应用GPU集群加速计算蛋白质分子场

针对生物化学计算中采用量子化学理论计算蛋白质分子场所带来的巨大计算量的问题,搭建起一个GPU集群系统,用来加速计算基于量子化学的蛋白质分子场.该系统采用消息传递并行编程环境(MPI)连接集群各结点,以开放多线程OpenMP编程标准作为多核CPU编程环境,以CUDA语言作为GPU编程环境,提出并实现了集群系统结点中GPU和多核CPU协同计算的并行加速架构优化设计.在保持较高计算精度的前提下,结合MPI,OpenMP和CUDA混合编程模式,大大提高了系统的计算性能,并对不同体系和规模的蛋白质分子场模拟进行了计算分析.与相应的CPU集群、GPU单机和CPU单机计算方法对比,该GPU集群大幅度地提高了高分辨率复杂蛋白质分子场模拟的计算效率,比CPU集群的平均计算加速比提高了7.5倍.     

CUDA、MPI和OpenMP三级混合并行模型的研究

采用CUDA+MPI+OpenMP的三级并行编程模式,实现节点间的粗粒度并行,节点内的细粒度并行以及将GPU作为并行计算设备的CUDA编程模型.这种新的三级并行混合编程模式为SMP机群提供了一种更为高效的并行策略.本文讨论了三级并行编程环境的快速搭建以及多粒度混合并行编程方法,并在多个节点的机群环境中完成测试工作.     

混合并行技术在激光化学反应模拟中的应用

为提高激光化学反应模拟效率,在半经典分子动力学模拟中引入混合并行技术和双层并行思想。基于MPI+OpenMP混合模型设计并实现激光化学反应双层并行模拟算法,上层基于MPI实现节点间的原子分解并行,下层基于OpenMP实现节点内的多线程矩阵并行乘法。在SMP集群中测试表明,模拟大分子体系激光化学反应并行效率可达60%以上。因此,应用混合并行技术可有效提高激光化学反应模拟效率。     

GPU加速分子动力学模拟中的电荷分布计算

在集群与GPU组成的异构并行计算平台上,使用MPI+CUDA混合编程模型,实现基于ABEEMσπ模型的分子动力学模拟中电荷分布的计算.通过对电荷分布分布求解中的计算部分移植到GPU上进行,并针对算法中通信开销大和资源未充分利用的问题,通过异构平台的异步并发方法进行优化,提高了求解效率.性能测试结果表明,相比于单纯MPI并行算法,优化后GPU加速的异构并行算法,在化学大分子模型电荷分布计算上,有着明显的性能优势.     

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。     

异构平台下格子Boltzmann方法实现及性能分析

对CPU+GPU异构平台下的多种并行编程模式进行了研究,并针对格子Boltzmann方法实现了CUDA,MPI+CUDA,MPI+OpenMP+CUDA多级并行算法。结果表明,算法具有较好的加速性能;提出的根据计算量比例参数调节CPU和GPU之间负载均衡的方法,对于在异构平台上实现多级并行处理及资源的有效利用具有一定的参考和应用价值。     

基于四种并行计算模式的自然对数底并行计算方法

通过讨论自然对数底e计算的并行结构,分别实现了Window多线程、OpenMP、MPI和OpenCL四种语言计算e值。其中前三种是基于CPU的并行模式,openCL基于GPU的并行模式。根据数值实验的结果,分析了各种并行计算模式的优缺点。     

多核环境下AREM模式混合并行计算研究

使用多核处理器已成为构建高性能计算机系统的主流方式。结合多核高性能计算机系统集共享内存结构和分布式内存结构于一体的体系结构特点,对AREM模式开展MPI/OpenMP混合并行计算研究与实现。性能测试结果表明,使用MPI/OpenMP混合并行计算可以将并行应用扩展至更大处理机规模,缩短计算时间,不对原程序结构做大的改动、以增量方式和较小的并行化代价,取得比较好的并行计算效果。     

