全局基因调控网络构建CPU/GPU并行算法

对基因表达谱分块,使之符合GPU并行计算的线程结构特性,根据GPU线程结构特性设计双层并行模式,并利用纹理缓存实现访存高效;依据CPU二级缓存容量对基本块进一步细分成子块以提高缓存命中率,利用数据预取技术减少访存次数,利用线程绑定技术减少线程在核心之间的迁移;依据多核CPU和GPU的计算能力分配CPU和GPU的基因互信息计算任务以平衡CPU与GPU的计算负载;在设计新的阈值计算算法基础上,设计实现了访存高效的构建全局基因调控网络CPU/GPU并行算法.实验结果表明,与已有算法相比,本文算法加速更明显,并且能够构建更大规模的全局基因调控网络.     

GIST特征提取的异构并发流计算实现

针对图像GIST全局特征提取算法的计算任务,实现了CPU+GPU异构协同计算与优化：使用CPU完成图像量化、线性延拓等小计算量、不规则的数据运算,使用GPU完成滤波、Gabor特征提取、降维等计算密集、高度并行的数据运算。面向图像序列的计算扩展,在CPU端引入线程池技术,通过每个线程都绑定一个CUDA流处理一幅图像的方法,实现了多幅图像并发流处理和流内数据传输延时的隐藏;利用线程池技术提供线程预创建、资源预分配及根据资源消耗情况的线程数量动态增减等方法,提高了CPU对GPU计算资源的调度使用效率。实验结果表明,在保证同等精度的前提下,基于异构计算平台的图像GIST特征提取方法相比传统CPU平台达到8.35~9.31倍的加速比,在使用线程池之后算法处理图像序列数据时速度进一步提升10.0%~37.2%。     

基于GPU的稀疏线性系统的预条件共轭梯度法

研究了基于GPU的稀疏线性方程组的预条件共轭梯度法加速求解问题,并基于统一计算设备架构(CUDA)平台编制了程序,在NVIDIAGT430 GPU平台上进行了程序性能测试和分析。稀疏矩阵采用压缩稀疏行(CSR)格式压缩存储,针对预条件共轭梯度法的算法特性,研究了基于GPU的稀疏矩阵与向量相乘的性能优化、数据从CPU端传到GPU端的加速传输措施。将编制的稀疏矩阵与向量相乘的kernel函数和CUSPARSE函数库中的cusparseDcsrmv函数性能进行了对比,最优得到了2.1倍的加速效果。对于整个预条件共轭梯度法,通过自编kernel函数来实现的算法较之采用CUBLAS库和CUSPARSE库实现的算法稍具优势,与CPU端的预条件共轭梯度法相比,最优可以得到7.4倍的加速效果。     

NTRU加解密算法的GPU实现研究

GPU拥有高度并行性和可编码的特点,在大规模数据并行计算方面得到广泛应用。NTRU算法是一种安全性高,易于并行化的公钥密码算法。研究了NTRU算法基于CUDA的并行化实现技术,将计算中最耗时的卷积运算分解到多个线程并行计算,引入大量的独立并发的加解密线程块来完成整个加解密过程,并给出了具体的数据编码及存储结构、线程组织以及基于合并访问和共享内存的性能优化技术。实验结果表明,基于CUDA的NTRU加解密算法实现了硬件加速,相对于NTRU算法在CPU的实现,CUDA实现能够达到12.38 MB/s的吞吐量,可获得最大为95倍的加速比。     

基于HYB格式稀疏矩阵与向量乘在CPU+GPU异构系统中的实现与优化

稀疏矩阵与向量相乘SpMV是求解稀疏线性系统中的一个重要问题,但是由于非零元素的稀疏性,计算密度较低,造成计算效率不高。针对稀疏矩阵存在的一些不规则性,利用混合存储格式来进行SpMV计算,能够提高对稀疏矩阵的压缩效率,并扩大其适应范围。HYB是一种广泛使用的混合压缩格式,其性能较为稳定。而随着GPU并行计算得到普遍应用以及CPU日趋多核化,因此利用GPU和多核CPU构建异构并行计算系统得到了普遍的认可。针对稀疏矩阵的HYB存储格式中的ELL和COO存储特征,把两部分数据分别分割到CPU和GPU进行协同并行计算,既能充分利用CPU和GPU的计算资源,又能够发挥CPU和GPU的计算特性,从而提高了计算资源的利用效能。在分析CPU+GPU异构计算模式的特征的基础上,对混合格式的数据分割和共享方面进行优化,能够较好地发挥在异构计算环境的优势,提高计算性能。     

