众核处理器

摘要： 随着口令恢复的计算需求不断增加,传统的口令恢复工具不能满足实际的计算需求.基于神威OpenACC二次代码开发的优化策略,提出了较好的解决方案.采用申威众核处理器,对Office口令恢复程序进行移植和优化,充分利用众核处理器的从核计算性能和局部存储优势,在加速循环并行化、优化全局访存操作、提高数据传输效率三个方面进行了改进与优化,并通过实验对该方法的正确性、有效性进行了分析和验证.用Office DOC 2007的加密文档作为测试案例,经过多种数据规模测试,并与传统的口令恢复工具和开源的Hashcat口令恢复工具进行了实验对比.实验结果与性能分析表明,该方法能够较好地发挥申威众核处理器的优势,在申威众核处理器上实现Office口令恢复,具有良好的加速比,能有效满足实际的应用需求.

摘要： 异构众核已成为超级计算机架构的发展趋势,而如何有效利用众核处理器的计算能力,是当前CFD界的一项重大挑战.该文面向异构众核处理器,基于自主开发代码,开展水动力学CFD并行计算探索研究.首先分析异构众核给CFD并行计算带来的挑战;针对国产申威26010处理器,对SIMPLE算法和人工压缩算法设计众核并行方案,并通过二维方腔驱动流算例,对计算结果和众核加速效果进行验证和测试;然后,针对SIMPLE算法热点分散的特点,采用循环融合的方法对其计算流程进行优化.研究结果表明:SIMPLE算法和人工压缩算法分别获得11倍和24倍的最高加速.该项研究工作,初步展现了众核处理器在水动力学CFD并行计算中的应用潜力.

摘要： 过去20余年,在国家科技计划持续支持下,中国的高性能计算事业得到长足发展,目前,正在向EFlops级(百亿亿次级,简称E级)高性能计算机的目标冲刺.本文简要回顾了我国高性能计算发展的历史,针对当前E级计算所遇到的困难,从体系结构、处理器、互连网络、并行操作系统、并行编程、算法和可靠性等7个方面,探讨了需要重点研究和解决的技术问题.

摘要： [目的]随着云计算、物联网以及人工智能等新型高通量应用的迅速兴起,高性能计算的主要应用从传统的科学与工程计算为主逐步演变为以新兴数据处理为核心,这给传统处理器带来了巨大的挑战,而高通量众核处理器作为面向此类应用的新型处理器结构成为重要的研究方向.[方法]针对上述问题,本文分析了高通量典型应用特征,从数据处理端、传输端以及存储端三个核心环节开展了高通量众核处理器关键技术设计探讨,包括实时任务动态调度、高密度片上网络设计、片上存储层次优化等.[结果]实验结果显示上述机制可以有效确保任务的服务质量,提升网络的数据吞吐率,以及简化片上存储层次.[结论]随着万物互联时代对高并发强实时处理的迫切需求,高通量众核处理器有望成为未来数据中心的核心处理引擎.

摘要： 【目的】随着云计算、物联网以及人工智能等新型高通量应用的迅速兴起,高性能计算的主要应用从传统的科学与工程计算为主逐步演变为以新兴数据处理为核心,这给传统处理器带来了巨大的挑战,而高通量众核处理器作为面向此类应用的新型处理器结构成为重要的研究方向。【方法】针对上述问题,本文分析了高通量典型应用特征,从数据处理端、传输端以及存储端三个核心环节开展了高通量众核处理器关键技术设计探讨,包括实时任务动态调度、高密度片上网络设计、片上存储层次优化等。【结果】实验结果显示上述机制可以有效确保任务的服务质量,提升网络的数据吞吐率,以及简化片上存储层次。【结论】随着万物互联时代对高并发强实时处理的迫切需求,高通量众核处理器有望成为未来数据中心的核心处理引擎。

摘要： 用于众核处理器拓扑重构的行波列借算法是一种基于物理拓扑规整性贪心原则的局部搜索算法。由于其缺乏对处理器物理拓扑全局考虑,拓扑重构时易连锁列借操作,导致虚拟拓扑性能不高。针对这种情况,本文首先求解处理器物理拓扑最优AMD解集,充分获取了处理器物理拓扑的优化全局信息,在此基础上以物理拓扑规整性为贪心原则,设计出了一种更加优化的拓扑重构近似算法。实验表明,失效核心越多,该算法的优越性越显著。

