中科大多核并行計(jì)算課件

中科大多核并行計(jì)算課件本課件將深入探討多核并行計(jì)算技術(shù)，涵蓋基本概念、程序設(shè)計(jì)、性能分析等方面，并結(jié)合實(shí)際案例，幫助您理解多核并行計(jì)算的原理和應(yīng)用。課件概述多核并行計(jì)算介紹多核處理器、并行編程模型和關(guān)鍵技術(shù)。實(shí)踐案例提供OpenMP、MPI和CUDA等編程框架的實(shí)際案例。性能優(yōu)化分析并行程序性能瓶頸，探討優(yōu)化策略和方法。課件目標(biāo)理論基礎(chǔ)深入理解多核并行計(jì)算的基本理論，包括多核處理器的架構(gòu)、并行編程模型、線程和進(jìn)程的管理，以及常見的并行編程技術(shù)。實(shí)踐技能掌握常用的并行編程工具，例如OpenMP和MPI，能夠編寫高效的多核并行程序，解決實(shí)際問題。應(yīng)用案例通過實(shí)例分析，展示多核并行計(jì)算在不同領(lǐng)域的應(yīng)用，例如科學(xué)計(jì)算、機(jī)器學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)處理等。多核處理器簡介多核處理器是指在一個(gè)單一芯片上集成多個(gè)處理器內(nèi)核。每個(gè)內(nèi)核都能獨(dú)立運(yùn)行，并行處理不同的任務(wù)。近年來，多核處理器已成為主流，并持續(xù)發(fā)展，每個(gè)芯片上的內(nèi)核數(shù)量越來越多，以滿足日益增長的計(jì)算需求。多核處理器的架構(gòu)核心每個(gè)核心都包含一個(gè)完整的CPU，可以獨(dú)立執(zhí)行指令。緩存每個(gè)核心都擁有自己的緩存，用于存儲(chǔ)最近訪問的數(shù)據(jù)，以提高訪問速度。互連核心之間通過互連網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，以協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)共享和任務(wù)分配。多核并行編程基礎(chǔ)線程輕量級進(jìn)程，共享地址空間，提供并發(fā)執(zhí)行能力。進(jìn)程獨(dú)立的內(nèi)存空間和資源，通過進(jìn)程間通信進(jìn)行交互。同步機(jī)制協(xié)調(diào)多個(gè)線程或進(jìn)程之間的訪問，確保數(shù)據(jù)一致性。通信機(jī)制允許線程或進(jìn)程之間交換數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)信息共享。多核軟件開發(fā)挑戰(zhàn)1并行性將任務(wù)分解成可以獨(dú)立執(zhí)行的多個(gè)子任務(wù)，以充分利用多核處理器的能力。2通信和同步管理多個(gè)核之間的數(shù)據(jù)共享和通信，以確保所有核協(xié)同工作。3負(fù)載平衡將工作負(fù)載均勻分配到所有核，以避免某些核過載而另一些核閑置。4調(diào)試和測試在多核環(huán)境中調(diào)試和測試軟件比單核環(huán)境更復(fù)雜。并行計(jì)算模型數(shù)據(jù)并行將數(shù)據(jù)分割成多個(gè)部分，并在不同的處理器上執(zhí)行相同操作。任務(wù)并行將任務(wù)分割成多個(gè)子任務(wù)，并在不同的處理器上執(zhí)行不同的操作。流水線并行將任務(wù)分解成一系列步驟，并將這些步驟分配給不同的處理器。線程和進(jìn)程線程輕量級執(zhí)行單元，共享同一地址空間。進(jìn)程獨(dú)立的執(zhí)行環(huán)境，擁有自己的地址空間和資源。線程同步和互斥1數(shù)據(jù)一致性確保多線程訪問共享資源時(shí)數(shù)據(jù)的一致性，避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)沖突。2臨界區(qū)保護(hù)共享資源的代碼片段，一次僅允許一個(gè)線程訪問。3互斥量一種同步機(jī)制，用于控制對臨界區(qū)的訪問。4信號量用于管理多個(gè)資源，控制對資源的訪問數(shù)量。5條件變量用于等待特定條件的發(fā)生，然后喚醒等待線程。線程通信機(jī)制共享內(nèi)存線程可以訪問相同的內(nèi)存空間,但需要同步機(jī)制以確保數(shù)據(jù)的一致性.消息傳遞線程通過發(fā)送和接收消息來交換數(shù)據(jù),適用于線程之間沒有共享內(nèi)存的情況.管道線程使用管道作為通信通道,用于單向或雙向數(shù)據(jù)傳輸.OpenMP簡介OpenMP是一個(gè)用于共享內(nèi)存并行編程的應(yīng)用程序編程接口（API），旨在為多核和多處理器系統(tǒng)提供并行執(zhí)行。