基于图形处理器的层次聚类算法效率研究

鉴于Larsen等人利用图形处理器（GPU）的多纹理技术做矩阵运算操作,以实现GPU在矩阵相乘方面的通用计算,提出一种利用GPU和CPU的协同处理模式,应用在基于层次聚类的动态近邻选择模型的聚类算法（DNNS）中,将算法中比较耗时的邻接度矩阵计算步骤交由GPU完成,而算法其余步骤由CPU执行,从而使算法的聚类效率得到显著提高。在配有Pentium IV 3.4 G CPU和NVIDIA GeForce 7800GT显卡的硬件环境下经过实验测试,证明这种协同处理模式下的运算速度比完全采用CPU计算速度要快25%左右。这种改进的层次聚类算法适合在数据流环境下对大量数据进行实时高效聚类操作。     

基于CUDA的双三次B样条缩放方法

Nvidia在GeForce 8系列显卡上推出的CUDA（统一计算设备架构）技术使GPU通用计算（GPGPU）从图形硬件流水线和高级绘制语言中解放出来,开发人员无须掌握图形学编程方法即可在单任务多数据模式（SIMD）下完成高性能并行计算。研究了CUDA的设计思想和编程方式,改进了基于双三次B样条曲面的图像缩放算法,使用多个线程将计算中耗时的B样条重采样部分改造成SIMD模式,并分别采用CUDA中全局存储器和共享存储器策略在CUDA上完成图像缩放的全过程。实验结果表明,基于CUDA的B样条曲面并行插值方法成功实现了硬件加速,相对于CPU上运行的B样条缩放算法,其执行效率明显提高,易于扩展,对于大规模数据处理呈现出良好的实时处理能力。     

多图像同态滤波的 CPU 和 GPU 并行计算磁

采取 CPU 分发图像滤波任务和回收滤波结果、将多个图像数据划分分配给多个 GPU 及其线程块、GPU 调用核函数库对图像进行傅里叶变换和反傅里叶变换的方法,设计实现了 CPU 和 GPU 协同计算的多图像同态滤波并行算法。实验结果表明,给出的多图像同态滤波并行算法高效,与单 GPU 计算的并行算法相比,多 GPU 协同计算的并行算法显著缩短了多个图像同态滤波处理所需的时间。     

基于CUDA的热传导GPU并行算法研究

在热传导算法中,使用传统的CPU串行算法或MPI并行算法处理大批量粒子时,存在执行效率低、处理时间长的问题。而图形处理单元(GPU)具有大数据量并行运算的优势,为此,在统一计算设备架构(CUDA)并行编程环境下,采用CPU和GPU协同合作的模式,提出并实现一个基于CUDA的热传导GPU并行算法。根据GPU硬件配置设定Block和Grid的大小,将粒子划分为若干个block,粒子输入到GPU显卡中并行计算,每一个线程执行一个粒子计算,并将结果传回CPU主存,由CPU计算出每个粒子的平均热流。实验结果表明,与CPU串行算法在时间效率方面进行对比,该算法在粒子数到达16 000时,加速比提高近900倍,并且加速比随着粒子数的增加而加速提高。     

