并行计算概述课件

并行计算结构算法编程国家高性能计算中心（合肥）22024/6/15并行计算结构算法编程 第一篇第一篇 并行计算的基础并行计算的基础 第一章第一章 并行计算机系统及其结构模型并行计算机系统及其结构模型 第二章第二章 当代并行机系统：当代并行机系统：SMPSMP、MPPMPP和和ClusterCluster 第三章第三章 并行计算性能评测并行计算性能评测 第二篇第二篇 并行算法的设计并行算法的设计 第四章第四章 并行算法的设计基础并行算法的设计基础 第五章第五章 并行算法的一般设计方法并行算法的一般设计方法 第六章第六章 并行算法的基本设计技术并行算法的基本设计技术 第七章第七章 并行算法的一般设计过程并行算法的一般设计过程国家高性能计算中心（合肥）32024/6/15并行计算结构算法编程 第三篇第三篇 并行数值算法并行数值算法 第八章第八章 基本通信操作基本通信操作 第九章第九章 稠密矩阵运算稠密矩阵运算 第十章第十章 线性方程组的求解线性方程组的求解 第十一章第十一章 快速傅里叶变换快速傅里叶变换 第四篇第四篇 并行程序设计并行程序设计 第十二章第十二章 并行程序设计基础并行程序设计基础 第十三章第十三章 并行程序设计模型和共享存储系统编程并行程序设计模型和共享存储系统编程 第十四章第十四章 分布存储系统并行编程分布存储系统并行编程 第十五章第十五章 并行程序设计环境与工具并行程序设计环境与工具国家高性能计算中心（合肥）42024/6/15第一章并行计算机系统及结构模型 1.1 1.1 并行计算并行计算 1.1.1 1.1.1 并行计算与计算科学并行计算与计算科学 1.1.2 1.1.2 当代科学与工程问题的计算需求当代科学与工程问题的计算需求 1.2 1.2 并行计算机系统互连并行计算机系统互连 1.2.1 1.2.1 系统互连系统互连 1.2.2 1.2.2 静态互联网络静态互联网络 1.2.3 1.2.3 动态互连网络动态互连网络 1.2.4 1.2.4 标准互联网络标准互联网络 1.3 1.3 并行计算机系统结构并行计算机系统结构 1.3.1 1.3.1 并行计算机结构模型并行计算机结构模型 1.3.2 1.3.2 并行计算机访存模型并行计算机访存模型国家高性能计算中心（合肥）52024/6/15并行计算 并行计算：并行机上所作的计算，又称高性能计算或超级计并行计算：并行机上所作的计算，又称高性能计算或超级计算。算。三大学科：计算科学，理论科学和实验科学三大学科：计算科学，理论科学和实验科学 所有的学科都转向定量化和精确化。所有的学科都转向定量化和精确化。计算科学是一个交叉学科，用计算的方法来解决应用问题。计算科学是一个交叉学科，用计算的方法来解决应用问题。适用于理论模型复杂或尚未建立，实验费用昂贵或无法进行适用于理论模型复杂或尚未建立，实验费用昂贵或无法进行 计算科学：计算物理、计算化学、计算生物学等计算科学：计算物理、计算化学、计算生物学等 科学与工程问题的需求：气象预报、油藏模拟、核武器数值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、航天器设计、基因测序等。模拟、航天器设计、基因测序等。需求类型：计算密集、数据密集、网络密集。需求类型：计算密集、数据密集、网络密集。国家高性能计算中心（合肥）62024/6/15国家高性能计算中心（合肥）72024/6/15国家高性能计算中心（合肥）82024/6/15并行计算美国美国HPCCHPCC计划：高性能计算和通信，重大挑战计划：高性能计算和通信，重大挑战性课题，性课题，3 3T T性能性能美国美国PetaflopsPetaflops研究项目：研究项目：Pflop/sPflop/s。美国美国ASCIASCI计划：加速战略计算创新，核武器数计划：加速战略计算创新，核武器数值模拟。高性能值模拟。高性能国家高性能计算中心（合肥）92024/6/15国家高性能计算中心（合肥）102024/6/15国家高性能计算中心（合肥）112024/6/15国家高性能计算中心（合肥）122024/6/15国家高性能计算中心（合肥）132024/6/15国家高性能计算中心（合肥）142024/6/15高性能计算机 IntelIntel（Option Red)Option Red)：1Tflops,1997,Pentium Pro1Tflops,1997,Pentium Pro SGI(Option Blue Mountain):SGI(Option Blue Mountain):3Tflops,1998,MIPS100003Tflops,1998,MIPS10000 IBM(Option White):IBM(Option White):7Tflops,Top4,2001,Power37Tflops,Top4,2001,Power3 日本日本Earth Simulator:Earth Simulator:35Tflops,Top1,2002,VP35Tflops,Top1,2002,VP Hewlett-Packard ASCI QHewlett-Packard ASCI Q：7Tflops,Top2,3,2002,Alpha Server7Tflops,Top2,3,2002,Alpha Server 中国联想：中国联想：1 1Tflops,Top43,2002Tflops,Top43,2002国家高性能计算中心（合肥）152024/6/15系统互连 不同带宽与距离的互连技术不同带宽与距离的互连技术:总线、总线、SANSAN、LANLAN、MANMAN、WANWAN国家高性能计算中心（合肥）162024/6/15局部总线、I/O总线、SAN和LAN国家高性能计算中心（合肥）172024/6/15网络性能指标 节点度（节点度（Node DegreeNode Degree）：）：射入或射出一个节点的边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。