与体系结构匹配的多级可重构任务划分方法

异构系统是高性能计算发展的主要模式,云计算是异构计算的典型实例。其优势在于异构处理器能各尽其能,但在实际应用中异构系统的性能往往不能充分发挥,因为处理器特征与应用程序特征不匹配,造成系统效率低下。因此借助重构思想,提出与体系结构结合的多级可重构任务划分方法。定义了多级可重构的概念,分析了异构匹配的原理,给出异构特征分析过程,提出了基于异构特征匹配的多级可重构任务划分方法。最后通过仿真实验说明,与体系结构匹配的划分方法适合当前的异构系统。     

可重构异构系统结构研究

可重构异构系统是由通用微处理器、可重构模块、专用ASIC、IO接口等资源构成的异构并行处理系统,文中提出的可重构异构系统结构融合了不同的计算资源,使系统中的某些资源能够很大限度地满足某种应用的模式和处理要求.系统中可重构模块的硬件功能可以通过在线重构技术加以改变,各模块之间的互连关系可通过重构互连控制器调节和仲裁.这种可变性使计算系统能适应更大范围的应用需求,向一体化和高性能的方向发展.     

相似驱动的细粒度并行任务重构算法

异构计算是高性能计算技术的发展趋势,计算任务与体系结构匹配成为异构计算亟待解决的问题.重构技术为实现两者匹配带来了契机,要么任务重构适应体系结构,要么体系结构重构适应任务.提出基于相似驱动的并行任务重构算法以实现异构计算匹配.通过给出任务和系统匹配度量机制定义了图重构操作和图重构基本问题.根据问题给出细粒度重构算法,该算法主要有3个过程:任务图节点对融合、节点和边重构及重构精化过程.用格林威治大学典型实例图作为并行任务及典型体系结构测试了该算法.实验表明它在给定的误差范围内能保证计算任务和体系结构匹配.     

可重构资源管理及硬件任务布局的算法研究

可重构系统具有微处理器的灵活性和接近于ASIC的计算速度,可重构硬件的动态部分重构能力能够实现计算和重构操作的重叠,使系统能够动态地改变运行任务,可重构资源管理和硬件任务布局方法是提高可重构系统性能的关键.提出了基于任务上边界计算最大空闲矩形的算法(TT-KAMER),能够有效地管理系统的空闲可重构资源;在此基础上使用FF和启发式BF算法进行硬件任务的布局.实验表明,算法能够有效地实现在线资源分配与任务布局,获得较高的资源利用率.     

S-Bridge:性能非对称多核处理器下负载均衡代理机制

近年来,在移动计算环境中,异构多核处理器已经逐渐成为主流.与传统同构的处理器设计相比,此类异构多核处理器以更低的功耗成本满足设备的计算需求.但是异构环境下CPU核之间的微架构差异,也为操作系统中的一些基本方法提出了新的挑战.面向性能非对称异构多核环境下调度的负载均衡问题,从系统层面提出了一种负载均衡机制S-Bridge,可以减少处理器微架构差异以及任务执行需求差异对传统负载均衡带来的影响.S-Bridge的主要贡献是从系统层提供了通用的、适配异构性的负载均衡相关接口,使任意调度器都能方便地与异构多核处理器系统进行适配.基于CFS和HMP调度器在ARM平台上进行实验,同时在X86平台上进行S-Bridge通用性的验证,结果表明：S-Bridge可以支持不同真实平台和内核版本的快速实现,平均性能提升超过15%,部分情况下可达65%.     

SM4国密算法的异构可重构计算系统研究

随着互联网的数据量呈爆炸式增长,以纯软件方式运行的SM4算法速度慢、CPU占用率高,而基于Verilog/VHDL实现的现场可编程门阵列或专用集成电路存在灵活性差、升级维护困难等问题。为了解决上述问题,提出了一种SM4国密算法的异构可重构计算系统的设计方案,采用高层次综合和异构可重构技术,通过优化数据内存分配与传输、优化循环、矢量化内核以及增加计算单元等方式,设计了SM4算法电子密码本模式和计数器模式的定制计算架构,并将该系统部署在FPGA异构平台。实验结果表明：SM4-ECB和SM4-CTR两种主流工作模式的定制计算架构在Intel Stratix 10 GX2800上,吞吐率分别达到109.48 Gbps和63.73 Gbps,是Intel Xeon E5-2650 V2 CPU上对应模式吞吐率的232.63倍和141.62倍。以此核心模块(包含数据输入、加解密、输出)的整体异构可重构计算系统的性能也分别达到了纯软件方式的4.90倍和3.56倍。该方案不仅实现了针对特定模式进行定制加速,而且可以通过硬件重构灵活支持不同的计算模式,兼顾了系统的灵活性和高效性。     

