面向CPU+GPU异构计算的多目标测试用例优先排序

测试用例优先排序是一种基于整个测试用例集以寻找最优测试用例执行序列的软件回归测试技术.由于其能够尽早地发现错误,同时应用灵活度高、不会漏掉重要测试用例等,在实际软件测试过程中可以有效提高测试效率.多目标测试用例优化排序是寻找同时覆盖多个测试准则的用例执行序列,通常采用演化算法优化求解,但执行时间较长,严重影响了在实际软件测试中的应用.采用先进的GPU图形卡通用并行计算技术,提出了面向CPU+GPU异构计算下的多目标测试用例优先排序技术,在NSGA-II算法中,实现了基于序列编码的适应度函数计算和交叉操作的GPU并行计算,在近6万行有效代码的工业界开源程序上实现了30倍的计算效率提升.同时,实验验证了不同并行策略的计算加速比,提出了切实可行的CPU+GPU异构计算模式,并提供了相应的原形工具.     

面向异构计算平台的列数据库调度方法研究与实现

由多核CPU和GPU构成的异构计算平台已经成为当前高性能计算的重要发展方向。为了有效提升列数据 库的查询性能,充分利用异构计算平台的计算资源,在一套已定义的列数据库原语集合的基础上,提出了一套原语调 度方法。该方法包括原语执行机制、基于动态规划的CPU原语调度方法和基于〔}PU显存管理机制的GPU原语调度 方法。这使得系统可合理利用多核CPU计算资源,有效利用GPU显存中数据的局部性,以提升整体性能。对"I'PG H基准程序中几个典型查询进行了测试,结果表示,CPU原语调度方法使查询更稳定,GPU原语调度方法使查询更 快。同时通过实验发现了此异构计算平台下的列数据库调度方法存在的不足,这为后续工作指明了改进方向。     

基于OpenCL的点云分割方法

点云分割是逆向工程中模型重建的关键技术之一,然而在求取点云特征时非常耗时,通过OpenCL异构计算对其进行性能加速有着重要的现实意义。以散乱无序的点云为研究对象,通过OpenCL对点云分割算法加以改进。算法主要分为并行计算点云数据的特征值,并行计算点云数据的法向量和曲率3个步骤。在计算中,根据GPU的并行结构和硬件特点,优化了数据存储结构,提高了数据访问效率,降低了算法复杂度。实验结果表明,算法充分利用了OpenCL的并行处理能力,运行效率是基于CPU实现的16倍。     

OpenCL计算软件栈评估

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.计算软件栈比如CUDA、OpenCL软件栈是能充分发挥GPU硬件性能的关键.考虑计算软件栈未来在国产基础软硬件平台(比如飞腾CPU和麒麟操作系统)上的可移植性和适配性,重点研究OpenCL开源计算软件栈.测试分析OpenCL应用在不同平台上的表现,评估应用在不同OpenCL软件栈上(比如Mesa、ROCm等)进行GPU计算的表现,评估软件栈中驱动、内核等对GPU计算的影响,并且整个测试涵盖了编译、数据传输和内核执行等OpenCL计算各个阶段的时间开销.经过测试评估发现,国产平台更迫切也更适合使用GPU进行加速计算,ROCm是比较理想的OpenCL开源软件栈,有较好的性能和稳定性,并且与闭源软件栈相比存在一定的优化空间.     

基于OpenCL的并行kNN算法设计与实现

kNN算法是机器学习和数据挖掘程序中经常使用的经典算法。随着数据量的增大,kNN算法的执行时间急剧上升。为了有效利用现代计算机的GPU等计算单元减少kNN算法的计算时间,提出了一种基于OpenCL的并行kNN算法,该算法对距离计算和排序两个瓶颈点进行并行化,在距离计算阶段使用细粒度并行化策略和优化的线程模型,排序阶段使用优化内存模型的双调排序。以UCI数据集letter为测试集,分别使用E8400和GTS450运行kNN算法进行测试,采用GPU加速的并行kNN算法的计算速度比CPU版提高了40.79倍。     

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。     

基于OpenCL的HMAC-SHA256算法优化与实现

HMAC算法作为主流消息认证算法之一,面临着以纯软件方式运行速度慢,以传统的FPGA硬件实现方式更新维护困难的问题。针对上述问题,设计了HMAC-SHA256算法的定制计算架构并基于OpenCL以高层次描述方式进行了实现。具体包括计算路径优化、存储结构与查找表优化、HMAC-SHA256全流水结构设计。基于OpenCL的计算任务分组优化、数据存储优化、数据通道矢量化等手段实现了HMAC-SHA256算法的FPGA定制计算架构。实验结果表明：在Intel Stratix 10 FPGA平台上,所实现的HMAC-SHA256吞吐率达到174.236Gbps,与Intel Core I7-10700 CPU相比,性能提升了656%,能效提升了1514%;与NVIDIA GTX 1650 SUPER GPU相比,性能提升了14%,能效提升了288%。     

