面向申威眾核架構(gòu)的GROMACS并行實(shí)現(xiàn)與性能優(yōu)化.pdf

1、隨著眾核處理器微結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展，片上集成的計(jì)算和存儲(chǔ)資源越來(lái)越多，處理器結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜。海量的片上資源和多樣化的硬件結(jié)構(gòu)使得高性能計(jì)算應(yīng)用在眾核處理器上并行優(yōu)化的難度越來(lái)越高。當(dāng)前世界排名第一的超級(jí)計(jì)算機(jī)神威·太湖之光由完全自主設(shè)計(jì)的異構(gòu)眾核處理器SW26010構(gòu)建而成。該處理器采用獨(dú)特的主從結(jié)構(gòu)，片上包含260個(gè)異構(gòu)核心，理論峰值性能高達(dá)3.06Tflops。鑒于其硬件結(jié)構(gòu)的獨(dú)特性，現(xiàn)有的商用平臺(tái)上的科學(xué)計(jì)算應(yīng)用必須經(jīng)過(guò)重構(gòu)和優(yōu)化后才

2、能夠在神威·太湖之光上運(yùn)行。GROMACS是當(dāng)前最流行的開源分子動(dòng)力學(xué)模擬軟件之一，具有模擬速度快和適用范圍廣的優(yōu)點(diǎn)，在新材料研制、化工模擬、生物醫(yī)藥等諸多領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。本文的研究目標(biāo)是在神威·太湖之光上開展GROMACS的并行實(shí)現(xiàn)和性能優(yōu)化工作，嘗試突破現(xiàn)有軟件在申威眾核架構(gòu)上并行優(yōu)化所面臨的一系列挑戰(zhàn)性難題，充分發(fā)揮出神威·太湖之光的計(jì)算能力，為國(guó)產(chǎn)眾核處理器應(yīng)用水平的提高和體系結(jié)構(gòu)的改進(jìn)提供指導(dǎo)。
　　本文主要研究?jī)?nèi)容和工

3、作成果如下:
　　(1)為了適應(yīng)申威處理器獨(dú)特的異構(gòu)眾核架構(gòu)，我們?yōu)镚ROMACS熱點(diǎn)函數(shù)設(shè)計(jì)了合理的任務(wù)劃分策略和并行實(shí)現(xiàn)方案。利用主核與從核間的并行性，我們實(shí)現(xiàn)了基于三級(jí)流水線的任務(wù)級(jí)并行模式，在不引入額外時(shí)間開銷的前提下解決了熱點(diǎn)函數(shù)并行化過(guò)程中出現(xiàn)的負(fù)載不平衡問(wèn)題和數(shù)據(jù)依賴問(wèn)題。
　　(2)為了解決申威眾核架構(gòu)訪存帶寬受限的難題并充分利用處理器計(jì)算資源，我們提出了眾多性能優(yōu)化策略包括合理利用SPM、DMA、軟件Cac

4、he、從核混合并行等。利用GROMACS熱點(diǎn)函數(shù)的訪存局部性和申威眾核處理器從核間的并行性，我們實(shí)現(xiàn)了熱點(diǎn)函數(shù)運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)的高效重用并將從核訪存時(shí)間開銷充分隱藏。針對(duì)每一條優(yōu)化策略，我們都對(duì)其實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)和性能收益展開詳盡地分析與討論。
　　(3)我們將GROMACS在從核上優(yōu)化后的版本與其僅在主核上運(yùn)行的版本進(jìn)行比較。在單核組上，我們使用64個(gè)從核將GROMACS熱點(diǎn)函數(shù)性能加速了約27倍，并且將軟件整體性能加速了約6倍。在多節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展