基于国产软硬件的OpenCL计算平台研究

随着智能计算和大数据应用的发展,人们对GPU等加速部件的需求不断增长。基于国产基础软硬件平台运行显控应用做加速计算的需求,研究了OpenCL计算平台的移植和实现途径,就国产软硬件平台进行GPU计算做出了初步探索。研究的计算平台包括Mesa、ROCm、Pocl和Beignet,最后给出了如何将ROCm在国产平台上移植适配的思路和解决方案。     

GROMACS 2020在ROCm平台上的移植与优化

GROMACS是应用广泛的开源分子动力学模拟软件,当前主要通过CUDA使用NVIDIA GPU进行加速计算。ROCm是一个开源的高性能异构计算平台。基于ROCm平台的HIP编程语言,首次实现了GROMACS 2020系列在ROCm平台上的完整移植。在MI50 GPU上,以一个复杂离子液体模拟算例为目标,使用GPU性能分析工具rocprof对移植代码进行了性能分析。针对MI50硬件特性,先后对成键力核函数、静电力的PME核函数和短程非成键力核函数进行了优化,优化后运行目标算例的性能相比初始版本整体上获得了约2.8倍的加速比,在 MI50上的性能高于GROMACS原版OpenCL代码60.5%,相对纯CPU版本有约2.7倍的加速比。在另外2个具有代表性算例的单结点测试以及离子液体算例的多结点扩展性测试中,优化后的代码也达到了较好的性能提升,这表明所采用的优化操作具有一定的通用性。     

基于OpenCL的Lammps短程力算法优化研究

Lammps是用于分子动力学模拟及其相关问题的一款开源软件,可利用其了解固体、液体性质,应用广泛。支持使用CUDA及OpenCL进行GPU加速。因OpenCL具有跨平台特性,将其作为研究重点。总结了OpenCL内核编程中需要注意的设计原则并阐述了一种改进的阿姆达尔定律用于衡量异构平台理论加速性能。测试了Lammps短程力计算在Y485P平台下的性能参数。通过对短程力计算中的关键部分如邻接表的建立及短程力计算部分的内核代码进行优化,使其取得了更好的加速效果。     

基于OpenCL与FPGA异构模式的Sobel算法研究

随着计算机科学技术的迅速发展,嵌入式领域实时图像处理应用越来越广泛,然而传统硬件因为自身架构导致并行化程度不高,针对在视频监控、机器视觉、视频压缩、医疗影像分析等领域需要对图像进行高性能计算的问题,提出一种以OpenCL软件模型和FPGA异构模式的高性能图像处理解决方案,实现了图像显示和OpenCL加速功能,以Sobel边缘检测算法为研究对象,进行了算法并行性分析,并在系统中运用OpenCL加速内核算法,与基本的ARM平台和OpenCL共享内存加速机制相比较,展开性能测试,对加速效果进行了研究。实验数据表明,使用该系统处理不同分辨率的图像,OpenCL加速子系统的处理较基于片上ARM硬核的软件处理,实现相同功能上有100倍左右的性能提升。     

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。     

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．     

量子线路模拟器QuEST在多GPU平台上的性能优化

在当前量子计算的研究中,量子线路模拟器作为重要的研究工具,一直受到研究者们的高度重视.QuEST是一款开源的通用量子线路模拟器,能在单个CPU结点、多个CPU结点和单个GPU等多种测试平台上灵活运行.量子线路模拟固有的并行性使其非常适合在GPU上运行,并能获得较大的性能加速.但是其缺点在于所消耗的内存空间巨大,单个GP...     

