龍芯平臺(tái)上高性能計(jì)算的性能優(yōu)化關(guān)鍵問題研究.pdf

1、高性能計(jì)算廣泛運(yùn)用在科學(xué)計(jì)算、可視化處理、商業(yè)數(shù)據(jù)模型分析等領(lǐng)域。程序性能與平臺(tái)架構(gòu)息息相關(guān)。龍芯作為具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)產(chǎn)芯片的代表，它的3B系列芯片被廣泛運(yùn)用在航天、生物信息、氣象等領(lǐng)域。但由于它的軟件生態(tài)環(huán)境不健全，許多軟件沒有針對(duì)它的架構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。龍芯普通訪存速度慢，加上軟件移植過程中龍芯編譯器無法充分發(fā)揮硬件計(jì)算與訪存分離的特性，軟件與平臺(tái)架構(gòu)耦合性低，容易導(dǎo)致部分科學(xué)計(jì)算軟件的運(yùn)行性能低，不能滿足用戶的計(jì)算需求，這制約著龍芯

2、的市場(chǎng)化推廣。如何優(yōu)化龍芯平臺(tái)的軟件性能成為龍芯亟需解決的問題。
　　因此，本文圍繞龍芯平臺(tái)上高性能計(jì)算的訪存和計(jì)算優(yōu)化關(guān)鍵問題展開研究。主要的研究?jī)?nèi)容和貢獻(xiàn)如下:
　　(1)針對(duì)科學(xué)傳播網(wǎng)站用戶持續(xù)使用行為影響因素實(shí)證研究與龍芯硬件架構(gòu)耦合性低的問題，以BLAS庫中矩陣矩陣乘函數(shù)GEMM為研究對(duì)象，提出了一種加速計(jì)算密集型應(yīng)用的異步計(jì)算訪存優(yōu)化方法。該優(yōu)化方法根據(jù)龍芯計(jì)算與訪存分離的特性，通過對(duì)任務(wù)進(jìn)行分組和流水化處理;然

3、后在計(jì)算過程中，利用多通道DMA訪存方法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的預(yù)取或讀寫，從而將大量的訪存開銷隱藏到計(jì)算中;最后，使用SIMD指令向量化提升核心的計(jì)算性能。此外，通過分析計(jì)算與訪存分離的特征，給出了一種龍芯平臺(tái)上計(jì)算密集型應(yīng)用的性能評(píng)估方法。
　　(2)針對(duì)普通訪存方法不能滿足龍芯平臺(tái)中應(yīng)用訪存速度需求的問題，以FFTW核心算法為研究對(duì)象，提出一種面向計(jì)算密集型應(yīng)用的多層數(shù)據(jù)劃分優(yōu)化方法。該優(yōu)化方法以龍芯3B1500處理器為研究平臺(tái)，根據(jù)FF

4、T中數(shù)據(jù)的訪存規(guī)律，利用龍芯鎖cache機(jī)制保證緩存中數(shù)據(jù)不會(huì)被替換，進(jìn)而采用多層數(shù)據(jù)劃分以提升緩存中數(shù)據(jù)的利用率，通過增加迭代層數(shù)提升寄存器堆數(shù)據(jù)的重用率，并且使用特殊向量指令加速核心運(yùn)算;與此同時(shí)，通過使用CPU和DMA協(xié)同訪存方法來提高數(shù)據(jù)讀寫速度。
　　(3)針對(duì)CC-NUMA架構(gòu)中易由數(shù)據(jù)部署不合理而導(dǎo)致計(jì)算密集型應(yīng)用并行效率低的問題，以KD-90為研究平臺(tái)，在PCAM并行框架的基礎(chǔ)上，提出了一個(gè)面向計(jì)算密集型應(yīng)用的并行

5、框架HPFCA。根據(jù)應(yīng)用的數(shù)據(jù)訪存規(guī)律，對(duì)框架中的任務(wù)劃分、節(jié)點(diǎn)間任務(wù)并行、數(shù)據(jù)重新部署、節(jié)點(diǎn)內(nèi)多核并行和單核程序優(yōu)化五個(gè)部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用訪存數(shù)據(jù)局部性完成訪存的性能優(yōu)化。并且根據(jù)該框架，在KD-90上實(shí)現(xiàn)了GEMM和FFT的高效并行算法。
　　(4)針對(duì)多核異構(gòu)平臺(tái)中應(yīng)用程序難以并發(fā)執(zhí)行的問題，以三維泊松方程求解算法為研究對(duì)象，提出了一種異構(gòu)平臺(tái)下多種計(jì)算資源負(fù)載均衡的高效算法。該算法通過使用多重網(wǎng)格法對(duì)三維泊松方程進(jìn)行離散，