GPU数据库OLAP优化技术研究

GPU数据库近年来在学术界和工业界吸引了大量的关注. 尽管一些原型系统和商业系统(包括开源系统)开发了作为下一代的数据库系统, 但基于GPU的OLAP引擎性能是否真的超过CPU系统仍然存有疑问, 如果能够超越, 那什么样的负载/数据/查询处理模型更加适合, 则需要更深入的研究. 基于GPU的OLAP引擎有两个主要的技术路线: GPU内存处理模式和GPU加速模式. 前者将所有的数据集存储在GPU显存来充分利用GPU的计算性能和高带宽内存性能, 不足之处在于GPU容量有限的显存制约了数据集大小以及稀疏访问模式的数据存储降低GPU显存的存储效率. 后者只在GPU显存中存储部分数据集并通过GPU加速计算密集型负载来支持大数据集, 主要的挑战在于如何为GPU显存选择优化的数据分布和负载分布模型来最小化PCIe传输代价和最大化GPU计算效率. 致力于将两种技术路线集成到OLAP加速引擎中, 研究一个定制化的混合CPU-GPU平台上的OLAP框架OLAP Accelerator, 设计CPU内存计算、GPU内存计算和GPU加速3种OLAP计算模型, 实现GPU平台向量化查询处理技术, 优化显存利用率和查询性能, 探索GPU数据库的不同的技术路线和性能特征. 实验结果显示GPU内存向量化查询处理模型在性能和内存利用率两方面获得最佳性能, 与OmniSciDB和Hyper数据库相比性能达到3.1和4.2倍加速. 基于分区的GPU加速模式仅加速了连接负载来平衡CPU和GPU端的负载, 能够比GPU内存模式支持更大的数据集.     

RSA算法的CUDA高效实现技术

CUDA（Compute Unified Device Architecture）作为一种支持GPU通用计算的新型计算架构,在大规模数据并行计算方面得到了广泛的应用。RSA算法是一种计算密集型的公钥密码算法,给出了基于CUDA的RSA算法并行化高效实现技术,其关键为引入大量独立并发的Montgomery模乘线程,并给出了具体的线程组织、数据存储结构以及基于共享内存的性能优化实现技术。根据RSA算法CUDA实现方法,在某款GPU上测试了RSA算法的运算性能和吞吐率。实验结果表明,与RSA算法的通用CPU实现方式相比,CUDA实现能够实现超过40倍的性能加速。     

基于OpenCL的累积汇流并行计算

大尺度、高分辨率数字地形数据应用需求的增长,给计算密集型的累积汇流等数字地形分析算法带来了新的挑战。针对CPU/GPU(Graphics Processing Unit)异构计算平台的特点,提出了一种基于OpenCL(Open Computing Language)的多流向累积汇流算法的并行化策略,具有更好的平台独立性和可移植性,简化了CPU/GPU异构平台下的并行应用程序设计。累积汇流并行算法包括时空独立型的流量分配和空间依赖型的累积入流两个过程,均定义为OpenCL内核并交由OpenCL设备并行执行,其中累积入流过程借助流量转移矩阵由递归式转换为迭代式来实现并行计算。与基于流量转移矩阵的并行汇流算法相比,尽管基于单元入度矩阵的并行汇流算法可以降低迭代过程中的计算冗余,但需要采用具有较大延迟的原子操作以及需要更多的迭代次数,在有限的GPU计算资源下,两种算法性能差异不明显。实验结果表明,并行累积汇流算法在NVIDIA GeForce GT 650M GPU上获得了较好的加速比,加速性能随格网尺度增加而有所增加,其中流量分配获得了约50～70倍的加速比,累积入流获得了10～20倍的加速比,展示了利用OpenCL在GPU等并行计算设备上进行大规模数字地形分析的潜在优势。     

一种多路快速视频拼接系统设计与实现

针对当前高分辨率的多路视频拼接系统速度慢、实时性能低的问题,提出一种基于CPU和GPU并行架构的多路高清视频拼接算法。该算法在传统基于方向的快速特征点检测和旋转不变的特征描述算法上进行改进,删除针对尺度不变性应用的图像金字塔模块,并使用基于重叠区的局部配准方法,将配准后的图像数据在GPU设备端进行并行融合。在GPU与CPU异步执行的原则上,实现CPU端当前帧图像的配准,与其前帧图像融合,且以并行方式执行。通过显卡端图像数据计算与图像渲染之间的共享缓冲区,完成帧图像的快速渲染。实验结果表明,在4路200万像素的网络相机环境下,该算法实现的全景拼接系统的视频帧率达到17 f/s,可满足大场景的实时性需求。     

基于嵌入式CPU的加解密子系统

针对信息安全等级和应用场合变化时IP级复用的片上系统(SoC)集成验证效率低的问题,提出一种基于嵌入式CPU的加解密子系统。子系统包括RSA,DES,AES等多种加解密模块,通过硬件上的参数配置,构造满足不同信息安全应用和等级的子系统;采用低功耗高性能的嵌入式CPU,作为SoC中主CPU的协处理器,控制各加解密模块的工作,可减少对主CPU的访问,以降低功耗。将经过验证的加解密子系统作为整体集成到SoC中,实现子系统复用,可减少SoC设计和集成工作量,降低SoC验证难度;利用门控时钟技术,根据各加解密模块的工作状态管理时钟,从而降低加解密子系统的功耗。采用CKSoC设计集成方法,在SoC集成工具平台上可快速集成不同配置下的基于嵌入式CPU的加解密子系统。实验结果表明,构造子系统后的SoC设计和验证工作量明显减少,提高了工作效率。     

