基于OpenMP并行编程模型与性能优化的稀疏矩阵操作研究

随着多核处理器的普及,传统的串行编程方式已无法充分利用多核处理器资源,业界提出了用并行编程模型解决此类问题的多种方法,OpenMP便是其中一种。OpenMP并行编程模型提供了一种可以通过编译语句对现有串行程序进行并行化运行的方法,提高了现有程序对计算机处理器的利用率。基于OpenMP探讨大型稀疏矩阵转置分别在串行编程模型与并行编程模型中计算机处理器的利用率,针对矩阵转置中数据相关性进行加锁操作,通过实验数据分析总结OpenMP并行编程模型的设计方案。

任务并行编程模型下排列熵算法的并行实现

排列熵算法随着嵌入维数的增大,运算规模将会呈平方级数增大,计算时效性问题突出,亟待解决。为此,提出一种基于任务并行编程模型的线程级并行方法,通过任务并行运行系统(StarPU)将密集型计算划分为多个独立的任务,再由调度器将任务调度到不同的CPU上执行,实现排列熵算法的并行化。基于StarPU的排列熵并行算法与串行程序相比较,加速比为23.79倍,相较于OpenMP(一种用于共享内存并行系统的并行计算方案),在分配28个线程时,加速比为1.17倍,结果表明该方法能够有效实现排列熵算法的加速执行。

基于OpenMP的航迹融合并行优化方法

针对组网雷达中分布式数据融合计算量随数据量增大急剧增加的问题及航迹融合中最耗时的航迹关联环节,提出一种基于OpenMP的多线程优化方法。通过OpenMP并行计算雷达航迹间的关联距离,提升内部算法运算速度,并将数据接收、融合处理和结果输出过程进行多线程处理,进一步加快外部数据交互速度,提升融合处理整体时间性能。以大容量目标场景为测试用例,评估处理时间和优化加速比。仿真结果表明,所提并行优化方法能够有效提升运算速度。

面向GPU并行编程的线程同步综述

并行计算已成为主流趋势.在并行计算系统中,同步是关键设计之一,对硬件性能的充分利用至关重要.近年来,GPU(graphic processing unit,图形处理器)作为应用最为广加速器得到了快速发展,众多应用也对GPU线程同步提出更高要求.然而,现有GPU系统却难以高效地支持真实应用中复杂的线程同步.研究者虽然提出了很多支持GPU线程同步的方法并取得了较大进展,但GPU独特的体系结构及并行模式导致GPU线程同步的研究仍然面临很多挑战.根据不同的线程同步目的和粒度对GPU并行编程中的线程同步进行分类.在此基础上,围绕GPU线程同步的表达和执行,首先分析总结GPU线程同步存在的难以高效表达、错误频发、执行效率低的关键问题及挑战;而后依据不同的GPU线程同步粒度,从线程同步表达方法和性能优化方法两个方面入手,介绍近年来学术界和产业界对GPU线程竞争同步及合作同步的研究,对现有研究方法进行分析与总结.最后,指出GPU线程同步未来的研究趋势和发展前景,并给出可能的研究思路,从而为该领域的研究人员提供参考.

基于MPI+OpenMP混合编程模型的水声传播并行算法

声波是目前唯一能够在海水介质中进行远距离传播的有效载体,因此水下声传播成为海洋声学研究的主要内容之一,对现代声纳的设计和使用具有重要意义.宽带声传播、浅海地声反演、匹配场定位、水下环境仿真等技术的发展对水声传播提出了越来越高的要求,如何充分利用声传播模型和现代计算机技术实现声传播的快速计算已成为水声技术的一个重要研究方向.针对曙光TC4000L高性能机群系统计算节点多核处理器的组成特点,采用MPI+OpenMP并行混合编程模型实现了射线-简正波-抛物方程模型并行算法.测试分析结果表明,设计的并行算法具有较高的并行计算效率.

基于MPI+OpenMP混合编程模型的并行声纳信号处理技术研究

针对多核分布式共享存储集群的特点,提出了一种基于MPI+OpenMP混合编程模型的声纳信号处理并行计算技术,该模型结合了消息传递和共享存储两者的优点,为现代声纳信号处理中海量数据的实时处理及复杂算法的实时实现提供了解决方案。

超大规模数据处理中并行计算技术的应用研究

随着人工智能和大数据时代的到来,超大规模数据处理成了一个重要的研究领域。该文主要探讨并行计算技术在超大规模数据处理中的应用,首先详细阐述并行计算和超大规模数据处理的基本理论与概念,特别是并行计算的编程模型与工具,最后通过分析并行计算在搜索引擎、气象预报和金融分析等中的实际案例,阐述并行计算技术在超大规模数据处理中的实际应用。

