離散事件仿真優(yōu)化技術研究[D];國防科學技術大學;2013年

3 張穎星;面向復雜系統(tǒng)應用的并行離散事件仿真性能優(yōu)化技術研究[D];國防科學技術大學;2011年

4 蘇年樂;仿真模型可移植性規(guī)范的多核并行化研究[D];國防科學技術大學;2010年

本文編號：2656832