基于OpenCL的拉普拉斯图像增强算法优化研究

OpenCL是面向异构计算平台的通用编程框架,然而由于硬件体系结构的差异,如何在平台间功能移植的基础上实现性能移植仍是有待研究的问题。当前已有算法优化研究一般只针对单一硬件平台,它们很难实现在不同平台上的高效运行。在分析了不同GPU平台底层硬件架构的基础上,从Global Memory的访存效率、GPU计算资源的有效利用率及其硬件资源的限制等多个角度考察了不同优化方法在不同GPU硬件平台上对性能的影响;并在此基础上实现了基于OpenCL的拉普拉斯图像增强算法。实验结果表明,优化后的算法在不考虑数据传输时间的前提下,在AMD和NVIDIA GPU上都取得了3.7～136.1倍、平均56.7倍的性能加速,优化后的kernel比NVIDIA NPP库中相应函数也取得了12.3%～346.7%、平均143.1%的性能提升,验证了提出的优化方法的有效性和性能可移植性。     

多核/众核平台上推荐算法的实现与性能评估

用OpenCL语言标准设计并实现了推荐系统领域的两种经典算法:交替最小二乘法(Alternating Least Squares,ALS)与循环坐标下降法(Cyclic Coordinate Descent,CCD)。将其应用到CPU,GPU,MIC多核与众核平台上,探索了在该平台上影响算法性能的因子:潜在特征维数与线程个数。同时,将OpenCL实现的两种算法与CUDA和OpenMP的实现进行比较,得出了一系列结论。在同等条件下,与ALS算法相比,CCD算法的精度更高,收敛速度更快且更稳定,但所耗时间更长。ALS和CCD算法基于OpenCL的实现性能不亚于CUDA(CCD 上加速比为1.03x,ALS上加速比为1.2x)和OpenMP的实现(CCD与ALS上加速比大约为1.6~1.7x),并且两种算法在CPU平台上的性能均比GPU与MIC好。     

基于OpenCL的并行方腔流加速性能分析*

本文提出了一种使用OpenCL技术对方腔流问题进行加速计算的方法。在计算方腔流问题时,本文将其转换为Ｎ-Ｓ方程通过空间有限差分和龙格库塔时间差分求解,并使用局部缓存等技术进行GPU优化。实验在Nvidia和ATI平台对所给算法进行评测。结果显示,OpenCL相对其串行版本加速约30倍左右。     

基于OpenCL的雷达外推算法改进与优化

基于雷达资料的外推是临近预报中重要的方法之一,随着全国气象雷达网络建设规模的不断提高以及观测资料精细化程度的提升,基于区域乃至全国雷达拼图的外推预报,每次计算都需花费大量时间,甚至滞后于每6分钟一次的资料观测频次。为解决传统外推算法运算复杂度高,实时性差的问题,运用OpenCL构建基于GPU的异构计算模型对外推算法进行并行化改进。然后逐步分析影响算法性能的瓶颈,并通过改进和测试数据比对,阐述算法优化的过程。其中,内存与线程的映射优化、合理利用局部存储器作为高速缓存以及隐藏CPU执行时间等方法不仅对本算法的执行效率带来显著提升,也可为其他基于OpenCL异构计算的优化提供参考。以AMD Graphic Core Next和Northern Islands二代GPU架构作为测试平台,并以Intel CPU并行计算作为测试参考,测试结果表明,改进后的算法在硬件同等功耗的情况下,计算性能提升15~22倍。     

一种面向异构计算的结构化并行编程框架

随着人工智能时代的到来,异构计算在深度学习、科学计算等领域发挥着越来越重要的作用。目前异构计算系统在应用上的瓶颈之一在于缺少高效的软件开发框架,已有的OpenCL、CUDA等支持GPU、DSP及FPGA的编程框架基于C/C++语言和传统的并行编程方法,导致软件开发效率较低,软件推理和调试困难,难以灵活处理计算设备之间的协作和调度。提出一种面向异构计算平台的基于脚本语言的结构化并行编程框架,提供结构化的并行编程接口,支持计算任务到异构计算设备的映射,便于并行程序的推理和验证。设计并实现了基于遗传算法的结构化调度算法,充分利用异构计算系统的计算能力,提高了异构计算系统的软件开发效率。实验结果表明,提出的编程框架在CPU+GPU平台上实现了相对于单处理器1.5到2.5倍的加速比。     

