通用gpu在高性能计算中的应用报告

《通用gpu在高性能计算中的应用报告》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在应用文档-天天文库。

1、通用GPU在高性能计算中的应用一、背景概述现代科研过程已经在很大程度上倚赖于高性能数值模拟计算，通过数值离散用于描述各种问题的复杂方程并在计算机上高速求解，不仅解决了许多过去手工理论计算不能求解的问题，而且在很大程度上可以代替实地试验，有着直接、精确、快速的特点，同时易于和自动化设计、制造相结合，从而实现整个科研过程的无纸化，自动化，极大地节约了资源并提高了工作效率。数值模拟计算和理论计算、试验测量并称科学研究3大方法。随着科学复杂度的提高和需求领域的增多，数值模拟对计算性能要求也越来越高，因此数值计算又可以称为高性能数值计算。基于数值计算程序偏重于运行速度和

2、编程人员群体同时又是科研人员的的特殊性，因此在程序开发模型短期内难以有较大提升的情况下，其核心就是要求计算机硬件计算水平的快速提高。二、高性能计算机分类及其特点因用户的需求水平和经济负担能力的不同，计算机的购买也会有很大差别，从实用角度来看，高性能计算机可以用下面几条标准来衡量：a、硬件运行速度越高越好，从而尽可能缩短计算时间，提高计算效率；b、硬件使用成本包括购买费用、电费尽可能要低；c、计算机管理维护复杂度、管理费用、机器折旧费等越低越好，或者说使用效率/使用成本越高越好；d、程序开发复杂度和难度越低越好；e、任务是否饱满；依上述标准，高性能计算机一般可以

3、如下分为3个水平：2.1、超级计算机超级计算机一般是指计算速度在几十万亿次级别以上的计算机，是一个国家科技、经济和国防的综合实力的体现。各国之间对超级计算机的竞争十分激烈，具体情况可以从TOP500的排名变动情况来得到验证，目前最快的超级计算机“走鹃”为美国IBM制造，其速度超过了1000万亿次，另外还有几套著名的超级计算机如美国的“蓝色基因”、“红色风暴”以及日本的“地球模拟器”，我国曙光公司也建造了几套超级计算机，其最新成果是最近在上海高性能计算中心建成的“魔方”，其计算速度超过了100万亿次，这些超级计算机为上述国家的高科技研究和极端工业设计提供了有力的

4、计算保证。超级计算机的优点是性能强悍，可以迅速有效地求解各种复杂的方程，为一个国家的科技发展提供强有力的计算资源保证；工作状态稳定，可长时间甚至几十年连续运行而不停机。缺点是投资、管理及运行费用巨大，维护困难，一般单位负担不起相关购买和维护费用甚至使用费用，更新换代速度极快，性价比很低；超级计算机的特点决定了其工作负荷必须饱满，而且不能停机，否则会极大地浪费资源，这就需要努力地安排各种计算任务，尽量发挥计算机的性能。这也决定了每个国家一般也只是建造一套或数套，用来保证本国高科技研究和极端工业设计的发展。2.2松散集群机一般科研单位一方面对超级计算机的需求量不大

5、，另一方面普通的高性能PC单机又满足不了计算需求，其对计算能力的要求是：a、性能较高，可以满足对中小型任务的快速计算；b、价格低廉，经费一般在10万元以下；c、管理要尽量简单灵活；那么由若干普通商品PC机通过组网形式，利用特殊软件平台组成的松散集群是常用的形式。其优点是组装形式灵活，购置费用相对低廉，管理也比较简单，性能也相对足够，因此是现在各个常规科研院所通常所采用的形式。其缺点是空间占用较大，噪音较大，功耗较高，需要建设专门机房并安装空调设备；故障发生率也比较高，因此系统的安装、管理以及维护需要有专人负责；还有若组建的规模较大，其费用也很可观，一般需要十几

6、万元到几十万不等；另外就是编写的程序的结构和算法需要做专门的并行化改写，编程难度系数较串行程序提高很多；加上其多人共享资源的属性，导致了研究人员必须为使用资源而争抢，工作效率被降低，得到的计算结果延迟，不利于个人或小团队的实时计算需求，容易与科研过程脱钩。2.3个人计算机这里是对小型服务器、工作站、高性能PC机的统称，这一类的特点是体积小，可随意摆放；CPU个数少，一般只有一个；配置简单，使用方便。相对前面2类的专业化和复杂性，这一类是日常科研计算应用最多的，其优点是灵活易用，计算能力不错，可以胜任日常办公和小型的计算任务；缺点是如果计算任务规模稍大，花费的计

7、算时间则急剧升高，难以胜任快速计算要求，如果任务规模和数量稍大，此时就需要借助于前面2种类型的计算机。2.4总结对于高性能数值计算，其关注核心是计算机硬件对高精度浮点数的稳定处理速度和I/O吞吐能力，对其它的方面并不是很关心，以往主要依靠的是CPU性能的提升，造成以上三类高性能计算机性能的提升主要依靠CPU，而CPU的通用目的设计要求决定了其用于处理浮点数的部分仅占全部功能的一小部分，为了增加计算速度，只能依靠增加CPU个数进而增加计算机的并行度来解决，这也是每台超级计算机动辄拥有上万甚至上十万个CPU的原因，如美国Sandia国家实验室的“红色风暴”使用了1

8、3277颗2.4GHz双核心Opter