基于CPU/GPU异构平台的全波形反演及其实用化分析

全波形反演(Full Waveform Inversion,FWI)在理论上是当前精度最高的速度估计方法。通过分析FWI的计算特点,使用图形处理器(Graphic Processing Unit,简称GPU)进行算法加速,形成了基于CPU/GPU异构平台的时空域声波方程全波形反演算法实现流程。理论模型测试结果表明,该算法不仅对速度模型具有高精度刻画能力,而且计算效率比基于CPU集群的FWI算法大幅提升。对胜利探区某陆上区块实际地震资料进行全波形速度反演试处理,取得了初步的应用效果。在此基础上,讨论了FWI对实际地震资料质量的要求,就FWI在陆上地震资料的生产性应用提出了相应的策略。

CPU-GPU系统中基于剖分的全局性能优化方法

针对将应用移植到CPU-GPU异构并行系统上时优化策略各自分散、没有一个全局的指导思想的问题,提出了一种基于剖分的全局性能优化方法.该方法由优化策略库、剖分工具库和策略配置模块组成.优化策略库将应用移植到异构并行系统上的性能优化过程划分为访存级、内核加速级和数据划分级3级优化;针对3级优化剖分工具库提供了3级剖分机制,通过运行时的剖分技术获取剖分信息;策略配置模块根据所获取的信息指导用户在每级优化中选择合适的优化策略.实验证明,基于剖分的全局性能优化方法可以明确地指导将应用移植到CPU-GPU异构并行系统上的全局优化过程,利用该优化方法后,以矩阵相乘和傅里叶变换为例的应用性能提升明显,最终性能相对于访存级优化最高可提高30%左右.

基于CPU-GPU异构的电力系统静态电压稳定域边界并行计算方法

为提升区域互联电力系统静态电压稳定域边界(SVSRB)的构建效率,该文以直接法为基础,提出一种基于CPU-GPU异构的静态电压稳定域边界并行计算方法。该方法首先依据SVSRB拓扑特性,基于边界追踪算法实现直接法求解鞍结分岔(SNB)点时初值的高效选取,克服直接法对初值敏感这一瓶颈;然后结合CPU-GPU异构平台,将直接法求解SNB点计算量较大、计算耗时占比高的修正量求解部分由GPU完成,其他逻辑性强但计算量较低的部分由CPU完成,以实现SNB点的并行求解,降低直接法计算量大、计算复杂度高的不足,从而提升SVSRB的搜索效率;最后以WECC3机9节点测试系统,波兰电网2737节点和3120节点测试系统,欧洲电网7092节点、9241节点、11624节点和13659节点测试系统算例对该文所提方法进行了分析与验证,结果表明所提并行计算方法可实现电力系统静态电压稳定域边界的快速、准确搜索。

CPU/GPU异构混合并行的栅格数据空间分析研究——以地形因子计算为例

海量数据背景下传统GIS栅格数据空间分析计算效率已经不能满足快速计算的需求,为此以地形因子计算为例,分析并测试了基于共享内存模型的CPU多核并行模式与基于流处理器模型的GPU众核并行模式的计算性能,在此基础上详细实现了负载均衡的设备间任务划分,进行CPU与GPU异构混合的并行技术改良研究。实验结果表明,基于相同的单机硬件环境,与多核共享内存模型或众核流处理器的单一计算平台并行方案相比,CPU/GPU异构混合并行计算方法对于栅格数据分析具有更好的加速效果。