面向异构计算的高性能计算算法与软件

研发适应国产异构计算环境的高性能计算算法与软件是非常重要的课题,对我国高性能计算软件研发匹配高性能计算硬件高水平发展的速度具有重要意义.本文首先简要介绍高性能计算应用软件的现状、趋势和面临挑战,并对几类典型高性能计算应用软件开展并行计算算法特征分析,涵盖了宇宙N体模拟、地球系统模式、计算材料相场动力学、分子动力学、量子计算化学和格点量子色力学等多个问题、尺度和领域.其次,我们讨论了面向国产异构计算系统的对策,提炼出若干典型应用算法和软件的共性问题,涉及核心算法、算法发展、优化策略等.最后,本文面向异构计算体系结构对高性能计算算法与软件进行了总结.     

面向异构计算的高性能计算算法与软件

研发适应国产异构计算环境的高性能计算算法与软件是非常重要的课题,对我国高性能计算软件研发匹配高性能计算硬件高水平发展的速度具有重要意义.首先,简要介绍高性能计算应用软件的现状、趋势和面临挑战,并对几类典型高性能计算应用软件开展并行计算算法特征分析,涵盖了宇宙N体模拟、地球系统模式、计算材料相场动力学、分子动力学、量子计算化学和格点量子色力学等多个问题、尺度和领域.其次,讨论了面向国产异构计算系统的对策,提炼出若干典型应用算法和软件的共性问题,涉及核心算法、算法发展、优化策略等.最后,面向异构计算体系结构,对高性能计算算法与软件进行了总结.     

同态加密的硬件卸载及其在隐私保护计算中的应用

同态加密可以满足计算外包、数据共享、数据交易等应用对隐私保护计算的需要,但是同态加密的高计算开销限制了它在实际生产中的应用.本文从硬件卸载的角度解决同态加密的高性能计算问题,基于Intel QAT加速卡实现了一个半同态加密的高性能异步卸载框架QHCS. QHCS通过重构同态加密应用的软件栈来实现高效的异步卸载,并通过引入协程机制、批量加密技术等实现加密性能的最大化.本文同时给出了偏好不同性能指标(吞吐量、延迟)的两种卸载方案.进一步地,在由GPU及QAT组成的异构计算系统中,利用QHCS完整地实现了一个隐私保护的线性回归应用.实验结果表明,QHCS的吞吐量是目前软件实现的110倍,在百万量级的高维数据上实施隐私保护的线性回归计算只需十几分钟,可以较好地满足实际应用的需要.     

面向边缘智能计算的异构并行计算平台综述

边缘智能计算对硬件资源的需求复杂多元,传统计算平台难以为继,异构并行计算平台成为边缘智能算法落地的关键途径之一。以深度学习算法和边缘计算为牵引,对异构并行计算平台展开研究。一方面,阐述了传统计算平台适配实现边缘智能计算的优缺点,指出边缘端应用场景中传统计算平台算力与功耗矛盾突出等局限性,并以指令模型、通讯机制和存储体系三个关键技术为线索梳理技术发展脉络。另一方面,从运算速度、功耗等角度重点对比分析了近年来典型异构平台较新的代表性产品,然后针对不同应用场景和约束条件给出了异构平台的选择建议：优先选择CPU+X组合的异构平台。功耗要求严格约束下的应用建议优先选择CPU+FPGA组合;功能迭代更新快的场景建议优先选择CPU+GPU组合;算法成熟且对实时性和功耗均具有高要求的应用优先选择ASIC计算平台。提出了异构并行计算平台在指令模型统一、通讯机制轻量化、存储体系灵活性以及开发生态完备化四个方面的问题与挑战,期望能为该领域研究人员带来一定的启发。