摘要： 用于众核处理器拓扑重构的行波列借算法是一种基于物理拓扑规整性贪心原则的局部搜索算法.由于其缺乏对处理器物理拓扑全局考虑,拓扑重构时易连锁列借操作,导致虚拟拓扑性能不高.针对这种情况,本文首先求解处理器物理拓扑最优AMD解集,充分获取了处理器物理拓扑的优化全局信息,在此基础上以物理拓扑规整性为贪心原则,设计出了一种更加优化的拓扑重构近似算法.实验表明,失效核心越多,该算法的优越性越显著.

摘要： 基于Intel第二代Xeon Phi代号为Knights Landing(KNL)众核处理器平台,利用MPI+OpenMP混合编程策略对并行矩量法(Method of Moments,MoM)进行了优化.利用OpenMP编程技术和KNL的计算资源,提高了CPU(Center Processing Unit)使用率;线程的引入,大幅度减少了矩阵填充过程中进程间的冗余积分;为发挥KNL的512位矢量宽度优势,通过向量化优化进一步提高了循环结构的执行效率;对计算密集型、CPU利用率高的矩阵求解过程,通过引入的OpenMP编程策略,减少了MPI(Message Passing Interface)通信时间,加速了求解.数值结果表明,通过在KNL众核处理器平台上的优化,可以极大地提升矩量法计算复杂电磁问题的效率.

摘要： 三对角方程求解器一种在很多科学与工程领域广泛应用的数值计算核心.目前,CPU、GPU、MIC等主流硬件平台上都提出了高度优化的并行算法,同时有基础数学库支持.但是对于中国自主研发的申威26010众核处理器,还没有一种算法能有效地利用其软件可控缓存和寄存器通信等机制来达到最大化的性能.本文提出了一种分布式CR算法swDCR,来求解大量的、规模不大的三对角方程.其吞吐率相比主核上的追赶法达到了单精度43.9倍和双精度36.7倍的加速,相比从核上的追赶法达到了单精度和双精度均2.07倍的加速.该算法对每个三对角方程使用多个从核并行求解,通过联合多个从核的缓存使得运算过程中所有中间变量都能存储在缓存中,同时利用寄存器通信完成核间数据的高速传输.通过设计线程级数据划分机制,使得向量化的优化效果最大化.swDCR已经达到理论上最小的主存访问量,即读取输入数据和写回输出数据,同时在申威处理器单个核组上可以获得24GB/s的带宽,达到硬件理论带宽的70％.

摘要： 众核处理器设计在芯片面积上受到了巨大挑战,如何将有限的芯片面积更多地投入到运算能力中,是众核处理器体系结构研究中的热点.文章聚焦众核处理器的指令缓存结构设计,研究通过在多个核心之间共享一级指令缓存,以获取指令系统及处理器流水线性能的提升.给出了共享指令缓存的结构设计,对该结构进行了节拍级精确的性能模拟,并通过RTL级代码的综合得到了面积开销和时序指标.测试结果表明,共享指令缓存可以降低11％到27％的缓存脱靶率,提升4％到7％的流水线性能.

摘要： 非cache结构异构众核架构具有超高的性能功耗比,已成为超级计算机体系结构的重要发展方向.但众核系统更为复杂的并行层次和存储层次,给系统的可编程性带来了极大挑战.本文提出一种面向非cache结构异构众核处理器的同构编程方法,有效降低异构众核系统并行应用的编程难度;针对同构编程的核心问题,提出了同构编程模型下的集合通信优化方法,有效提升了同构编程的通信效率.本文方法首次在没有完整通信能力的众核核心上实现了同构编程,对于缓解异构众核系统的可编程性难题具有重要的参考意义.broadcast和Allto-all的实验结果表明,本文提出的编程和优化方法具有良好的通信性能。

摘要： 多/众核处理器集成的计算核心数增加、片上网络规模增大、拓扑结构层次化,使得访存行为越来越复杂.针对这一领域,首先建立请求者-服务者访存行为理想化模型,分析了处理器访存请求延迟与内存延迟、通道传输延迟之间的关系.进一步,建立更加真实的分簇-多级访存模型,并通过模拟器研究了体系结构(计算簇数、计算核心数、内存延迟等)和应用特征(访存数据长度等)对访存行为的影响.接着,测试了Cell和GTX200 GPU两种众核处理器,部分验证了前面的分析模拟结果.处理器访存行为研究可有效指导体系结构、编程模型、算法设计等硬软件设计.