CPU-GPU异构计算环境下的并行T近邻谱聚类算法

谱聚类是数据挖掘领域最常用的聚类算法之一,但对于如何利用多核CPU与资源有限的众核加速器设计并实现一个在异构单节点上能够处理大规模数据集的高效谱聚类算法,目前尚无理想的解决方案.PSCH（parallel spectral clustering for hybrids）算法是专为CPU-GPU异构计算环境设计的并行T近邻（T-nearest-neighbors,TNN）谱聚类算法,通过分块计算相似性矩阵打破了GPU设备内存的限制,所能处理的数据集规模仅受限于CPU主存的容量.PSCH算法中使用CUDA设计实现双缓冲轮转4段流水机制,通过重叠计算与传输在打破存储瓶颈的同时保证了高计算性能.PSCH算法采用隐式重启动Lanczos方法（implicitly restarted Lanczos method,IRIM）在异构硬件上计算稀疏特征矩阵的特征分解,减轻了特征分解步骤的计算瓶颈.PSCH算法在配有一块GTX 480GPU的单节点上能够对百万以上规模的数据集进行聚类,并对实验中的4个数据集取得了相对于使用16进程的MPI并行谱聚类PSC算法2.0~4.5倍的性能.

基于多核CPU-GPU异构平台的并行Agent仿真

多核中央处理器(central processing units,CPU)-图形处理器(graphics processing units,GPU)异构平台为提高并行Agent仿真(parallel Agent-based simulation,PABS)在单机上的运行性能提供了一个更高效的硬件基础,但在当前相关研究中,还缺乏一般性的理论方法来指导并行Agent仿真将多核CPU和GPU的计算资源充分利用起来。通过分析多核CPU-GPU异构并行架构的特点,在方法论层面上建立了并行Agent仿真在多核CPU-GPU异构平台下的多层负载分配模型,并根据基于Agent的仿真的执行结构,提出了对基于Agent的仿真的计算结构、数据结构进行重构的方法,以适应异构的硬件架构。最后对基于多核CPU-GPU的并行Agent仿真性能进行了实验分析。

多核CPU-GPU协同的并行深度优先算法

针对多核CPU和GPU环境下图的深度优先搜索问题,提出多核CPU中实现并行DFS的新算法,通过有效利用内存带宽来提高性能,且当图增大时优势越明显。在此基础上提出一种混合方法,为DFS每一分支动态地选择最佳的实现:顺序执行;两种不同算法的多核执行;GPU执行。混合算法为每种大小的图提供相对更好的性能,且能避免高直径图上的最坏情况。通过比较多CPU和GPU系统,分析底层架构对DFS性能的影响。实验结果表明,一个高端single-socket GPU系统的DFS执行性能相当于一个高端4-socket CPU系统。

异构集群中CPU与GPU协同调度算法的设计与实现

为有效提高异构的CPU/GPU集群计算性能,提出一种支持异构集群的CPU与GPU协同计算的两级动态调度算法。根据各节点计算能力评测结果和任务请求动态分发数据,在节点内CPU和GPU之间动态调度任务,使用数据缓存和数据处理双队列机制,提高异构集群的传输和处理效率。该算法实现了集群各节点“能者多劳”,避免了单节点性能瓶颈造成的任务长尾现象。实验结果表明,该算法较传统MPI/GPU并行计算性能提高了11倍。

基于CPU-GPU异构并行的复杂场地近断层地震动谱元法模拟

利用基于CUDA编程平台实现的工作站级CPU-GPU异构并行方法开展了实际场地近断层地震动谱元法模拟.通过模拟SECE/USGS提供的自发破裂模型TPV15,测试了工作站级CPU-GPU异构并行方法的计算精度与计算效率,并将该方法应用于1679年三河—平谷M8.0地震的强地面运动模拟,以证实该方法对真实设定地震动模拟的适用性.模拟结果显示:CPU-GPU异构并行计算时间较CPU并行计算时间明显减少,加速比最高值分别为CPU 36核和72核的3.04和2.16倍;1679年三河—平谷M8.0地震的强地面模拟结果清晰地体现出近断层地震动的集中性、破裂的方向性、速度脉冲和永久位移等近断层地震动特征以及真实地形对近断层地震动所产生的影响.结果表明,CPU-GPU异构并行方法有效地提高了谱元法模拟的计算效率,可应用于大尺度复杂场地地震波场模拟.

