基于GPU的大规模拓扑优化问题并行计算方法

针对进行大规模拓扑优化问题计算量庞大且计算效率低的问题,设计并实现了一种基于图形处理器(GPU)的并行拓扑优化方法.采用双向渐进结构拓扑优化(BESO)为基础优化算法,采用一种基于节点计算的共轭梯度求解方法用于有限元方程组求解.通过对原串行算法的研究,并结合GPU的计算特点,实现了迭代过程全流程的并行计算.上述方法的程序设计和编写采用统一计算架构(CUDA),提出了基于单元和基于节点的两种并行策略.编写程序时充分使用CUDA自带的各种数学运算库,保证了程序的稳定性和易用性.数值算例证明,并行计算方法稳定并且高效,在优化结果一致的前提下,采用GTX580显卡可以取得巨大的计算加速比.     

基于CUDA的快速图像压缩

为了进一步提高JPEG编码效率,对JPEG压缩算法进行研究,分析得出JPEG核心步骤可以并行化处理.因此,实现平台宜采用以并行计算为优势的GPU,而不是以串行计算为主的CPU.NVIDIA新推出的CUDA(计算统一设备架构)为此实现提供了软硬件环境.CUDA是基于GPU进行通用计算的开发平台,非常适合大规模的并行数据计算.在GPU流处理器架构下用CUDA技术实现编码并行化,并针对流处理器架构特点进行内存读写等方面的优化,提高了JPEG编码的速度.实验结果表明了CUDA技术在并行处理方面的优越性,JPEG编码效率得到了极大提高.     

基于图形处理器的可变形部件模型算法的并行化

目前目标识别领域,在人体检测中精确度最高的算法就是可变形部件模型(DPM)算法,针对DPM算法计算量大的缺点,提出了一种基于图形处理器(GPU)的并行化解决方法.采用GPU编程模型OpenCL,对DPM算法的整个算法的实现细节采用了并行化的思想进行重新设计实现,优化算法实现的内存模型和线程分配.通过对OpenCV库和采用GPU重新实现的程序进行对比,在保证了检测效果的前提下,使得算法的执行效率有了近8倍的提高.     

基于CUDA的位并行近似串匹配算法

为满足文本检索、计算生物学等领域海量数据匹配对高性能计算的要求,提出一种基于计算统一设备架构(CUDA)的位并行近似串匹配算法。结合图形处理器(GPU)的高并行计算结构及存储带宽特性,通过优化数据存储方式,实现并行化动态规划矩阵算法(BPM)的加速,并对加速性能进行对比测试。实验结果表明,BPM算法通过GPU加速能获得20倍左右的加速比。     

一种单GPU程序向多GPU移植的模板化技术

图形处理器(GPU)作为一种高度并行化的处理器架构,已得到越来越多的重视,目前已诞生了以NVIDIA CUDA为代表的各种GPU通用计算技术,同时多GPU并行计算也已有了实际的应用.多GPU并行计算涉及GPU与CPU两者之间的协调和交互,对程序员有着更高的要求.为此,提出一种基于模板的源代码生成技术,通过模板转化来支持单GPU程序的并行化移植.最后通过一个实例表明使用提出的CUDA源代码移植框架能够自动生成与手写程序等价的代码,可以显著降低多GPU下CUDA程序的开发代价,提高CUDA应用程序员的生产效率.     

多核CPU和GPU加速分子动力学模拟

在多核中央处理器(CPU)—图形处理器(GPU)异构并行体系结构上,采用OpenMP和计算统一设备架构(CUDA)编程实现了基于AMBER力场的蛋白质分子动力学模拟程序。通过合理地将程序划分为CPU单线程、CPU多线程和GPU多线程执行部分,高效地利用了计算机的处理能力。性能测试结果表明,相对于优化后的CPU串行计算,多核CPU-GPU异构并行计算模型有强大的性能优势,特别是将占整个程序执行时间90%的作用力的计算移植到GPU上执行,获得了最高可达12倍的计算加速比。     

动态模式识别算法的GPU平台实现

研究动态模式识别算法在GPU并行计算平台的实现。随着GPGPU(通用计算图形处理器)硬件的发展,基于GPU的大规模并行计算技术将有效地处理动态模式识别算法带来的海量计算问题。文中通过介绍动态模式识别算法,对算法中涉及的巨大计算量进行分析,并针对性地对其中密集计算部分进行并行化分解,移除原算法中在执行中存在的依赖关系,最终得到算法在特定的GPU平台———Jacket上的并行计算实现。实例验证表明,相比于原CPU串行程序,在GPU上运行的并行化程序能实现明显加速,因而具有很好的工程应用价值。     

