基于有限差分的心電模型模擬在CPU與多MIC協(xié)處理器平臺的并行與優(yōu)化.pdf

1、心臟疾病是人類三大疾病之一。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，通過對心肌細(xì)胞的生理行為進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，并在計算機上模擬，可以模擬各種心臟疾病。心電模型模擬對一些復(fù)雜假說進(jìn)行驗證，預(yù)測，指導(dǎo)實驗研究，對研究心臟電生理學(xué)，心率不齊，藥物作用，以及心臟疾病的預(yù)防和治療具有非常重要的作用。然而，必須有足夠的模擬精度才能有效的模擬心肌行為問題。高時空精度的計算需要巨大的計算量，因此，需要高性能計算機才能滿足其計算需求。當(dāng)前越來越多的高性能計算平臺使用MIC協(xié)處理器來

2、實現(xiàn)計算加速。如排名世界第一的天河2號超級計算機的每個計算節(jié)點就裝配有3個MIC協(xié)處理器。基于協(xié)處理器進(jìn)行計算已經(jīng)成為大規(guī)?？茖W(xué)計算應(yīng)用獲得高性能的重要方式。目前，還沒有基于MIC協(xié)處理器平臺的心電模型模擬應(yīng)用研究與實現(xiàn)，也沒有針對單節(jié)點內(nèi)多協(xié)處理器之間的高效編程與通信模式的研究。本課題針對單節(jié)點多核CPU+多MIC的混合平臺，對心電模型模擬應(yīng)用進(jìn)行了研究和實現(xiàn)，重點針對單節(jié)點內(nèi)多協(xié)處理器結(jié)構(gòu)的高效編程與通信模式進(jìn)行研究。
　　本

3、研究主要內(nèi)容包括：⑴選取一個簡單的基于有限差分求解的心臟模型模擬應(yīng)用，探索實現(xiàn)了在通用多核CPU平臺上和單MIC平臺上的并行編程與優(yōu)化技術(shù)。本應(yīng)用的模擬計算包括求解偏微分方程（PDE）和常微分方程（ODE）兩個部分，其中，PDE部分主要是一個三維7點模板計算，ODE部分則選取一個簡單的4變量前向歐拉有限差分法計算。我們采取了OpenMP多線程，手動向量化，訪問對齊，數(shù)值算法優(yōu)化等技術(shù)進(jìn)行并行編程與優(yōu)化，并初步探討了采用卸載（offloa

4、d）編程模式在CPU與單協(xié)處理器平臺上的實現(xiàn)與優(yōu)化。這些并行手段為我們接下來在多MIC協(xié)處理器平臺的編程與優(yōu)化提供了并行基礎(chǔ)。⑵在前面簡單模型計算的研究基礎(chǔ)上，選取了一個更接近現(xiàn)實世界的以擴散-反應(yīng)方程為核心的數(shù)學(xué)模型?；谔旌?號單節(jié)點內(nèi)有3個MIC協(xié)處理器的平臺，本課題中我們首次設(shè)計實現(xiàn)了兩種不同的卸載（offload）方式，基于pragma的卸載模式和基于系統(tǒng)級接口（COI和SCIF）的卸載模式，并分別實現(xiàn)了這兩種不同卸載模式針對