碳酸盐岩储层叠前逆时偏移及GPU/CPU异构计算方案研究

针对碳酸盐岩储层地质构造的特点,提出采用基于声波方程的叠前逆时偏移算法对其进行成像,并在偏移过程中引入优化差分系数和完全匹配层(PML)边界条件来提高波场的数值模拟精度,同时利用GPU/CPU异构并行加速技术对算法进行优化,从而显著提升偏移的计算效率。模型测试表明,与传统差分系数相比,同阶的优化差分系数具有更高精度,压制频散效果明显;PML边界条件能够有效的吸收边界反射,减少边界反射对有效波场的干扰;叠前逆时偏移方法可有效识别碳酸盐岩模型中的小尺寸孔洞和裂缝,归为准确,刻画清晰,对碳酸盐岩储层成像具有显著优势;GPU/CPU异构并行加速技术可明显提高偏移的计算效率,与传统CPU算法相比,加速比可达60倍,对于实际推广应用具有重要意义。

CPU/GPU系统负载均衡的可分负载调度

针对具有多个片上多核处理器CMP和多个GPU的异构系统,综合考虑多核CPU和GPU的不同计算能力、各级缓存不同容量、CPU和GPU之间通信代价以及GPU内部结构等因素,采取计算与通信重叠、对任务自动划分、GPU端线程块大小和维度自动设置、多个异步流同时传输的方法,通过切换线程块执行以隐藏访存开销,提出一种均衡CPU和GPU负载、高效的可分负载多轮调度算法。采用计算密集型任务Mandelbrot进行实验测试,测试结果表明,与已有算法相比,该算法的调度性能有明显提升。

关于CPU+GPU异构计算的研究与分析

在PC技术领域,CPU和GPU始终是相辅相成,在二者已经发展到出现新的瓶颈时,"结合"也许是明智的解决方案,而关于整合CPU和GPU的方案就一直被人们所津津乐道。本文研究了CPU+GPU的异构化计算算法的优势和未来应用的可能性,特别是随着通用计算程序接口(OpenCL)的发布,CPU+GPU的异构化计算这种看起来像是CPU和GPU混合体的出现,相信这将使计算机处理器又将迈上一个新台阶,这种异构化成就的是更加高性能,更加高性价比的处理器,而这必将掀起GPU和CPU革命的高潮。

通过部分页迁移实现CPU-GPU高效透明的数据通信

尽管对集成GPU和下一代互连的研究投入日益增加,但由PCI Express连接的独立GPU仍占据市场的主导地位,CPU和GPU之间的数据通信管理仍在不断发展。最初,程序员显式控制CPU和GPU之间的数据传输。为了简化编程,GPU供应商开发了一种编程模型,为“CPU+GPU”异构系统提供单个虚拟地址空间。此模型中的页迁移机制会自动根据需要在CPU和GPU之间迁移页面。为了满足高性能工作负载的需求,页面大小有增大趋势。受低带宽和高延迟互连的限制,较大的页面迁移延迟时间较长,这可能会影响计算和传输的重叠并导致严重的性能下降。提出了部分页迁移机制,它只迁移页面的所需部分,以缩短迁移延迟并避免页面变大时整页迁移的性能下降。实验表明,当页面大小为2MB且PCI Express带宽为16GB/s时,部分页迁移可以显著隐藏整页迁移的性能开销,相比于程序员控制数据传输,整页迁移有平均98.62%倍的减速,而部分页迁移可以实现平均1.29倍的加速。此外,我们测试了页面大小对快表缺失率的影响以及迁移单元大小对性能的影响,使设计人员能够基于这些信息做出决策。

基于负载均衡的CPU-GPU异构计算平台任务调度策略

针对中央处理单元-图形处理单元(central processing unit-graphics processing unit,CPU-GPU)异构计算系统中,CPU和GPU负载不均导致系统性能降低的问题,提出了一种基于队列的混合调度策略.该策略通过探测获得CPU和GPU处理指定任务的计算能力,将计算任务按照探测比例分配给CPU和GPU;将并行任务存入双向队列,以降低调度带来的额外开销.结果表明,使用该策略的基准测试程序系统性能平均提升了28.07%.总体而言,该调度策略能够缩短CPU与GPU完成各自计算任务后的等待时间,有效平衡系统CPU与GPU之间的负载,提升系统性能.

