本文關(guān)鍵詞：基于國產(chǎn)高性能計算機的GRAPES性能優(yōu)化研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：數(shù)值天氣預(yù)報系統(tǒng)是一個高性能計算技術(shù)與數(shù)值天氣預(yù)報技術(shù)結(jié)合的綜合性學(xué)科。數(shù)值天氣預(yù)報技術(shù)的發(fā)展是推動高性能計算機發(fā)展的重要動力,而高性能計算的發(fā)展為數(shù)值天氣預(yù)報系統(tǒng)采用更加復(fù)雜準確的預(yù)報模型提供了軟硬件基礎(chǔ)。近年來,高性能計算機的性能不斷攀升,出現(xiàn)了以異構(gòu)眾核處理器為組建部件的異構(gòu)高性能計算機。與傳統(tǒng)的單核或多核處理器相比,異構(gòu)處理器的存儲體系和訪存方式發(fā)生了巨大的變化,需要研究新的并行計算方法發(fā)揮異構(gòu)高性能計算機的體系結(jié)構(gòu)優(yōu)勢。GRAPES是我國自主研發(fā)的新一代研究/業(yè)務(wù)數(shù)值天氣預(yù)報系統(tǒng),其通信模式和計算過程復(fù)雜,代碼量高達十萬余行。如何利用新一代國產(chǎn)異構(gòu)高性能計算機的體系結(jié)構(gòu)優(yōu)勢,提高GRAPES模式在國產(chǎn)高性能計算機上的運算效率和計算速度,達到實際數(shù)值預(yù)報業(yè)務(wù)的時限要求,改善GRAPES模式在大規(guī)模并行時的可擴展性,是亟待研究的問題。本文研究了GRAPES的計算原理,對GRAPES程序結(jié)構(gòu)進行了分析并找到影響GRAPES并行效率和可擴展性的熱點子程序。通過對國產(chǎn)高性能計算系統(tǒng)的深入了解,構(gòu)建了實驗所需的MPI并行環(huán)境。針對模式I/O及初始化部分“通信熱點”集中,系統(tǒng)消息緩存過大等問題,為各個子程序分別設(shè)計了高效的通信策略,有效提升了程序的可擴展性和運行速度,其中部分子程序的性能提升達到5倍以上。對于模式迭代積分過程,設(shè)計了“粗粒度MPI并行+細粒度眾核并行”多級異構(gòu)并行方案,充分利用異構(gòu)高性能計算機的體系結(jié)構(gòu)優(yōu)勢,使用數(shù)量眾多的協(xié)處理器為GRAPES模式的迭代積分過程提供加速效果,并提出了幾種多級異構(gòu)并行方案的優(yōu)化策略,有效提升了該方案的并行效率,在使用4096至256顆處理器核進行10天預(yù)報迭代積分過程時,可分別減少1至6個小時不等的運行時間。通過使用兩種不同分辨率的輸入數(shù)據(jù),在多個并行規(guī)模下對優(yōu)化方案進行測試,得到了程序各部分消耗的墻鐘時間,并計算了程序的加速比和并行效率。實驗結(jié)果表明,本文設(shè)計的各種優(yōu)化方案有效地提高了GRAPES模式的運行效率,改善了GRAPES模式的可擴展性,充分發(fā)揮了異構(gòu)眾核處理器的優(yōu)勢,使GRAPES模式能夠達到實際數(shù)值預(yù)報業(yè)務(wù)的時限要求。此外,本文提出的多級異構(gòu)并行計算方案和優(yōu)化策略不僅適用于數(shù)值天氣預(yù)報系統(tǒng)GRAPES,也適用于其他具有多重循環(huán)的高性能計算課題,具有一定的推廣意義。
【關(guān)鍵詞】：GRAPES模式 數(shù)值天氣預(yù)報 并行計算 異構(gòu)計算機 多級并行 優(yōu)化策略
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TP38
【目錄】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 緒論10-15
• 1.1 研究背景10-13
• 1.1.1 數(shù)值天氣預(yù)報發(fā)展概況10-11