数。在单向网络中，入射和出射边之和称为节点度。网络直径（网络直径（Network DiameterNetwork Diameter）：）：网络中任何两个网络中任何两个节点之间的最长距离，即最大路径数。节点之间的最长距离，即最大路径数。对剖宽度（对剖宽度（Bisection WidthBisection Width）：对分网络各半所必须对分网络各半所必须移去的最少边数移去的最少边数 对剖带宽（对剖带宽（Bisection BandwidthBisection Bandwidth）:每秒钟内，在最小的对每秒钟内，在最小的对剖平面上通过所有连线的最大信息位（或字节）数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，则称网络为对称的如果从任一节点观看网络都一样，则称网络为对称的（SymmetrySymmetry）国家高性能计算中心（合肥）182024/6/15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，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。关和多级互连网络等。国家高性能计算中心（合肥）192024/6/15静态互连网络（1）一维线性阵列（一维线性阵列（1-1-D Linear ArrayD Linear Array）：）：并行机中最简单、最基本的互连方式，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，每个节点只与其左、右近邻相连，也叫二近邻连接，NN个节点用个节点用N-1N-1条边串接之，内节点度为条边串接之，内节点度为2 2，直径为，直径为N-1N-1，对剖宽对剖宽度为度为1 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，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，其节点度恒为环可以是单向的或双向的，其节点度恒为2 2，直径或为，直径或为 （双向（双向环）或为环）或为N-1N-1（单向环），对剖宽度为单向环），对剖宽度为2 2 国家高性能计算中心（合肥）202024/6/15静态互连网络（2）二维网孔（二维网孔（2-2-D MeshD Mesh）：）：每个节点只与其上、下、左、右的近邻相连（边界节点除外），每个节点只与其上、下、左、右的近邻相连（边界节点除外），节点度为节点度为4 4，网络直径为，网络直径为 ，对剖宽度为，对剖宽度为 在垂直方向上带环绕，水平方向呈蛇状，就变成在垂直方向上带环绕，水平方向呈蛇状，就变成IlliacIlliac网孔了，网孔了，节点度恒为节点度恒为4 4，网络直径为，网络直径为 ，而对剖宽度为，而对剖宽度为 垂直和水平方向均带环绕，则变成了垂直和水平方向均带环绕，则变成了2-2-D D环绕（环绕（2-2-D TorusD Torus），），节点度恒为节点度恒为4 4，网络直径为，网络直径为 ，对剖宽度为，对剖宽度为 国家高性能计算中心（合肥）212024/6/15静态互连网络（3）二叉树：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。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。节点度为节点度为3 3，对剖宽度为，对剖宽度为1 1，而树的直径为，而树的直径为 如果尽量增大节点度为，如果尽量增大节点度为，则直径缩小为则直径缩小为2 2，此时就变成了星形，此时就变成了星形网络，其对剖宽度为网络，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。路自叶向根逐渐变宽。国家高性能计算中心（合肥）222024/6/15静态互连网络（4）超立方超立方 ：一个一个n-n-立方由立方由 个顶点组成，个顶点组成，3-3-立方如图立方如图(a)a)所示；所示；4-4-立立方如图方如图(b)b)所示，由两个所示，由两个3-3-立方的对应顶点连接而成。立方的对应顶点连接而成。n-n-立方的节点度为立方的节点度为n n，网络直径也是网络直径也是n n，而对剖宽度为而对剖宽度为 。如果将如果将3-3-立方的每个顶点代之以一个环就构成了如图立方的每个顶点代之以一个环就构成了如图(d)d)所示所示的的3-3-立方环，此时每个顶点的度为立方环，此时每个顶点的度为3 3，而不像超立方那样节点，而不像超立方那样节点度为度为n n。国家高性能计算中心（合肥）232024/6/15嵌入 将网络中的各节点映射到另一个网络中去将网络中的各节点映射到另一个网络中去 用用膨胀膨胀膨胀膨胀（DilationDilation）系数来描述嵌入的质量，它是指被）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最大链路数 如果该系数为如果该系数为1 1，则称为完美嵌入。