發(fā)布時間：2020-05-09 22:26

【摘要】：借助高性能計算平臺和并行仿真技術(shù)加速仿真執(zhí)行過程,已經(jīng)成為復(fù)雜系統(tǒng)仿真應(yīng)用的主要途徑。目前,基于多核CPU(CMP)與集成眾核(MIC)處理器的計算平臺在高性能計算領(lǐng)域異軍突起,為加速仿真執(zhí)行過程帶來了新的機遇。然而,現(xiàn)有的并行仿真支撐技術(shù)主要面向多處理機、集群、CMP+GPU等計算平臺,難以發(fā)揮CMP+MIC計算平臺線程資源豐富、局部共享存儲、協(xié)同計算等架構(gòu)優(yōu)勢。因此,開展基于CMP+MIC計算平臺的并行仿真支撐技術(shù)研究,對于充分利用新型高性能計算資源,滿足仿真不斷增長的計算需求,促進新型高性能計算平臺在仿真領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要的理論意義和實用價值。論文針對當前并行仿真支撐技術(shù)在CMP+MIC新型計算平臺應(yīng)用方面存在的相關(guān)問題,圍繞基于CMP+MIC新型計算平臺的并行仿真引擎架構(gòu)、計算模型加速解算及負載平衡等問題展開深入研究,主要工作和創(chuàng)新點如下:(1)提出了面向CMP+MIC計算平臺的并行仿真引擎架構(gòu)。仿真引擎是支持仿真運行的核心組件,為了獲得更高的性能,要求仿真引擎架構(gòu)能夠發(fā)揮CMP+MIC計算平臺線程資源豐富、局部共享存儲、協(xié)同計算等架構(gòu)優(yōu)勢。目前,基于多進程方式實現(xiàn)的傳統(tǒng)并行仿真引擎架構(gòu)并行粒度粗、存儲消耗大、通信開銷大,針對多核計算平臺的相關(guān)工作難以支持多節(jié)點協(xié)同仿真,面向GPU等眾核計算平臺的相關(guān)工作由于體系結(jié)構(gòu)差異而難以兼容。為此,提出了一種面向CMP+MIC計算平臺的并行仿真引擎架構(gòu)SE-HPTM。SE-HPTM分別在CMP和MIC內(nèi)部利用多線程方式并行處理事件,CMP和MIC之間利用進程間通信實現(xiàn)協(xié)同仿真,并通過減少鎖開銷和優(yōu)化訪存等方式進一步提高性能。測試表明,相對于多進程方式的并行仿真引擎,SE-HPTM在CMP+MIC計算平臺上最高可獲得1.57倍的加速比。(2)提出了基于聚合-分載的計算模型加速解算方法。復(fù)雜仿真系統(tǒng)中某些計算模型解算往往非常耗時,成為整個系統(tǒng)的性能瓶頸,在CMP端運行仿真主程序,將比較耗時的模型解算過程分載至MIC端加速解算是一種解決方案。然而,計算模型的廣泛性和封裝性使得通用的模型加速解算難以實現(xiàn),事件的離散調(diào)度導致難以對大量的計算模型進行規(guī)�；铀俳馑恪榇�,提出了一種基于聚合分載的計算模型加速解算方法GOMA。該方法針對同質(zhì)化計算密集型并行仿真應(yīng)用,基于保守運行機制,通過提取“安全事件”子集將解算過程相同的計算模型進行聚合,而后將規(guī)�；哪Ｐ徒馑氵^程分載至MIC計算平臺加速解算。典型測試用例表明,相對于僅使用CMP的情況,GOMA能夠獲得高達3.4倍的加速比。(3)提出了基于Work-Stealing和對象重組的并行仿真負載平衡方法。并行仿真的計算和通信負載不均衡容易成為系統(tǒng)性能瓶頸,由于靜態(tài)劃分難以預(yù)先在處理核心之間均衡地分配負載,全局事件調(diào)度機制僅局限于單機多核計算平臺,動態(tài)負載均衡是當前并行仿真負載平衡的重要途徑。然而,頻繁的動態(tài)遷移會引入額外的開銷而阻礙性能提升。為此,提出了一種基于Work-Stealing和對象重組的并行仿真負載平衡方法WSReG。該方法基于SE-HPTM,結(jié)合Work-Stealing和對象遷移的思想實現(xiàn)動態(tài)負載均衡:在進程內(nèi)部,通過Work-Stealing動態(tài)均衡線程間負載以減少對象遷移,由處于空閑狀態(tài)的線程分擔待處理事件最多的線程負載,并在滿足條件時進行對象重組,將總是“滿載”線程的部分仿真對象遷移至容易“空載”的線程;在進程之間,通過適度的對象遷移來均衡計算和通信負載。實驗結(jié)果表明,WSReG能夠有效提升系統(tǒng)的負載均衡度,從而提高仿真應(yīng)用性能。在上述研究成果的基礎(chǔ)上,論文設(shè)計實現(xiàn)了一個面向CMP+MIC計算平臺的并行仿真支撐環(huán)境ECMIC。社會民意趨勢仿真應(yīng)用測試結(jié)果表明,相比多進程方式在單獨CMP上的運行情況,ECMIC獲得高達42%左右的性能提升。
【圖文】：