摘要： 集成电路工艺持续进步,在功耗、互连线延迟和设计复杂度等的约束下,处理器逐步从单核、多核结构发展到众核(大规模多核)结构.传统Cache一致性协议难以适应众核处理器的需求,需要对Cache一致性问题展开新的研究.本文首先概括了传统一致性协议在众核处理器中面临的主要困难,然后列举了4类Cache一致性相关研究问题:协议设计、性能评价、协议验证以及可靠性与容错.对每一个问题选取了主要的研究方向,讨论了目标、研究现状,并对未来的研究作了展望.最后,对众核处理器Cache一致性问题的研究空间进行了总结.

摘要： 众核处理器的并行计算为AVS并行解码器的实现提供了基础,提出了一种功能并行和数据并行混合的并行设计方案,该方案采用了帧间和宏块行的两级并行.使用Tilera推出的Tile-Gx36众核处理器,同时利用该处理器提供的SIMD指令集进行了反量化、反变换、插值等模块的优化.实验结果表明该设计具有良好的并行加速比,可以在6个核的条件下完成1路AVS高清实时解码.

摘要： 格点量子色动力学(lattice QCD)是用格点量子场论研究量子色动力学(QCD)的一种主流非微扰理论计算方法,通过将场变量定义在离散的时空格点上以及结合大规模的Monte Carlo数值模拟计算,其计算结果可直接与实验进行比较,但常规的计算平台难以满足大规模和高精度的格点QCD计算模拟需求.神威太湖之光超级计算机是世界上第一台峰值性能超过1OOPflops的超级计算机,其为格点QCD的计算提供了新的平台,但在该平台上实现高效的格点QCD大规模并行计算仍面临着诸多难题.为实现格点QCD在神威太湖之光上的高效计算,本文针对申威处理器设计了一种格点QCD并行加速计算方法,充分利用申威处理器体系架构的并行特性,提出了一种新的并行计算方法,并对数据分割、数据传输和并行计算方法进行了改进与优化.最后使用测试数据对本文提出的优化并行化计算方法以及传统串行计算方法进行测试,实验表明,并行优化后的计算方法相较于原始串行计算方法可获得63倍的性能提升.

摘要： 本文研究了3D集成技术条件下,电路级、部件级、模块级等不同层次的处理器分割方案,并分析各种分割方式下的收益.最后以一种众核处理器原型为例,进行了3D集成条件下的技术分析.本文所选择的四种分割方式对处理器频率提升和功耗降低均没有大幅改进。但各种方案对集成密度影响很大，需要综合考虑不同die上的逻辑分布收益。不同分割方式的TSV密度要求和设计复杂度要求差异也很大，尤其是TSV密度存在2个数量级的差异，TSV需要占用Die的器件层面积，如果密度过大不但造成大量的面积消耗，而且造成TSV实现难度和成品率的大幅下降。因此实际设计中需要根据实际需求和条件，选择性价比最高的分割方法。

摘要： Explicit Data Graph Execution( EDGE)ISA是一种专门为类数据流驱动的分片式众核处理器而设计的指令集体系结构.相较于传统的采用控制流驱动的处理器,EDGE结构以超块(Hyperblock)而不是单个指令作为其执行单位,在超块内部实现数据流执行,超块之间按照推测序保持控制流执行,有利于挖掘指令级并行性.但是,EDGE编译器按照程序的串行执行顺序组织超块,超块间和超块内部受限于数据依赖,削弱了整个程序运行时的潜在数据级并行性和线程级并行性,不利于发挥EDGE分片式结构的优势.本文通过分析EDGE编译器超块组织的特点,结合EDGE结构特有的执行模型,提出一种普适性的超块组织框架来模拟EDGE结构上多线程运行的效果,进一步挖掘EDGE结构运行串行单线程程序时的指令级并行性.本文选用TRIPS微处理器作为EDGE结构的实例处理器,利用矩阵乘法等三个实验验证了我们所提出的框架的可行性,实验结果表明这些应用在TRIPS上获得了较好的性能提升.