基于半精度浮点数优化与OpenMP的地震数值模拟

研究地震波场的传播特征是地震勘探的基础,利用有限差分法求解波动方程进行地震正演,其优势在于占用内存低、计算速度快、易于实现。但在三维情况下,计算量和数据量会急剧增加,传统串行地震数值模拟将无法满足计算效率的需求。因此,本文提出一种基于半精度浮点数优化与OpenMP的三维波动方程地震数值模拟方法,该方法首先利用半精度浮点数对地震常用的浮点型数据进行优化;其次利用应用程序接口OpenMP在多核CPU下通过以分割波场计算区域的方式实现并行计算;在保证计算结果满足精度需求的同时,能有效提高三维地震数值模拟的计算效率,并减少近一半的内存需求。通过数值试验证明该方法的有效性和实用性。

基于Woodbury+OpenMP的结构非线性地震反应并行分析方法

非线性地震反应分析已成为评价工程结构抗震性能的重要技术手段,随着结构规模的增大,非线性引发的大规模刚度矩阵迭代更新成为制约结构分析效率的关键因素。基于Woodbury公式的结构非线性地震反应分析法(Woodbury方法)是一类新型高效数值分析方法,此类方法利用结构在地震作用下的局部非线性特征,能够在保证较高迭代收敛速率的同时有效避免结构刚度矩阵实时变化及由此导致的计算效率低下。然而,当前相关研究均基于串行计算模式,并未充分利用计算硬件的并行计算能力。引入OpenMP模式对Woodbury方法进行并行加速,提出了一种用于结构高效非线性地震反应分析的并行计算方法,该方法首先将每个迭代计算步划分为非线性相关系数矩阵计算更新、基于Woodbury公式的位移响应求解、单元状态确定3个主要计算部分,随后通过建立非线性相关系数矩阵的分块计算方法,将Woodbury公式的计算过程拆解为6个可并行的计算步,对各单元状态进行单独判定,分别建立了适用于三者的OpenMP并行加速策略,实现了算法的全过程并行优化。最后,通过对一个高层结构进行地震反应分析验证了该方法的准确性和高效性。

高分三号数据分布式负载均衡并行转换算法

针对PolSARpro软件原有高分三号数据转换模块无法适应分布式环境及数据转换效率相对较低的问题,提出一种基于MPI、MapReduce和OpenMP并按照该软件的数据格式要求进行分布式负载均衡的并行转换算法。该算法外层采用MPI按任务分布式计算,中间层采用MapReduce按景并行处理,内层采用OpenMP按极化方式并行计算,并采用“Z”字形数据负载均衡策略,将高分三号不同成像模式下的多极化数据快速精确定标及格式转换,以抗数据偏斜。实际数据的测试结果表明,该算法的整体性能提升了约50%,验证了算法的可行性、高效性和正确性。

基于嵌入式操作系统的并行任务开发技术研究

随着芯片开发技术在嵌入式系统中的发展,单位面积上晶体管数量不再无限制的增长,为追求嵌入式系统整体性能的提高,代码的执行效率逐渐被重视起来。多核处理器在嵌入式系统中应用越来越广泛,要进一步大规模地提高计算效率,更好的发挥出多核处理的优势,必须引入并行开发技术。文章采用openmp3.1作为并行框架,支持在嵌入式应用中进行c/c++语言开发,通过生成识别openmp指令的GCC4.8.1编译器,来解决openmp应用代码的编译问题,将openmp框架适配到嵌入式系统中,以可配置代码库的方式融入到操作系统应用层,深入分析openmp框架代码,提出了四个方面的优化策略,最后以FTD2000为目标机,多种算法作为测试用例,取得了优异的并行效果。

基于MPI/OPENMP混合编程的三维粒子模拟并行优化

针对MPI、OPENMP并行程序各自存在的缺陷,将MPI与OPENMP结合起来,实现了MPI/OPENMP混合并行编程;通过实验对MPI、OPENMP并行程序及MPI/OPENMP混合并行编程进行了分析.实验结果表明:MPI/OPENMP混合并行编程可以大大减少通信量,其效率和加速比均优于纯MPI并行程序,克服了MPI并行程序中因粒子分布不均匀使负载不均衡而导致的程序性能下降的问题,使得可以利用集群中的更多结点来进行计算,缓解了MPI并行程序的通信延迟问题;同时,MPI/OPENMP混合并行编程克服了OPENMP并行程序依赖于单台计算机处理能力和存储空间的问题,大幅度提高了模拟规模.

基于OpenMP的并行Fortran程序数据竞争静态检测方法

数据竞争是并行程序中最常见的问题,因为其在程序中存在着随机性和难以重现的问题,所以利用动态方法检测并不可靠.本文介绍了一种针对以OpenMP实现程序并行的数据竞争故障的静态检测方法.首先根据基于OpenMP的Fortran并行程序的语法和语义特性,构建并行程序的抽象语法树,并对控制流图进行扩展引入并行控制流图;然后将数据竞争问题抽象为一种故障模型,利用有限状态机来形式化的描述此类故障模型;最后对并行区域的潜在赋值操作进行并行数据流分析,在程序控制流图节点上进行故障状态机的状态转化来实现数据竞争的检测.该方法已在自研的缺陷检测系统(DTS)中应用,并通过DataRaceBench的实验数据证明本文方法可以有效的检测出数据竞争问题.