支持动态可重构硬件透明编程的预配置调度

面向微处理器和可编程器件加速器的混合异构多核体系结构的可重构计算环境,采用程序员熟悉的函数描述格式,在运行时根据软硬件划分的结果,动态实现到软件函数实体代码或者硬件函数实现电路的连接。为降低重配置开销,提高系统性能,统计了各个硬件函数的调用次数和次序,并结合其运行时间和硬件面积等信息,设计了一种预配置算法,尽量使配置和计算能够重叠处理,从而缩短系统的整体运行时间,获得更大性能加速。     

异构GPU集群的任务调度方法研究及实现

GPU集群已经成为高性能计算的重要方式,特别对于计算密集型应用,具有成本低、性能高、功耗小的优势.为了解决GPU集群系统运行中的任务负载均衡问题,文中提出了一种面向计算密集型应用的异构GPU集群调度方法,该方法可以自动发现计算节点,并动态估计计算节点的计算能力,并根据计算能力、任务的计算强度和优先级在异构GPU集群上合理分配计算资源.同时,该系统还具有容错能力,能够处理计算节点的意外退出,可恢复意外退出计算节点的计算任务,并动态适应系统的计算规模.通过实验表明,文中采用的策略达到了预期目的     

基于匹配策略的安全协议重构分析

可重构安全协议对提高安全系统的灵活性和适应能力具有重要意义,它可根据具体上下文环境进行配置、移植,极大增强了系统的安全性,目前基于软件构件的协议重构方法无法满足安全协议对安全性和计算性的特殊要求.针对安全协议的安全性和高密度计算特性,提出了一种针对现有资源选择重构元的解决方法,给出协议可重构元匹配和基于QoS的重构元质量满意度的协议重构选择算法,使系统可以尽快按照重构协议需求选择满意的可重构元.通过实例说明该方法的执行过程,应用结果表明该方法能够有效提高重构效率和重构准确度.     

一种异构可重构片上系统的实时任务调度算法

动态可重构系统中为新到达的任务实时地安排任务启动时间和放置位置是硬件任务调度算法的关键.硬件任务的调度在很大程度上影响可重构计算系统的性能.提出了一种基于二维资源模型的分组-邻接边在线调度算法,该算法将硬件任务按照长宽比分为垂直任务和水平任务两组分别考虑在可重构资源上的放置位置,同时引入任务邻接边数作为选择合理放置位置的重要指标,可使得硬件任务放置更为紧凑,减少资源碎片,提高调度成功率.对两种硬件任务放置策略进行了对比,结果表明尽可能旱的安排任务启动有利于提升高负载情况下的调度成功率.仿真实验表明,与已有算法相比,该算法具有更高的任条接受率,而运行时开销没有显著增加.     

异构计算中的时间和能耗优化执行方法

计算环境的异构性以及应用任务的复杂多样性导致异构计算的必要性。异构计算的目的是重视并行处理系 统和计算任务的差异,寻求系统和任务的有效匹配,从而获得并行任务在系统上执行的最佳效果。当前,异构计算中 的时间优化执行方法较成熟,但同时将时间和能耗联合起来作为异构计算优化执行目标方面的研究很少。以高性能 计算和绿色计算为总目标,针对异构计算环境中并行任务分配调度执行问题,提出了异构任务模型、异构计算速率矩 阵、异构计算功率矩阵,利用能耗时间归一思想,给出并行任务在异构处理机上时间与能耗启发式优化执行算法,并通 过实例分析证实算法的可行性和有效性。     

Configuration Reusing in On-Line Task Scheduling for Reconfigurable Computing Systems

Reconfigurable computing systems can be reconfigured at runtime and support partial reconfigurability which makes us able to execute tasks in a true multitasking manner.To manage such systems at runtime,a reconfigurable operating system is needed.The main part of this operating system is resource management unit which performs on-line scheduling and placement of hardware tasks at runtime.Reconfiguration overhead is an important obstacle that limits the performance of on-line scheduling algorithms in reconfigurable computing systems and increases the overall execution time.Configuration reusing (task reusing) can decrease reconfiguration overhead considerably,particularly in periodic applications or the applications in which the probability of tasks recurrence is high.In this paper,we present a technique called reusing-based scheduling (RBS),for on-line scheduling and placement in which configuration reusing is considered as a main characteristic in order to reduce reconfiguration overhead and decrease total execution time of the tasks.Several experiments have been conducted on the proposed algorithm.Obtained results show considerable improvement in overall execution time of the tasks.     

一种基于综合匹配度的边缘计算系统任务调度方法

边缘计算模式满足数据的实时和低功耗处理需求,是缓解当前网络数据洪流实时处理问题的有效方法之一.但边缘设备资源的异构与多样性给任务的调度与迁移带来极大的困难与挑战.目前,边缘计算任务调度研究主要集中在调度算法的设计与仿真,这些算法和模型通常忽略了边缘设备的异构性和边缘任务的多样性,不能使多样化的边缘任务与异构的资源能力深...     