摘要： 大气模式是当前气候系统模式中最重要的组件之一.随着科学家们对气候问题研究的深入,对大气模式分辨率的要求越来越高.欧拉方程作为大气模式动力框架的常用控制方程,其求解速度对于高分辨率大气模拟至关重要.由于欧拉方程全隐式求解方法的时间积分步长与分辨率是独立的,使得其在高分辨率大气模式的研制中具有重要的研究价值.同时,异构众核成为未来高性能计算机的主流发展趋势之一,研究大气模式在异构众核平台上的优化也受到了越来越多的关注.本文研究了一个全新的大气欧拉方程全隐式求解算法中的雅克比矩阵生成程序在新发布的国产异构众核超级计算机神威·太湖之光上的优化.通过从核并行、双缓冲、向量化和混合精度等优化手段,在单核组计算网格规模为524288时,与优化的主核程序相比获得了110.33倍的加速.单核组求解问题规模从524288网格点减少到4096网格点,程序依然可以有效利用所有的从核计算资源,保持70％的加速效果。

摘要： 本发明公开了一种温度约束下的暗核感知众核系统处理器资源分配方法，当有新的应用程序进入众核系统并请求分配核心运行时，建立基于应用程序吞吐量性能模型的动态计算网络，利用动态计算网络决策是否要增加新的应用程序进入众核系统运行和下一时刻每个应用程序运行时的核心分配方案。该发明通过考虑应用程序计算需求、暗核数量时变性，动态分配、调整核心分配方案，权衡当前正在执行的应用程序性能和在就绪队列的应用程序的等待时间，最终提高芯片吞吐量。

摘要： 一种众核处理器及其核间通信的方法、主核和从核，其中，所述众核处理器核间通信的方法包括：从核在对应的共享交互区的数据区装填消息，之后利用核间中断通知主核；所述主核在收到所述从核发送的核间中断后申请共享缓存空间，若申请共享缓存空间失败则申请对应所述从核的预留缓存空间；所述主核从所述共享交互区获取消息并保存到申请到的缓存空间，之后所述主核释放所述共享交互区；所述主核处理所述消息，在处理完所述消息后，释放所述申请到的缓存空间。本发明的众核处理器及其核间通信方法不会造成消息丢失，提供了可靠的核间通信机制。

摘要： 本发明公开一种国产众核处理器计算核内存压缩方法，包括以下步骤：进行进程保留时，操作系统进程保留接口先调用内核级的压缩接口对进程当前使用的内存映像进行压缩，再将压缩后的内存映像数据写入检查点文件中；在进程恢复时，操作系统进程恢复接口先调用内核级的解压缩接口对检查点文件中读出的内存映像数据进行解压缩，再将解压缩后的内存映像数据恢复到进程的内存空间中。本发明解决了当前国产超级计算机中进程保留恢复耗时长，用户体验较差的问题。

摘要： 本发明涉及一种基于申威众核处理器的核组内分组自适应调整运行方法，包括：(1)对核组的资源进行分组：当从核阵列只接收了一个程序段，则不进行从核阵列的数量分组，否则，如果从核阵列接收了n个无程序上下文依赖关系的程序段，n＞1，则将从核阵列中的64个从核平均分成n组，分别分配给这n个程序段；(2)监控从核阵列运行状态、从核阵列的分组I/O情况，并将获得的监控信息发送至从核阵列可分组算法；(3)对传送的监控信息进行实时评估，根据评估结果对各并行应用程序段使用的从核数量进行实时调整；(4)周期性的执行上述步骤(1)至步骤(3)，使被调整的并行程序段达到核组内从核计算资源利用率和I/O带宽利用率的均衡。