OpenMP使用編譯器指令和運(yùn)行時(shí)庫來指定并行區(qū)域，并管理線程創(chuàng)建、同步和通信。OpenMP編程模型1共享內(nèi)存模型所有線程共享同一個(gè)地址空間2指令式編程通過編譯器指令控制并行化3動(dòng)態(tài)線程管理自動(dòng)創(chuàng)建和管理線程OpenMP指令及用法并行區(qū)域使用#pragmaompparallel指令定義并行區(qū)域，將代碼塊分配給多個(gè)線程執(zhí)行。循環(huán)并行使用#pragmaompparallelfor指令將循環(huán)迭代分配給不同的線程，提高循環(huán)執(zhí)行效率。數(shù)據(jù)共享和私有化使用private,shared,firstprivate等關(guān)鍵字控制變量在不同線程間的可見性和訪問方式。同步和互斥使用critical,atomic,barrier等指令協(xié)調(diào)線程間的執(zhí)行順序，避免數(shù)據(jù)競爭。OpenMP內(nèi)存模型和性能共享內(nèi)存模型所有線程可以訪問相同的內(nèi)存空間數(shù)據(jù)一致性線程之間的數(shù)據(jù)同步和互斥緩存一致性協(xié)議確保緩存數(shù)據(jù)的一致性性能優(yōu)化利用緩存局部性和數(shù)據(jù)并行性MPI簡介MPI(MessagePassingInterface)是一種用于編寫并行程序的標(biāo)準(zhǔn)API。MPI允許進(jìn)程在不同的節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行通信，并執(zhí)行并行計(jì)算。MPI提供了豐富的通信機(jī)制，例如點(diǎn)對點(diǎn)通信、集合通信和廣播。MPI是一個(gè)廣泛使用的并行編程標(biāo)準(zhǔn)，被許多高性能計(jì)算系統(tǒng)所支持。MPI編程模型1進(jìn)程間通信MPI允許進(jìn)程之間通過消息傳遞進(jìn)行通信，以交換數(shù)據(jù)和協(xié)調(diào)操作。2虛擬拓?fù)銶PI支持創(chuàng)建虛擬拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，例如環(huán)形、網(wǎng)格或樹形，以優(yōu)化進(jìn)程間的通信效率。3集合通信MPI提供了用于處理大量數(shù)據(jù)并行操作的集合通信函數(shù)，例如廣播、散布和歸約。MPI通信原語發(fā)送和接收MPI_Send和MPI_Recv函數(shù)用于在進(jìn)程之間傳遞數(shù)據(jù)。每個(gè)進(jìn)程可以發(fā)送或接收數(shù)據(jù)給另一個(gè)進(jìn)程。收集和散布MPI_Gather和MPI_Scatter函數(shù)用于將數(shù)據(jù)從多個(gè)進(jìn)程收集到單個(gè)進(jìn)程或?qū)?shù)據(jù)從單個(gè)進(jìn)程散布到多個(gè)進(jìn)程。廣播MPI_Bcast函數(shù)用于將數(shù)據(jù)從一個(gè)進(jìn)程廣播到所有其他進(jìn)程。MPI集合通信廣播一個(gè)進(jìn)程將數(shù)據(jù)發(fā)送到組中的所有其他進(jìn)程。散播一個(gè)進(jìn)程將數(shù)據(jù)發(fā)送到組中的所有其他進(jìn)程，每個(gè)進(jìn)程接收不同數(shù)據(jù)。聚集組中的所有進(jìn)程將數(shù)據(jù)發(fā)送到一個(gè)進(jìn)程。歸約組中的所有進(jìn)程將數(shù)據(jù)發(fā)送到一個(gè)進(jìn)程，該進(jìn)程對數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算并返回結(jié)果。MPI并行算法設(shè)計(jì)1分解將問題分解成獨(dú)立的任務(wù)2分配將任務(wù)分配給不同的處理器3通信處理器之間協(xié)作，共享數(shù)據(jù)4合并將結(jié)果合并成最終解GPU并行計(jì)算概述GPU(圖形處理單元)是一種專門為圖形渲染設(shè)計(jì)的處理器，其高度并行架構(gòu)使其適合執(zhí)行密集型計(jì)算任務(wù)，例如科學(xué)模擬、機(jī)器學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)分析。