基于OpenCL的GPU加速三维时域有限差分电磁场仿真算法研究

提出了一种基于开放运算语言（OpenCL）的GPU加速三维时域有限差分（FDTD）电磁场仿真计算的方法．该方法利用图形处理单元（GPU）的并行处理特性并结合OpenCL接口标准实现了时域卷积完全匹配层（CPML）吸收边界条件的三维FDTD的高性能加速计算．首先设置FDTD仿真参数并动态申请内存空间,然后初始化OpenCL的计算参数,对三维电磁模型基于OpenCL进行FDTD加速仿真．本方法显著提升了FDTD电磁场仿真速度,与利用CPU计算相比速度提升可达5-8倍,且具有CPML吸收边界条件,可以模拟电磁波在自由空间的传播;基于OpenCL编译的语言程序可以运行在CPU或GPU硬件上,并可充分发挥多核CPU的并行计算能力,使得FDTD电磁场仿真具有更广泛的实际应用．     

基于CUDA的AES并行算法优化

为提升高级加密标准(AES)的加密性能,利用显卡的通用计算能力,在统一计算设备架构(CUDA)平台上实现AES的128位、192位和256位3个版本的GPU并行算法,并提出优化的AES并行算法。在考虑块内线程数量、共享存储器容量和总块数的基础上,根据分块最优值的经验数据指导AES算法在GPU上的最优分块。实验结果表明,与未优化的AES并行算法相比,该算法的3个版本在Nvidia Geforce G210显卡上的加密速度分别提高5.28%,14.55%和12.53%,而在Nvidia Geforce GTX460显卡上的加密速度分别提高12.48%,15.40%和15.84%,且能更好地对SSL数据进行加密。     

基于GPGPU的生物序列快速比对

在CPU-GPU异构平台下,提出一种高效的生物序列比对方案。该方案利用GPU的并行处理能力,通过对读延迟、写延迟、重组函数及数据传输进行优化,在OpenCL框架下重构Smith-Waterman算法,加快生物序列比对速度。实验结果证明,与CPU上传统的串行算法相比,该算法最高可获得约100倍的性能提升。     

基于OpenCL的MD5破解算法

在基于GPU的异构平台上,采用开放计算语言(OpenCL)实现破解算法,利用分轮生成攻击密码、图形渲染管线加速存取以及多密码并行等方法对算法进行优化,在Intel四核CPU Q8230(2.3 GHz)和一片NVIDIA GT200组成的平台上进行实验。实验结果表明,在相同CPU平台上该算法能够获得高于破解软件John the ripper 17倍的破解速度。     

大数乘法的GPU加速实现

大数乘法是公钥加密中最为核心的计算环节之一,快速实现大数乘法单元也是RSA、ElGamal、全同态等密码体制急需解决的问题之一。目前,基于C 的NTL GMP库函数虽然能在CPU上实现高精度的大数乘法,但其仍不能满足加密对实时性的要求。针对全同态加密应用需求,本文提出了一种基于Sch?nhage-Strassen算法的大数乘法GPU加速方法。通过比较相同实验平台下仅用CPU和GPU CPU异构方法实现的大数乘法运算,验证了本文设计方法的正确性和有效性。实验结果表明,采用本文方法实现的相同大数乘法运算所需的时间比在多核CPU平台实现所需的时间有12倍以上的加速。     

基于GPU的可见光与红外图像融合快速实现

为利用统一计算设备架构（CUDA）强大的并行处理能力实现快速图像融合,提出一种适用于并行运算的图像融合算法,包括高斯滤波、直方图均衡、基于小波变换的图像融合。通过CUDA编程对以上算法进行实现,并将其与对应的CPU程序相比较,实验结果表明,图形处理单元（GPU）执行效率比CPU高出一个数量级,并且随着数据量的增加,GPU的加速比还会增大。