BELLHOP3D模型的多核并行及性能评估

通过三维射线模型BELLHOP3D能够计算海洋中的三维声场,在声呐性能预报以及海洋环境参数反演等应用中具有重要意义。然而随着计算海域范围的增大以及计算网格点分辨率的提高,水声传播对计算的需求也逐渐增大。文章面向天河2号超级计算平台的多核体系结构,针对BELLHOP3D计算特征,充分挖掘其中的并行性,采用OpenMP多核并行技术,实现BELLHOP3D的多核并行。最后,通过Munk波导算例以及三维楔形海底算例对射线模型的并行计算效率进行了测试,当计算节点中的24个计算核心全部用于计算时,两个算例的并行计算效率分别达到了83.3%和87.5%。

MPI+OpenMP混合并行编程的分析

简要综述并行计算的思想,并对分布式内存结构和共享式内存结构两种结构的特点进行比较。叙述如何应用Open MP和MPI进行混合编程,以及相应的混合编程模型。通过一个实例,针对多核CPU组成的SMP构架的集群,实现Open MP和MPI混合编程的性能对比和结论分析。

基于OpenMP技术探究并行体与并行数目对运行效率的影响

本文基于OpenMP技术运用C语言和C++语言进行共享内存编程。采用控制变量法的思想,通过求解欧拉计划145题,探究了并行体对运行效率的影响;通过蒙特·卡洛法求解π值,探究了并行数目对运行效率的影响。数值算例与原有串行方法相比较,验证了基于OpenMP技术并行计算编程模式的优越性。

基于OpenMP的堆芯中子学软件性能优化研究

CORCA-3D软件是中国核动力研究设计院自主研发的先进节块法堆芯三维少群中子学计算软件,提升CORCA-3D软件运行速度可以提高反应堆系统分析的效率。目前CORCA-3D软件采用单线程的方式运行,并没有充分利用计算机的多核硬件资源,对CORCA-3D软件进行性能分析,发现其存在运行时间较长的热点函数,CPU利用率较低,因此可引入并行编程技术来加速CORCA-3D软件的计算。文中将OpenMP编程技术运用到CORCA-3D软件中,并介绍了CORCA-3D软件并行优化的设计与实现。通过对方家山1号机组全堆芯进行测试,证明并行编程技术可大幅提升CORCA-3D软件的运行效率,平均加速比约为2左右。此并行编程技术的运用为后续堆芯数值软件应用提供技术支撑。

ParM:基于国产处理器的异构并行编程模型

随着算力需求的增长,各种国产异构计算设备不断出现,这些设备都有其专用的编程模型,开发者需要根据不同设备的架构特点在专用的编程模型上进行开发,导致开发出的代码在设备间不具有可移植性。近年来国外已经出现了支持多种计算设备的统一异构并行编程模型,但针对国产设备的异构编程模型的研究和实现还比较少。针对该问题,开发了一套性能可移植的异构编程模型ParM。该编程模型以C++库的形式提供,屏蔽了大量的底层实现细节,降低了并行编程难度。该编程框架目前支持的后端设备有x86 CPU、NVIDIA GPU、华为鲲鹏处理器和华为昇腾AI处理器,并且对各种后端设备进行了性能优化。在各种设备上的性能测试表明,ParM编程模型的性能可以达到原始代码的90%以上。

基于OpenMP的Floyd并行算法研究

Floyd算法是求解两点之间最短路径的算法之一,但因其时间复杂度较高,在面对大规模的图数据求解最短路径时效率并不高.通过使用OpenMP编程模型对Floyd算法进行并行优化,使其在求解最短路径时可以充分利用多核CPU资源,发挥多核性能,降低时间代价.与依赖于特定硬件的算法相比,基于OpenMP的Floyd并行算法具有更高的通用性和可移植性,可以在各种通用计算平台上实现,包括普通的多核CPU和共享内存系统.相较依赖于特定平台的算法,基于OpenMP实现的Floyd并行算法更具有普适性,可以让更多的研究人员和开发者受益.实验结果表明,并行优化后的Floyd算法在执行效率上得到了显著提升.

基于多核集群的MPI+OpenMP混合并行编程模型研究

现代计算机处理器个数的增加将高性能系统的计算速度推向更高的层次。基于SMP节点的集群系统占主导地位,这种跨节点的分布式内存系统与节点内共享内存系统的结合向开发人员提出了新的挑战。为了充分利用硬件的计算能力,计算机科学家已经提出了许多针对各种系统架构的并行编程模式。作为目前比较流行的层次化并行模式,MPI适合用于集群节点间的并行而OpenMP被用在节点内部进一步细粒化的并行。本文对这两种编程模式以及MPI+OpenMP混合编程模式进行研究,实现了将矩阵的乘法运算分别用纯MPI模式和MPI+OpenMP混合模式并行化。在基于Intel Xeon5650集群系统上,用不同规模大小的矩阵分别在单节点内和多节点的情况下测试了两种并行模式的性能。