摘要： 一种众核处理器及其核间通信的方法、主核和从核，其中，所述众核处理器核间通信的方法包括：从核在对应的共享交互区的数据区装填消息，之后利用核间中断通知主核；所述主核在收到所述从核发送的核间中断后申请共享缓存空间，若申请共享缓存空间失败则申请对应所述从核的预留缓存空间；所述主核从所述共享交互区获取消息并保存到申请到的缓存空间，之后所述主核释放所述共享交互区；所述主核处理所述消息，在处理完所述消息后，释放所述申请到的缓存空间。本发明的众核处理器及其核间通信方法不会造成消息丢失，提供了可靠的核间通信机制。

摘要： 本发明涉及一种基于申威众核处理器的主核与核组之间通信锁同步运行加速方法，包括步骤如下：A、判断程序段A、程序段B、程序段C之间的程序上下文依赖关系；如果程序段A、程序段B、程序段C三者之间都存在程序上下文依赖关系，则顺序执行；否则，调整程序段A、程序段B、程序段C之间的执行顺序，进行执行；B、对连续的后三段程序段执行步骤A直至执行完所有的程序。本发明判断程序段之间的程序上下文依赖关系，分情况灵活处理，还引入了“通信锁”同步机制，节省了主核等待时间，实现了主核和核组的并行处理，程序执行过程中，减少了对spawn和join核组线程的需要次数，提高了程序的执行效率。

摘要： 本发明公开一种众核处理器上从核局存空间动态管理方法，主核进程在每个从核上启动一个守护线程，并根据程序执行流程，请求从核守护线程执行指定的从核子函数，包括建立新的数据环境、执行加速段子函数、撤销当前的数据环境，或请求从核线程终止运行。本发明可消除空间申请、释放的管理开销，提高从核局存空间的利用率，避免局存空间碎片化现象，增加从核线程栈可用的空间。

摘要： 本发明涉及一种基于新一代申威众核处理器的从核阵列任务分配实现负载均衡的方法，包括：各个从核先完成当前任务后，和主核通信，自动获取下一次任务，继续执行获取到的任务直至任务结束；主核负责任务的分配和更新；从核自动获取下一次任务包括单从核自动获取任务和多从核自动获取任务，其中，多从核自动获取任务方式按照从核分组进行，根据申威众核处理器硬件架构，从核可以进行多种从核分组方式，主要包括行从核自动获取任务方式、列从核自动获取任务方式和从核簇自动获取任务方式。本发明基于主从异步加速模式来使得从核自动获取任务，进行加速处理，进而解决负载不均衡的方法。

摘要： 本发明涉及一种基于申威众核处理器的核组内分组自适应调整运行方法，包括：(1)对核组的资源进行分组：当从核阵列只接收了一个程序段，则不进行从核阵列的数量分组，否则，如果从核阵列接收了n个无程序上下文依赖关系的程序段，n＞1，则将从核阵列中的64个从核平均分成n组，分别分配给这n个程序段；(2)监控从核阵列运行状态、从核阵列的分组I/O情况，并将获得的监控信息发送至从核阵列可分组算法；(3)对传送的监控信息进行实时评估，根据评估结果对各并行应用程序段使用的从核数量进行实时调整；(4)周期性的执行上述步骤(1)至步骤(3)，使被调整的并行程序段达到核组内从核计算资源利用率和I/O带宽利用率的均衡。

摘要： 本发明公开了一种针对众核处理器的从核软件缓存共享方法，包括：1)对从核进行合理划分为计算核心、路由核心和管理核心，不同类型的核心承担不同的任务；2)按页对数据进行管理，支持主存全局地址和软件缓存局部地址之间的转换；3)运行时通过检测，实现从核软件缓存中的数据自动换入换出，无需用户手动控制；4)提出了一种适合众核处理器申威SW26010从核的缓存一致性协议，解决了从核软件缓存之间的数据一致性问题；5)实现了基于众核处理器申威SW26010从核间寄存器通信的规约、锁及栅栏操作原语。本发明实现了从核软件缓存的共享，避免了手动管理软件缓存的繁琐，进而提高了众核处理器申威SW26010上软件的开发效率。