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。

CPU+GPU异构体系混合编程模式研究

近年来,使用CPU单一模式进行并行计算已不适用,随着GPU其超高的计算性能和性能功耗比,CPU+GPU协同异构体系下的并行计算模式广泛应用。在并行计算领域、高性能计算领域、超级计算领域都有非常重要的作用。文章提出了使用CPU+GPU异构体系,在该体系结构下进行设计并行程序,使用一种并行编程模型,来提高程序的性能。

基于CPU+GPU异构并行的QPSK开环解调方法研究

以平方率前向定时算法和M&M频偏估计算法为基础,研究适用于CPU+GPU异构并行平台的QPSK开环解调方法,并对数据分块长度和异构并行效率进行分析和验证,通过理论推导和Matlab仿真,得出在频偏范围内最佳的数据分块长度,最终分别在只用CPU和采用CPU+GPU异构的两种架构下,对QPSK信号开环并行解调。实验结果证明,数据点数较多时,CPU+GPU异构并行解调效率明显提升。

基于硬件性能计数器的GPU功耗预测模型

图形处理器GPU以其高性能、高能效优势成为当前异构高性能计算机系统主要采用的加速部件。虽然GPU具有较高的理论峰值能效,但其绝对功耗开销明显高于通用处理器。随着GPU在高性能计算领域的应用逐渐扩展,面向GPU的低功耗优化研究将成为该领域的重要研究方向之一。准确的功耗预测是功耗优化研究的重要前提,本文提出了基于硬件性能计数器的GPU功耗预测方法。该方法基于硬件性能计数器信息,结合GPU在部分运行频率下的功耗值,通过线性回归的方法预测处理器在其他运行频率下的功耗值。实验结果表明,该方法可以准确地预测GPU功耗。

基于GPU的高光谱遥感主成分分析并行优化

主成分分析(principal component analysis,PCA)是高光谱遥感图像特征提取的重要方法。为了在保证精度的同时,提高高光谱遥感PCA算法的计算效率,文章提出一种基于图形处理器(graphic processing unit,GPU)+中央处理器(central processing unit,CPU)异构系统的PCA并行优化方法。该方法利用GPU的并行计算能力实现PCA中复杂的协方差矩阵计算与维数缩减过程,优化了像元去均值的计算流程;解决了GPU内核计算像元累加和非合并访问问题;利用共享内存机制,提高了访存效率。此外,该方法采用改进的Jacobi快速迭代法在CPU中进行特征分解,保证了算法的精度。实验结果表明,该方法在保证精度的同时能够有效提高计算效率,在Quadro600平台上的加速比达到141倍,满足了高光谱遥感图像实时应用的需求。

基于GPU加速的大电网N-1故障扫描批量计算方法

随着电网规模的不断扩大,从各种可能的设备开断情况中筛选出严重故障集成为N-1安全校验的重要耗时部分。为了加速大电网N-1安全校验的故障筛选,提出了一种基于中央处理器-图形处理器(CPU-GPU)异构计算框架的实时N-1故障扫描批量计算方法。考虑到不同工况下的计算存在粗粒度并行性,进一步挖掘计算中的细粒度并行性是提高计算效率的有效途径。提出了同时考虑断线故障和发电机开断故障这2种预想事故下的细粒度并行计算方法,并设计了关键计算步骤的核函数。增加考虑了网络拓扑中的移相器,使得计算精度更高,通过与IEEE标准算例和欧洲真实电网算例对比,验证了各工况下批量计算方法的正确性,并取得了显著的加速效果。