面向共享存儲系統(tǒng)的計算模型及性能優(yōu)化.pdf

1、長期以來，大規(guī)模計算的應(yīng)用需求推動并行計算技術(shù)不斷發(fā)展，并行計算機的峰值計算能力穩(wěn)步提高。當(dāng)前，基于共享存儲的片上多核處理器搭建集群系統(tǒng)，成為并行體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢，并行計算已經(jīng)進入了千萬億次并行計算機的時代。但是，并行計算機的實際應(yīng)用水平不高，應(yīng)用程序?qū)崪y性能遠低于系統(tǒng)的峰值性能。因此，充分發(fā)揮并行計算機的計算能力，加速應(yīng)用程序的執(zhí)行速度，逐漸成為并行計算領(lǐng)域中亟需解決的一個關(guān)鍵問題。
　　 未來，共享存儲系統(tǒng)是搭建大規(guī)模并行

2、處理系統(tǒng)的基本單元。圍繞提高并行計算機的實際應(yīng)用效率，縮小實際應(yīng)用性能與機器峰值性能之間的差異，本文以共享存儲系統(tǒng)為目標(biāo)平臺，研究并行計算模型以及程序性能優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)，主要研究工作分為兩部分：一是研究分層的并行計算模型，為并行算法設(shè)計和并行程序執(zhí)行提供理論基礎(chǔ)和分析方法，其中重點研究片上多核系統(tǒng)的程序執(zhí)行模型；二是研究共享存儲系統(tǒng)上的程序性能優(yōu)化技術(shù)，以提高并行應(yīng)用程序的實際性能，同時為程序執(zhí)行模型提供思路和借鑒。本文針對計算模型和優(yōu)化

3、技術(shù)的研究，可以有效地提高并行應(yīng)用的性能，充分發(fā)揮并行計算機的計算能力，具有重要的學(xué)術(shù)價值和廣泛的應(yīng)用前景。具體而言，本文的主要研究成果、貢獻和創(chuàng)新點可概括為以下幾點：
　　 (1)提出分層的并行計算模型隨著并行機體系結(jié)構(gòu)的快速發(fā)展變化，傳統(tǒng)單一的并行計算模型變得越來越復(fù)雜，難以使用。本文對并行計算模型分層研究，把并行計算模型分為并行算法設(shè)計模型、并行程序設(shè)計模型和并行程序執(zhí)行模型三個層次，分別給出了各層模型的特點及研究內(nèi)容。<

4、br>　　 (2)優(yōu)化共享存儲系統(tǒng)上消息傳遞的通信性能MPI是一種流行的并行編程接口，同時支持分布存儲并行機和共享存儲并行機。針對MPI在共享存儲上的驅(qū)動程序通信性能不高，本文提出一種共享存儲系統(tǒng)上MPI消息傳遞優(yōu)化方法，利用共享內(nèi)存系統(tǒng)上進程間通訊機制和自旋等待同步策略，實現(xiàn)了進程間直接數(shù)據(jù)復(fù)制，減少了消息傳遞延遲，提高了共享存儲系統(tǒng)上點對點和集合通信性能，優(yōu)化了實際應(yīng)用程序的通信性能。
　　 (3)優(yōu)化共享存儲系統(tǒng)上典型應(yīng)

5、用程序的性能本文研究兩個典型的并行應(yīng)用，分別在兩種共享存儲系統(tǒng)上的優(yōu)化方法。一個是在對稱多處理機上，基于MPI的生物信息領(lǐng)域的應(yīng)用Mfold的并行優(yōu)化；另一個是在片上多核系統(tǒng)上，基于OpenMP的信息檢索領(lǐng)域的應(yīng)用CBIR的并行優(yōu)化。針對應(yīng)用和系統(tǒng)特點，設(shè)計了高效的并行算法，挖掘共享存儲系統(tǒng)的多級并行度，有效優(yōu)化了應(yīng)用的指令級并行性、數(shù)據(jù)級并行性和線程級并行性，加速了應(yīng)用程序在共享存儲系統(tǒng)上的速度，為這一類平臺上開發(fā)高效應(yīng)用程序提供了借