海洋物质输运模拟中并行计算的应用比较研究

为了找到一种更高效的并行计算方法以提高海洋物质输运模拟速度,将适用于分布式存储环境的消息传递接口(message passing interface,MPI)与适用于共享存储环境的开放式多处理(open multiple processing,OpenMP)两种海洋数值模拟领域常用的并行计算技术分别应用于模拟海洋物质输运过程,并在多核心(chip muti-processors)集群系统上进行了对比实验研究.实验结果表明,与串行模拟方法相比MPI和OpenMP分别可以使计算速度提高6倍和4.2倍,在海洋物质输运模拟并行计算中MPI的加速效果明显优于OpenMP.     

基于Docker的MPI和OpenMP混合编程

针对当前搭建集群并行系统复杂且耗时等问题,提出基于Docker搭建并行系统。介绍轻量级虚拟化技术Docker的核心概念和基本架构,并基于Docker技术在Linux平台上搭建集群并行开发环境。简要阐述并行计算的思想,叙述MPI和OpenMP并行计算的基本概念和特点,针对矩阵并行乘法的算法建立MPI和OpenMP的混合编程模型,并给出混合编程模型与MPI并行编程模型以及OpenMP并行编程模型的性能对比,分析出现差异的原因。基于该混合编程模型比较Docker与传统物理机两者搭建的并行系统的并行效率。     

基于OPS的计算流体力学软件多平台自动并行

当前高性能计算机体系结构呈现多样性特征,给并行应用软件开发带来巨大挑战.采用领域特定语言OPS对高阶精度计算流体力学软件HNSC进行面向多平台的并行化,使用OPS API实现了代码的重构,基于OPS前后端自动生成了纯M PI、OpenM P、M PI+OpenM P和M PI+CUDA版本的可执行程序.在一个配有2块Intel Xeon CPU E5-2660 V3 CPU和1块NVIDIA Tesla K80 GPU的服务器上的性能测试表明,基于O PS自动生成的并行代码性能与手工并行代码的性能可比甚至更优,并且O PS自动生成的GPU并行代码相对于其CPU并行代码有明显的性能加速.测试结果说明,使用OPS等领域特定语言进行面向多平台的计算流体力学并行软件开发是一种可行且高效的途径.     

GRAPES动力框架中大规模稀疏线性系统并行求解及优化

赫姆霍兹方程求解是GRAPES数值天气预报系统动力框架中的核心部分,可转换为大规模稀疏线性系统的求解问题,但受限于硬件资源和数据规模,其求解效率成为限制系统计算性能提升的瓶颈。分别通过MPI、MPI+OpenMP、CUDA三种并行方式实现求解大规模稀疏线性方程组的广义共轭余差法,并利用不完全分解LU预处理子（ILU）优化系数矩阵的条件数,加快迭代法收敛。在CPU并行方案中,MPI负责进程间粗粒度并行和通信,OpenMP结合共享内存实现进程内部的细粒度并行,而在GPU并行方案中,CUDA模型采用数据传输、访存合并及共享存储器方面的优化措施。实验结果表明,通过预处理优化减少迭代次数对计算性能提升明显,MPI+OpenMP混合并行优化较MPI并行优化性能提高约35%,CUDA并行优化较MPI+OpenMP混合并行优化性能提高约50%,优化性能最佳。     

Hybrid CUDA, OpenMP, and MPI parallel programming on multicore GPU clusters

Nowadays, NVIDIA's CUDA is a general purpose scalable parallel programming model for writing highly parallel applications. It provides several key abstractions – a hierarchy of thread blocks, shared memory, and barrier synchronization. This model has proven quite successful at programming multithreaded many core GPUs and scales transparently to hundreds of cores: scientists throughout industry and academia are already using CUDA to achieve dramatic speedups on production and research codes. In this paper, we propose a parallel programming approach using hybrid CUDA OpenMP, and MPI programming, which partition loop iterations according to the number of C1060 GPU nodes in a GPU cluster which consists of one C1060 and one S1070. Loop iterations assigned to one MPI process are processed in parallel by CUDA run by the processor cores in the same computational node.     