• 1.1.2 國內(nèi)外高性能計算系統(tǒng)發(fā)展概況11-13
• 1.2 課題來源及目的13-14
• 1.3 本文主要研究內(nèi)容14-15
• 第二章 消息傳遞接口及實驗平臺綜述15-21
• 2.1 消息傳遞編程規(guī)范15-17
• 2.1.1 消息傳遞編程模型15-16
• 2.1.2 MPI的產(chǎn)生16
• 2.1.3 MPI的實現(xiàn)16-17
• 2.2 MPI并行環(huán)境構(gòu)建17-19
• 2.2.1 本課題采用的MPI實現(xiàn)17-18
• 2.2.2 配置MPICH實驗環(huán)境18-19
• 2.3 硬件環(huán)境介紹19-20
• 2.4 本章小結(jié)20-21
• 第三章 程序結(jié)構(gòu)及性能分析21-26
• 3.1 GRAPES程序結(jié)構(gòu)21-23
• 3.2 GRAPES并行區(qū)域分解方案23-24
• 3.3 程序性能數(shù)據(jù)獲取及分析24-25
• 3.3.1 獲取程序性能數(shù)據(jù)24
• 3.3.2 性能數(shù)據(jù)分析24-25
• 3.4 本章小結(jié)25-26
• 第四章 GRAPES模式I/O及初始化優(yōu)化26-35
• 4.1 GRAPES_INPUT子程序優(yōu)化方案設(shè)計與實現(xiàn)26-30
• 4.1.1 grapes_input子程序結(jié)構(gòu)分析26-28
• 4.1.2 grapes_input子程序優(yōu)化方案設(shè)計28-30
• 4.2 COLM_INIT子程序優(yōu)化方案設(shè)計與實現(xiàn)30-32
• 4.2.1 colm_init子程序結(jié)構(gòu)分析30-31
• 4.2.2 colm_init子程序優(yōu)化方案設(shè)計31-32
• 4.3 模式輸出子程序優(yōu)化方案設(shè)計與實現(xiàn)32-34
• 4.3.1 模式輸出子程序結(jié)構(gòu)分析32-33
• 4.3.2 模式輸出子程序優(yōu)化方案設(shè)計33-34
• 4.4 本章小結(jié)34-35
• 第五章 GRAPES異構(gòu)并行算法研究35-46
• 5.1 眾核并行編程模型介紹35-36
• 5.2 GRAPES多級混合并行編程方案設(shè)計36-38
• 5.3 眾核并行編程優(yōu)化策略38-39
• 5.3.1 數(shù)據(jù)布局優(yōu)化38
• 5.3.2 計算與DMA通信相互隱藏38-39
• 5.3.3 離散數(shù)組內(nèi)存調(diào)整39
• 5.4 眾核并行編程的實現(xiàn)39-44
• 5.4.1 眾核并行編程方法39-43
• 5.4.2 使用Open Acc進行眾核編程43-44
• 5.5 本章小結(jié)44-46
• 第六章 實驗結(jié)果與性能分析46-57
• 6.1 模式I/O及初始化優(yōu)化結(jié)果及分析46-49
• 6.1.1 grapes_input子程序優(yōu)化結(jié)果46-47
• 6.1.2 colm_init子程序優(yōu)化結(jié)果47-48
• 6.1.3 模式輸出子程序優(yōu)化結(jié)果48-49
• 6.2 模式積分迭代過程優(yōu)化結(jié)果及分析49-52
• 6.3 預(yù)報結(jié)果驗證52-56
• 6.4 本章小結(jié)56-57
• 第七章 總結(jié)與展望57-59
• 7.1 全文工作總結(jié)57
• 7.2 進一步研究的展望57-59
• 參考文獻59-62
• 致謝62-63
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文63-65

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本文編號：390524