基于GPU的GRAPES数值预报系统中RRTM模块的并行化研究

GRAPES(Global and Regional Assimilation and Prediction System)是由中国气象科学研究院自主研究开发的中国新一代数值天气预报系统,由于其处理的数据量非常庞大以及对实时性的要求较高,因此一直是并行计算领域研究的热点。首次运用GPU(图形处理器)通用计算及CUDA技术对CRAPES_Meso。模式中物理过程的RRTM(快速辐射传输模式)长波辐射模块进行并行化处理。在性能分析的基础上,针对GPU体系结构的特点,从代码优化、存储器优化、编译选项等方面对程序性能进行优化,并取得了14X倍的加速比。经过测试表明,长波辐射RRTM模块在GPU上并行计算过程正确、稳定而且有效,并为GRAPES系统未来在GPU平台上的并行化发展奠定了一定的基础。     

海量数据流的提升小波变换并行算法研究

提升小波变换算法在图像去噪中有广泛的应用,但是对于海量数据流该算法计算速度缓慢无法达到实时性.为了提高计算速度,提出一种基于图形处理器(GPU)的并行计算策略,把传统提升小波变换算法映射到CUDA编程模型,利用具有大规模并行计算特征的GPU作为计算设备,结合GPU存储器的优势实现了基于滑动窗口的提升小波变换并行算法.实验的测试结果表明,在现有的实验条件下,随着图像的增加,提升小波变换并行算法可以把计算速度提高50倍,效率提高明显.本文提出的方法也可以用其他图像处理算法的并行化.     

基于CUDA的并行粒子群优化算法的设计与实现

针对处理大量数据和求解大规模复杂问题时粒子群优化(PSO)算法计算时间过长的问题, 进行了在显卡(GPU)上实现细粒度并行粒子群算法的研究。通过对传统PSO算法的分析, 结合目前被广泛使用的基于GPU的并行计算技术, 设计实现了一种并行PSO方法。本方法的执行基于统一计算架构（CUDA）, 使用大量的GPU线程并行处理各个粒子的搜索过程来加速整个粒子群的收敛速度。程序充分使用CUDA自带的各种数学计算库, 从而保证了程序的稳定性和易写性。通过对多个基准优化测试函数的求解证明, 相对于基于CPU的串行计算方法, 在求解收敛性一致的前提下, 基于CUDA架构的并行PSO求解方法可以取得高达90倍的计算加速比。     

CUDA架构下H.264快速去块滤波算法

针对H.264/AVC视频编码标准中去块滤波器运算复杂度高、耗时巨大这一难题,提出了一种基于NVIDIA计算统一设备架构（CUDA）平台的H.264并行快速去块滤波算法,介绍了CUDA平台硬件结构特点与软件开发流程,根据图形处理器（GPU）的并发结构特点,对BS判定与滤波计算进行了并行优化,降低了算法复杂度,利用共享内存提高了数据访问速率,实现了去块滤波器的并行处理。实验结果表明,在图像质量基本不变的情况下,GPU算法能够明显提高运算速度,平均加速比在20倍左右,取得了良好的效果。     

基于GPU的遥感图像配准并行程序设计与存储优化

遥感图像配准是遥感图像应用的一个重要处理步骤.随着遥感图像数据规模与遥感图像配准算法计算复杂度的增大,遥感图像配准面临着处理速度的挑战.最近几年,GPU计算能力得到极大提升,面向通用计算领域得到了快速发展.结合GPU面向通用计算领域的优势与遥感图像配准面临的处理速度问题,研究了GPU加速处理遥感图像配准的算法.选取计算量大计算精度高的基于互信息小波分解配准算法进行GPU并行设计,提出了GPU并行设计模型;同时选取GPU程序常用面向存储级的优化策略应用于遥感图像配准GPU程序,并利用CUDA(compute unified device architecture)编程语言在nVIDIA Tesla M2050GPU上进行了实验.实验结果表明,提出的并行设计模型与面向存储级的优化策略能够很好地适用于遥感图像配准领域,最大加速比达到了19.9倍.研究表明GPU通用计算技术在遥感图像处理领域具有广阔的应用前景.     