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。     

CPU/GPU异构计算应用于核电模拟机的可行性

根据ANSI/ANS-3.5-1998规定以及核电厂建模精度的提高,对核电模拟机仿真速度提出了更高的要求。但是目前已难以通过提升中央处理器（ CPU）频率的方式来提升现有模拟机的运算速度。与此同时,CPU/GPU异构计算融合了串行/并行计算,利用显卡（ GPU）的并行计算能力可极大提升现有桌面电脑的运算能力,目前已经广泛应用于科学研究。英伟达公司的CUDA平台被用于开发CPU/GPU异构计算应用程序,来提升核电厂全范围模拟机的仿真计算。通过核电厂全范围模拟机运行测试对比,证实使用CPU/GPU异构计算程序,能有效提升模拟机运行速度。     

基于OpenCL的JPEG压缩算法并行化设计与实现

随着图像数据的大量增加,传统单处理器或多处理器结构的计算设备已无法满足实时性数据处理要求。异构并行计算技术因其高效的计算效率和并行的实时性数据处理能力,正得到广泛关注和应用。利用GPU在图形图像处理方面并行性的优势,提出了基于OpenCL的JPEG压缩算法并行化设计方法。将JPEG算法功能分解为多个内核程序,内核之间通过事件信息传递进行顺序控制,并在GPU+CPU的异构平台上完成了并行算法的仿真验证。实验结果表明,与CPU串行处理方式相比,本文提出的并行化算法在保持相同图像质量情况下有效提高了算法的执行效率,大幅降低了算法的执行时间,并且随着图形尺寸的增加,算法效率获得明显的提升。     

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OpenCL的尺度不变特征变换算法的并行设计与实现

针对尺度不变特征变换（SIFT）算法实时性差的问题,提出了利用开放式计算语言（OpenCL）并行优化的SIFT算法。首先,通过对原算法各步骤进行组合拆分、重构特征点在内存中的数据索引等方式对原算法进行并行化重构,使得算法的中间计算结果能够完全在显存中完成交互;然后,采用复用全局内存对象、共享局部内存、优化内存读取等策略对原算法各步骤进行并行设计,提高数据读取效率,降低传输延时;最后,利用OpenCL语言在图形处理单元（GPU）上实现了SIFT算法的细粒度并行加速,并在中央处理器（CPU）上完成了移植。与原SIFT算法配准效果相近时,并行化的算法在GPU和CPU平台上特征提取速度分别提升了10.51～19.33和2.34～4.74倍。实验结果表明,利用OpenCL并行加速的SIFT算法能够有效提高图像配准的实时性,并能克服统一计算设备架构（CUDA）因移植困难而不能充分利用异构系统中多种计算核心的缺点。     

面向异构架构的传递闭包并行算法

传统求图传递闭包的方法存在计算量大与计算时间长的问题。为加快处理大数据量的传递闭包算法的计算速度,结合算法密集计算和开放式计算语言（OpenCL）框架的特征,采用本地存储器优化的并行子矩阵乘和分块的矩阵乘并行计算,提出一种基于OpenCL的传递闭包并行算法。利用本地存储器优化的并行子矩阵乘算法来优化计算步骤,提高图形处理器（GPU）的存储器利用率,降低数据获取延迟。通过分块矩阵乘并行计算算法实现大数据量的矩阵乘,提高GPU计算核心的利用率。数据结果表明,与CPU串行算法、基于开放多处理的并行算法和基于统一设备计算架构的并行算法相比,传递闭包并行算法在OpenCL架构下NVIDIA GeForce GTX 1070计算平台上分别获得了593.14倍、208.62倍和1.05倍的加速比。     

并行时空处理模型下的快速N-body算法

图形处理器(graphic processing unit,GPU)的最新发展已经能够以低廉的成本提供高性能的通用计算。基于GPU的CUDA(compute unified device architecture)和OpenCL(open computing language)编程模型为程序员提供了充足的类似于C语言的应用程序接口(application programming interface,API),便于程序员发挥GPU的并行计算能力。采用图形硬件进行加速计算,通过一种新的GPU处理模型——并行时间空间模型,对现有GPU上的N-body实现进行了分析,从而提出了一种新的GPU上快速仿真N-body问题的算法,并在AMD的HD Radeon 5850上进行了实现。实验结果表明,相对于CPU上的实现,获得了400倍左右的加速;相对于已有GPU上的实现,也获得了2至5倍的加速。     

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。