分布异构工作站上的任务调度算法

讨论了在一个由高速局域网连接的高性能异构工作站平台上，如何有效地利用空闲工作站来求解计算密集型任务矩阵相乘的问题，为了获得较好的并行计算性能，文中给出了一个异构工作站群之间任务调度的模型和算法，算法中考虑了并行计算中协作任务间的通信时间、数据加栽时间、结果收集时间和各个异构工作站的任务计算时间，通过这个模型，可以在所有可利用的工作站集合中找出最适合的子集，获得最短的执行时间．     

Dynamic scheduling techniques for heterogeneous computing systems

There has been a recent increase of interest in heterogeneous computing systems, due partly to the fact that a single parallel architecture may not be adequate for exploiting all of a program's available parallelism. In some cases, heterogeneous systems have been shown to produce higher performance for lower cost than a single large machine. However, there has been only limited work on developing techniques and frameworks for partitioning and scheduling applications across the components of a heterogeneous system. In this paper we propose a general model for describing and evaluating heterogeneous systems that considers the degree of uniformity in the processing elements and the communication channels as a measure of the heterogeneity in the system. We also propose a class of dynamic scheduling algorithms for a heterogeneous computing system interconnected with an arbitrary communication network. These algorithms execute a novel optimization technique to dynamically compute schedules based on the potentially non-uniform computation and communication costs on the processors of a heterogeneous system. A unique aspect of these algorithms is that they easily adapt to different task granularities, to dynamically varying processor and system loads, and to systems with varying degrees of heterogeneity. Our simulations are designed to facilitate the evaluation of different scheduling algorithms under varying degrees of heterogeneity. The results show improved performance for our algorithms compared to the performance resulting from existing scheduling techniques.     

可重构系统中的实时任务在线调度与放置算法

有效的任务调度与放置是发挥可重构计算性能优势的重要因素.针对实时任务在二维可重构器件上的在线调度问题,定义了调度算法完全识别的概念,即算法不会拒绝能够成功调度的任务.提出了新的实时在线调度与放置算法,充分利用了任务的时间信息,实现了完全识别的调度.实验表明,与已有的算法相比,新算法显著地改善了调度效果,而运行开销没有明显增加.     

计算网格中基于时间均衡的并行粗粒度任务调度算法

考虑网格资源异构、自治、动态等特性,讨论本地用户具有强占优先权情况下的任务调度问题,提出了TBBS(Time-Balancing Based Scheduling Algorithm)算法.建立调度优化模型,以期望完成时间最小为目标选择执行任务的最佳资源组合.以时间均衡策略将任务分解并调度到资源上执行,减少了子任务同步时因等待而产生的延时,获得较好的并行计算性能.采用重复调度策略,适应计算网格中资源的特性.     

云计算中相似驱动的并行任务划分方法

云计算是并行计算、分布式计算和网格计算等高性能计算的进一步发展,它的异构性、按需等特征对高性能计算提出了新的挑战。针对云计算的典型特征,提出了基于并行任务和云环境相似驱动的任务划分方法。首先用图刻画了并行任务和云环境,建立了图的相似关系及其相似度计算方法;其次给出云计算中拟解决的问题,通过图局部相似和全局相似度偏差最小来实现并行任务和体系结构的异构匹配及按需要求;接着利用F度标号方法给出相似驱动的任务划分算法;最后通过实验和其他划分方法进行比较,阐明了该方法的优点。     

采用预配置策略的可重构混合任务调度算法

在对可重构硬件资源进行抽象的基础上,采用软硬件混合任务有向无环图来描述应用,提出一种基于列表的混合任务调度算法.该算法通过任务计算就绪顺序及可重构资源状态确定硬件任务的动态预配置优先级,按此优先级进行硬件任务预配置,隐藏硬件任务的配置时间,从而获得硬件任务运算加速.实验结果表明,针对可重构系统中的软硬件混合任务调度,能够有效地降低配置时间对应用执行时间的影响.     

异构HPL算法中CPU端高性能BLAS库优化

异构HPL（High-performance Linpack）效率的提高需要充分发挥加速部件和通用CPU计算能力,加速部件集成了更多的计算核心,负责主要的计算,通用CPU负责任务调度的同时也参与计算.在合理划分任务,平衡负载的前提下,优化CPU端计算性能对整体效率的提升尤为重要.针对具体平台体系结构特点对BLAS（Basic linear Algebra Subprograms）函数进行优化往往可以更加充分的利用通用CPU计算能力,提高系统整体效率.BLIS（BLAS-like Library Instantiation Software）算法库是开源的BLAS函数框架,具有易开发、易移植和模块化等优点.本文基于异构系统平台体系结构以及HPL算法特点,充分利用三级缓存、向量化指令和多线程并行等技术手段优化CPU端调用的各级BLAS函数,应用auto-tuning技术优化矩阵分块参数,从而形成了HygonBLIS算法库,与MKL相比,异构环境下HPL整体性能提高了11.8%.