一种适应GPU的混合OLAP查询处理模型

通用GPU因其强大的并行计算能力成为新兴的高性能计算平台,并逐渐成为近年来学术界在高性能数据库实现技术领域的研究热点.但当前GPU数据库领域的研究沿袭的是ROLAP(relational OLAP)多维分析模型,研究主要集中在关系操作符在GPU平台上的算法实现和性能优化技术,以哈希连接的GPU并行算法研究为中心.GPU拥有数千个并行计算单元,但其逻辑控制单元较少,相对于CPU具有更强的并行计算能力,但逻辑控制和复杂内存管理能力较弱,因此并不适合需要复杂数据结构和复杂内存管理机制的内存数据库查询处理算法直接移植到GPU平台.提出了面向GPU向量计算特性的混合OLAP多维分析模型semi-MOLAP,将MOLAP(multidimensionalOLAP)模型的直接数组访问和计算特性与ROLAP模型的存储效率结合在一起,实现了一个基于完全数组结构的GPU semi-MOLAP多维分析模型,简化了GPU数据管理,降低了GPU semi-MOLAP算法复杂度,提高了GPU semi-MOLAP算法的代码执行率.同时,基于GPU和CPU计算的特点,将semi-MOLAP操作符拆分为CPU和GPU平台的协同计算,提高了CPU和GPU的利用率以及OLAP的查询整体性能.     

基于GPU的交叉相关外推并行化算法

为克服交叉相关外推算法时间复杂度高、运算时间过长的缺点,提出一种基于GPU的快速并行化算法,应用于地闪落点的外推预测。首先分析串行的算法流程,然后对算法进行并行化分析设计,再针对AMD系列GPU硬件架构特点,运用OpenCL技术从主存与设备内存之间的数据传输、显存访问模式等方面对算法进一步优化。最后将地闪监测实况数据与本算法外推计算结果进行比对,分析不同精度下串行与并行算法的计算效率。实验结果表明,该算法充分利用GPU强大的并行计算能力,计算速度提高了近17倍。     

面向众核GPU加速系统的网络编码并行化及优化

网络编码允许网络节点在数据存储转发的基础上参与数据处理,已成为提高网络吞吐量、均衡网络负载和提高网络带宽利用率的有效方法,但是网络编码的计算复杂性严重影响了系统性能。基于众核GPU加速的系统可以充分利用众核GPU强大的计算能力和有效利用GPU的存储层次结构来优化加速网络编码。基于CUDA架构提出了以片段并行的技术来加速网络编码和基于纹理Cache的并行解码方法。利用提出的方法实现了线性随机编码,同时结合体系结构对其进行优化。实验结果显示,基于众核GPU的网络编码并行化技术是行之有效的,系统性能提升显著。     

基于CUDA的汇流分析并行算法的研究与实现*

针对基于数字高程模型（DEM）生成流域等流时线的快速运算问题,提出了一种基于统一设备计算架构（CUDA）平台同时可发挥图形处理器（GPU）并行运算特性的汇流分析的快速并行算法。采用改进后的归并排序算法进行数据排序及新的内存分配策略和改进的并行算法进行汇流分析。用该并行算法和CPU上的串行算法, 对生成基于DEM的等流时线运算时间和矩阵乘法运算时间进行分析验证。实验结果表明,基于CUDA的汇流分析并行算法能提高系统的计算效率,具有较好的效果。     

CUDA架构下的三维弹性静力学边界元并行计算

针对传统边界元法计算量大、计算效率低的问题,以三维弹性静力学的边界元法为对象,将基于CUDA的GPU并行计算应用到其边界元计算中,提出了基于CUDA架构的GPU并行算法.该算法首先对不同类型的边界元系数积分进行并行性分析,描述了相关的GPU并行算法,然后阐述了边界元方程组的求解方法及其并行策略.实验结果表明,文中算法较传统算法具有显著的加速效果.     

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CUDA的泥石流模拟计算研究

针对泥石流仿真过程中海量数据计算问题,采用CUDA技术即结合CPU与GPU的优点研究了一种协同计算方法以提高数据计算效率和仿真性能。同时,搭建了基于GPU的泥石流仿真计算平台,对优化的CUDA并行计算方法进行验证。实验结果表明,该方法对海量数据的计算具有快速准确、低成本、低功耗的特点,能为灾害预测提供及时准确的决策支持,满足了高密集型计算的需求。     

Development of parallel explicit finite element sheet forming simulation system based on GPU architecture

Sheet forming simulation is very important for vehicle body design. Due to the increase of complexity and scale of the CAE model, a tradeoff between the accuracy and efficiency become the bottleneck for application. Therefore, a parallel explicit finite element (FE) based on graphics processing unit (GPU) architecture for sheet forming is developed. Implementation details with computer unified device architecture (CUDA) are considered in this work. A pre-index strategy is suggested for parallelization of nodal force assembling. Parallel reduction method is introduced to calculation of the global time step. To ensure the reliability and accuracy of the GPU-based program, double precision floating and intrinsic functions are implemented for the explicit FE computing. The simulation results based on a commercial NVIDIA GTX285 device can obtain about 27X speedup than on a Intel Q8200 CPU, which demonstrates the efficiency of the parallel sheet forming simulation system.