高的片上存儲器訪問帶寬，但其在可編程性、訪存模式以及分支處理等方面的不足，一定程度上限制了其在并行仿真領(lǐng)域的應(yīng)用。集成眾核處理器 MIC 是 2012 年問世的基于眾核架構(gòu)的協(xié)處理器，其在單個芯片上集成了數(shù)十個計算核心，加之每個核心可同時支持 4 個硬件線程并發(fā)，使得MIC 協(xié)處理器具有豐富的線程資源，擁有強大的計算潛力。目前，MIC 已經(jīng)大量應(yīng)用在 Tianhe-2 和 Stampede 超級計算機上，其中 Tianhe-2 已經(jīng)在兩年內(nèi)連續(xù)五次蟬聯(lián)世界超級計算機 TOP1。更有利的一點，在于 MIC 采用精簡的 x86 核心，與經(jīng)典 CPU 擁有一致的指令集和相似的執(zhí)行模式，與 GPU 相比，，其在邏輯較復(fù)雜的應(yīng)用中更具優(yōu)勢，且 CPU 程序在 MIC 上的可移植性遠勝 GPU。此外，相比于多核處理器 CMP，眾核處理器具有更小的內(nèi)核，更多的硬件線程和更寬的矢量單元，以及更低的單核造價和功耗，能夠在相同的預(yù)算和功耗下提供更高的整體性能，更好地滿足高度并行化應(yīng)用的計算需求，并有效降低制造和運行成本。因此基于 CMP+MIC 體系結(jié)構(gòu)的高性能計算平臺（如圖 1.1 所示），具備強大的并行計算能力、低功耗高效能特性以及良好的性能價格比，正成為新一代高性能計算機發(fā)展的重要方向，也為并行仿真應(yīng)用的進一步發(fā)展提供了新的機遇。

圖 1.2 并行仿真執(zhí)行層次示意圖歸納起來，開展基于 CMP+MIC 計算平臺的并行仿真支撐技術(shù)研究的意義：（1）有效利用多核與眾核計算資源，提高仿真運行效率CMP+MIC 計算平臺表現(xiàn)出強大的計算潛力，其豐富的多核與眾核計算資源提高仿真的運行效率，滿足仿真不斷增長的計算需求提供了新的機遇。（2）積極借助高性能計算領(lǐng)域的最新成果，促進并行仿真技術(shù)的進一步發(fā)研究基于 CMP+MIC 計算平臺的并行仿真支撐技術(shù)，有利于借助高性能計域的最新成果，促進仿真應(yīng)用的進一步發(fā)展。（3）促進新型高性能計算平臺在分析仿真領(lǐng)域的應(yīng)用天河-2 號已經(jīng)展示了基于 CMP+MIC 的新型高性能計算平臺強大的計算能，然而，其計算能力能否在真實應(yīng)用中得到充分發(fā)掘需要更多的應(yīng)用測試和，研究基于 CMP+MIC 計算平臺的并行仿真支撐技術(shù)，為新一代高性能計算提供了仿真領(lǐng)域的真實應(yīng)用，對計算平臺本身的發(fā)展也具有良好的促進作用。總之，開展基于 CMP+MIC 計算平臺的并行仿真支撐技術(shù)研究，對于充分新型高性能計算機提供的硬件資源，提高仿真應(yīng)用的執(zhí)行速率，滿足仿真不
【學位授予單位】：國防科學技術(shù)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TP391.9;TP332

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 李伯虎;柴旭東;李潭;侯寶存;林廷宇;邢馳;姚益平;張霖;;復(fù)雜系統(tǒng)高效能仿真技術(shù)研究[J];中國電子科學研究院學報;2012年03期

2 姚益平;劉剛;;面向大規(guī)模體系仿真的高性能仿真計算機系統(tǒng)[J];系統(tǒng)仿真學報;2011年08期

3 孟凡亮;胡曉峰;蔣亞群;禹海全;徐旭林;;基于并行計算的大規(guī)模群體行為建模與仿真方法研究[J];計算機應(yīng)用;2010年06期

4 姚益平;張穎星;;基于并行處理的分析仿真解決方案[J];系統(tǒng)仿真學報;2008年24期

5 戴汝為;開展“系統(tǒng)復(fù)雜性”研究任重而道遠[J];復(fù)雜系統(tǒng)與復(fù)雜性科學;2004年03期

6 羅批,司光亞,胡曉峰,楊鏡宇;Swarm及其平臺下建特定民意模型的探討[J];系統(tǒng)仿真學報;2004年01期

7 羅批,司光亞,胡曉峰,楊鏡宇;戰(zhàn)爭系統(tǒng)多Agent民意模型的研究[J];系統(tǒng)仿真學報;2003年12期

8 胡峰,孫國基,衛(wèi)軍胡;動態(tài)系統(tǒng)計算機仿真技術(shù)綜述(Ⅰ)——仿真模型[J];計算機仿真;2000年01期

9 戴汝為;復(fù)雜巨系統(tǒng)科學——一門21世紀的科學[J];自然雜志;1997年04期

10 錢學森,于景元,戴汝為;一個科學新領(lǐng)域——開放的復(fù)雜巨系統(tǒng)及其方法論[J];自然雜志;1990年01期

相關(guān)博士學位論文 前4條

1 朱峰;并行離散事件仿真圖形化開發(fā)技術(shù)研究[D];國防科學技術(shù)大學;2015年

2 唐文杰;基于CMP+GPU異構(gòu)計算系統(tǒng)的并行離散事件仿真優(yōu)化技術(shù)研究[D];國防科學技術(shù)大學;2013年

3 張穎星;面向復(fù)雜系統(tǒng)應(yīng)用的并行離散事件仿真性能優(yōu)化技術(shù)研究[D];國防科學技術(shù)大學;2011年

4 蘇年樂;仿真模型可移植性規(guī)范的多核并行化研究[D];國防科學技術(shù)大學;2010年

本文編號：2656832