理学中科大多核并行计算课件教学提纲.ppt

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1、理学中科大多核并行计算课件第一章并行计算机系统及结构模型1.1并行计算1.1.1并行计算与计算科学1.1.2当代科学与工程问题的计算需求1.2并行计算机系统互连1.2.1系统互连1.2.2静态互联网络1.2.3动态互连网络1.2.4标准互联网络1.3并行计算机系统结构1.3.1并行计算机结构模型1.3.2并行计算机访存模型1.4多核处理器架构2021/8/242国家高性能计算中心（合肥）并行计算、计算科学、计算需求并行计算：并行机上所作的计算，又称高性能计算或超级计算。计算科学：计算物理、计算化学、计算生物等科学与工程问题的需求：气象预报、油藏模拟、核武器数值模拟、航天器设

2、计、基因测序等。需求类型：计算密集、数据密集、网络密集。美国HPCC计划(1993)：重大挑战性课题，3T性能美国Petaflops研究项目：Pflop/s。美国ASCI计划(1996)：核武器数值模拟。2021/8/243国家高性能计算中心（合肥）第一章并行计算机系统及结构模型1.1并行计算1.1.1并行计算与计算科学1.1.2当代科学与工程问题的计算需求1.2并行计算机系统互连1.2.1系统互连1.2.2静态互联网络1.2.3动态互连网络1.2.4标准互联网络1.3并行计算机系统结构1.3.1并行计算机结构模型1.3.2并行计算机访存模型1.4多核处理器架构2021/8

3、/244国家高性能计算中心（合肥）系统互连不同带宽与距离的互连技术:总线、SAN、LAN、MAN、WAN2021/8/245国家高性能计算中心（合肥）局部总线、I/O总线、SAN和LAN2021/8/246国家高性能计算中心（合肥）网络性能指标节点度（NodeDegree）：射入或射出一个节点的边数。在单向网络中，入射和出射边之和称为节点度。网络直径（NetworkDiameter）：网络中任何两个节点之间的最长距离，即最大路径数。对剖宽度（BisectionWidth）：对分网络各半所必须移去的最少边数对剖带宽（BisectionBandwidth）:每秒钟内，在最小的对

4、剖平面上通过所有连线的最大信息位（或字节）数如果从任一节点观看网络都一样，则称网络为对称的（Symmetry）2021/8/247国家高性能计算中心（合肥）静态互连网络与动态互连网络静态互连网络：处理单元间有着固定连接的一类网络，在程序执行期间，这种点到点的链接保持不变；典型的静态网络有一维线性阵列、二维网孔、树连接、超立方网络、立方环、洗牌交换网、蝶形网络等动态网络：用交换开关构成的，可按应用程序的要求动态地改变连接组态；典型的动态网络包括总线、交叉开关和多级互连网络等。2021/8/248国家高性能计算中心（合肥）静态互连网络（1）一维线性阵列（1-DLinearArr

5、ay）：并行机中最简单、最基本的互连方式，每个节点只与其左、右近邻相连，也叫二近邻连接，N个节点用N-1条边串接之，内节点度为2，直径为N-1，对剖宽度为1当首、尾节点相连时可构成循环移位器，在拓扑结构上等同于环，环可以是单向的或双向的，其节点度恒为2，直径或为（双向环）或为N-1（单向环），对剖宽度为22021/8/249国家高性能计算中心（合肥）静态互连网络（2）二维网孔（2-DMesh）：每个节点只与其上、下、左、右的近邻相连（边界节点除外），节点度为4，网络直径为，对剖宽度为在垂直方向上带环绕，水平方向呈蛇状，就变成Illiac网孔了，节点度恒为4，网络直径为，而对

6、剖宽度为垂直和水平方向均带环绕，则变成了2-D环绕（2-DTorus），节点度恒为4，网络直径为，对剖宽度为2021/8/2410国家高性能计算中心（合肥）静态互连网络（3）二叉树：除了根、叶节点，每个内节点只与其父节点和两个子节点相连。节点度为3，对剖宽度为1，而树的直径为如果尽量增大节点度数，则直径缩小为2，此时就变成了星形网络，其对剖宽度为传统二叉树的主要问题是根易成为通信瓶颈。胖树节点间的通路自叶向根逐渐变宽。2021/8/2411国家高性能计算中心（合肥）静态互连网络（4）超立方：一个n-立方由个顶点组成，3-立方如图(a)所示；4-立方如图(b)所示，由两个3-

7、立方的对应顶点连接而成。n-立方的节点度为n，网络直径也是n，而对剖宽度为。如果将3-立方的每个顶点代之以一个环就构成了如图(d)所示的3-立方环，此时每个顶点的度为3，而不像超立方那样节点度为n。2021/8/2412国家高性能计算中心（合肥）嵌入（1）将网络中的各节点映射到另一个网络中去用膨胀（Dilation）系数来描述嵌入的质量，它是指被嵌入网络中的一条链路在所要嵌入的网络中对应所需的最大链路数如果该系数为1，则称为完美嵌入。环网可完美嵌入到2-D环绕网中超立方网可完美嵌入到2－D环绕网中2021/8/24