Visual exploration of data by using multidimensional scaling on multicore CPU,GPU, and MPI cluster

Visual and interactive data exploration requires fast and reliable tools for embedding of an original data space in 3(2)‐dimensional Euclidean space. Multidimensional scaling (MDS) is a good candidate. However, owing to at least O(M²) memory and time complexity, MDS is computationally demanding for interactive visualization of data sets consisting of order of 10⁴ objects on computer systems, ranging from PC with multicore CPU processor, graphics processing unit (GPU) board to midrange MPI clusters. To explore interactively data sets of that size, we have developed novel efficient parallel algorithms for MDS mapping based on virtual particle dynamics. We demonstrate that the performance of our MDS algorithms implemented in compute unified device architecture environment on a PC equipped with a modern GPU board (Tesla M2090, GeForce GTX 480) is considerably faster than its MPI/OpenMP parallel implementation on the modern midrange professional cluster (10 nodes, each equipped with 2x Intel Xeon X5670 CPUs). We also show that the hybridized two‐level MPI/CUDA implementation, run on a cluster of GPU nodes, can additionally provide a linear speedup. Copyright 2013 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于SMP集群的多层次并行编程模型与并行优化技术*

详细描述了适用于SMP集群这种多层次并行体系结构的混合并行编程模型MPI／OpenMP,它提供了实现SMP节点间和节点内多层次并行的机制。在此基础上结合实用的性能评价方法,分别介绍了MPI,OpenMP和单处理器三个层次上的一些常用和有效的并行优化技术,并指出单处理器性能优化是提高并行程序性能一个不容忽视的问题。     

异构集群上的宏基因组聚类优化

宏基因组基因聚类是筛选致病基因的新型方法,其依赖于海量的测序数据、有效的聚类算法以及高效的计算机来实现。相关系数矩阵的计算是进行聚类前必须完成的操作,占总计算量的比重较大。以某基因库为例,包含1300个样本、每样本百万基因的数据,单线程运行需要27年。充分发挥多核CPU的潜力,利用GPU加速卡强大的计算能力,将程序扩展到多节点集群上运行,是重要而迫切的工作。在仔细分析算法的基础上,首先针对单CPU节点和单GPU卡做了高效实现,获得了接近理想的加速比;然后利用缓存优化进一步提升性能;最后使用负载均衡方法在MPI线程间分发计算任务,实现了良好的扩展。相比未优化的单线程程序,16节点CPU获得了238.8倍的加速,6 块GPU卡获得了263.8倍的加速。     

大规模结构有限元分析程序在多核集群计算环境中的性能分析和优化

通过对基于MPI编程模型实现的开源有限元计算分析软件在多核集群计算平台中的程序性能的分析,找出程序瓶颈及其原因,实现了基于MPI编程模型的并行程序在多核计算环境中的性能优化。根据程序性能瓶颈的分析,提出了基于MPI/OpenMP混合并行编程模型的大规模线性/非线性方程组求解和多线程多进程同时进行消息通信的两种程序性能优化方案。不同计算规模的实验结果表明,在多核集群计算平台中,MPI/OpenMP混合编程模型实现的大规模非线性方程组求解器相对于单纯基于MPI编程模型实现的并行程序,其性能有2倍到3倍的提升;多线程多进程同时消息传递的优化方案虽然对程序能够起到性能优化作用,但是对解决程序消息通信瓶颈的问题不是最好的方法。两个方案总体性能分析结果表明,基于MPI/OpenMP混合编程模型实现的并行程序,在多核集群计算平台中能够更好地发挥硬件系统的计算能力。