GPU的核心是大量并行處理單元，可以同時(shí)執(zhí)行多個(gè)任務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)比CPU更快的計(jì)算速度。CUDA編程模型1線程層次結(jié)構(gòu)CUDA使用線程塊和線程網(wǎng)格的概念組織線程，形成一個(gè)多級層次結(jié)構(gòu)，允許多個(gè)線程并行執(zhí)行。2內(nèi)核函數(shù)內(nèi)核函數(shù)是運(yùn)行在GPU上的代碼，它被多個(gè)線程并行執(zhí)行，每個(gè)線程負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)的一部分。3內(nèi)存管理CUDA提供不同的內(nèi)存空間，包括全局內(nèi)存、共享內(nèi)存和寄存器，供GPU內(nèi)核訪問和共享數(shù)據(jù)。CUDA內(nèi)存管理設(shè)備內(nèi)存GPU上的內(nèi)存，用于存儲(chǔ)在內(nèi)核中使用的程序代碼和數(shù)據(jù)。主機(jī)內(nèi)存CPU上的內(nèi)存，用于存儲(chǔ)主機(jī)代碼和數(shù)據(jù)。共享內(nèi)存在GPU上的每個(gè)線程塊中共享的一小塊高速緩存內(nèi)存。常量內(nèi)存在GPU上的只讀內(nèi)存，用于存儲(chǔ)常量數(shù)據(jù)。CUDA并行算法優(yōu)化線程塊分配優(yōu)化線程塊大小和數(shù)量以最大程度利用GPU資源.內(nèi)存訪問模式使用共享內(nèi)存和紋理內(nèi)存來減少內(nèi)存訪問延遲.數(shù)據(jù)局部性通過數(shù)據(jù)組織和算法設(shè)計(jì)提高數(shù)據(jù)局部性，減少內(nèi)存訪問沖突.并行化策略選擇合適的并行化策略，如數(shù)據(jù)并行或任務(wù)并行，以最大程度地提高性能.異構(gòu)計(jì)算編程范式CPU和GPU協(xié)同利用CPU的通用性和GPU的并行處理能力，以提高計(jì)算效率。開放式編程接口OpenCL等標(biāo)準(zhǔn)提供了一種跨平臺(tái)的編程模型，支持多種異構(gòu)計(jì)算設(shè)備。數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)化高效管理CPU和GPU之間的數(shù)據(jù)傳輸，以最大限度地減少通信開銷。OpenACC簡介OpenACC是一種用于加速并行計(jì)算的指令集，可用于C、C++和Fortran編程語言。它提供了一種簡單且易于使用的語法，允許開發(fā)人員使用OpenACC指令來標(biāo)記他們希望并行化的代碼部分。OpenACC支持多種并行計(jì)算平臺(tái)，包括CPU、GPU和協(xié)處理器。它提供了一組豐富的指令，用于管理數(shù)據(jù)并行性、任務(wù)并行性和協(xié)同設(shè)計(jì)。此外，OpenACC還支持多種優(yōu)化技術(shù)，以提高并行程序的性能。OpenACC編程模型指令式編程OpenACC采用指令式編程模型，使用編譯器指令在C、C++和Fortran代碼中添加并行性。數(shù)據(jù)并行OpenACC專注于數(shù)據(jù)并行性，使用循環(huán)并行和數(shù)據(jù)遷移指令來優(yōu)化代碼。設(shè)備管理OpenACC提供簡化的設(shè)備管理機(jī)制，自動(dòng)管理數(shù)據(jù)在CPU和GPU之間的傳輸?？梢浦残設(shè)penACC支持多種硬件平臺(tái)，包括CPU、GPU和協(xié)處理器，并提供跨平臺(tái)的代碼移植性。OpenACC性能優(yōu)化1數(shù)據(jù)布局優(yōu)化調(diào)整數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和內(nèi)存訪問模式，以最大程度地利用緩存和內(nèi)存帶寬。2循環(huán)優(yōu)化使用OpenACC指令優(yōu)化循環(huán)，例如數(shù)據(jù)并行化和線程并行化。3并行算法優(yōu)化選擇最適合并行計(jì)算的算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，例如并行排序和矩陣乘法。高性能并行計(jì)算應(yīng)用實(shí)例在科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)分析等領(lǐng)域，高性能并行計(jì)算發(fā)揮著越來越重要的作用。以下是一些典型的應(yīng)用實(shí)例：天氣預(yù)報(bào)：使用并行計(jì)算模擬大氣和海洋模型