，则称为完美嵌入。环网可完美嵌入到环网可完美嵌入到2-D2-D环绕网中环绕网中 超立方网可完美嵌入到超立方网可完美嵌入到2 2D D环绕网中环绕网中 国家高性能计算中心（合肥）242024/6/15嵌入国家高性能计算中心（合肥）252024/6/15网络名称网络名称网络名称网络名称网络规模网络规模网络规模网络规模节点度节点度节点度节点度网络直径网络直径网络直径网络直径对剖宽度对剖宽度对剖宽度对剖宽度对称对称对称对称链路数链路数链路数链路数线性阵列线性阵列线性阵列线性阵列2 21 1非非非非环形环形环形环形2 2 （双（双（双（双向）向）向）向）2 2是是是是2-2-D D网孔网孔网孔网孔 4 4非非非非IlliacIlliac网孔网孔网孔网孔 4 4非非非非2-2-D D环绕环绕环绕环绕4 4是是是是二叉树二叉树二叉树二叉树3 31 1非非非非星形星形星形星形2 2非非非非超立方超立方超立方超立方 n n n n是是是是立方环立方环立方环立方环3 3是是是是静态互连网络特性比较国家高性能计算中心（合肥）262024/6/15动态互连网络(1)总线：总线：PCIPCI、VMEVME、MulticsMultics、SbusSbus、MicroChannel MicroChannel 多处理机总线系统的主要问题包括总线仲裁、中断处理、协议转换、多处理机总线系统的主要问题包括总线仲裁、中断处理、协议转换、快速同步、高速缓存一致性协议、分事务、总线桥和层次总线扩展等快速同步、高速缓存一致性协议、分事务、总线桥和层次总线扩展等国家高性能计算中心（合肥）272024/6/15动态互连网络（2）交叉开关（交叉开关（CrossbarCrossbar）：）：单级交换网络，可为每个端口提供更高的带宽。象电话交换机单级交换网络，可为每个端口提供更高的带宽。象电话交换机一样，交叉点开关可由程序控制动态设置其处于一样，交叉点开关可由程序控制动态设置其处于“开开”或或“关关”状态，而能提供所有（源、目的）对之间的动态连接。状态，而能提供所有（源、目的）对之间的动态连接。交叉开关一般有两种使用方式：一种是用于对称的多处理机或交叉开关一般有两种使用方式：一种是用于对称的多处理机或多计算机机群中的处理器间的通信；另一种是用于多计算机机群中的处理器间的通信；另一种是用于SMPSMP服务器服务器或向量超级计算机中处理器和存储器之间的存取。或向量超级计算机中处理器和存储器之间的存取。国家高性能计算中心（合肥）282024/6/15动态互联网络（3）单级交叉开关级联起来形成多级互连网络单级交叉开关级联起来形成多级互连网络MINMIN（Multistage Interconnection NetworkMultistage Interconnection Network）国家高性能计算中心（合肥）292024/6/15动态互连网络（4）交换开关模块：交换开关模块：一个交换开关模块有一个交换开关模块有n n个输入和个输入和n n个输出，每个输入可连接到任个输出，每个输入可连接到任意输出端口，但只允许一对一或一对多的映射，不允许多对一意输出端口，但只允许一对一或一对多的映射，不允许多对一的映射，因为这将发生输出冲突的映射，因为这将发生输出冲突 级间互连（级间互连（Interstage Connection Interstage Connection）：）：均匀洗牌、蝶网、多路均匀洗牌、交叉开关、立方连接均匀洗牌、蝶网、多路均匀洗牌、交叉开关、立方连接 n n输入的输入的网络需要网络需要 级级 开关，在开关，在IlinoisIlinois大学的大学的Cedar2Cedar2多处理机系统中采用了多处理机系统中采用了网络网络 Cray Y/MPCray Y/MP多级网络，该网络用来支持多级网络，该网络用来支持8 8个向量处理器和个向量处理器和256256个存储器模块之间的数据传输。网络能够避免个存储器模块之间的数据传输。网络能够避免8 8个处理器同时个处理器同时进行存储器存取时的冲突。进行存储器存取时的冲突。国家高性能计算中心（合肥）302024/6/15动态互连网络比较 n,n,节点规模节点规模 w w，数据宽度数据宽度动态互连网络的复杂度和带宽性能一览表动态互连网络的复杂度和带宽性能一览表动态互连网络的复杂度和带宽性能一览表动态互连网络的复杂度和带宽性能一览表网络特性网络特性网络特性网络特性总线系统总线系统总线系统总线系统多级互连网络多级互连网络多级互连网络多级互连网络交叉开关交叉开关交叉开关交叉开关硬件复杂度硬件复杂度硬件复杂度硬件复杂度每个处理器带宽每个处理器带宽每个处理器带宽每个处理器带宽 报道的聚集带宽报道的聚集带宽报道的聚集带宽报道的聚集带宽SunFireSunFire服务器服务器服务器服务器中的中的中的中的GigaplaneGigaplane总线：总线：总线：总线：2.672.67GB/sGB/sIBM SP2IBM SP2中的中的中的中的512512节点的节点的节点的节点的HPSHPS：10.24GB/s10.24GB/sDigitalDigital的千兆开的千兆开的千兆开的千兆开关：关：关：关：3.43.4GB/sGB/s国家高性能计算中心（合肥）312024/6/15标准互联网络（1）Myrinet:Myrinet:MyrinetMyrinet是由是由MyricomMyricom公司设计的千兆位包交换网络，其目的公司设计的千兆位包交换网络，其目的是为了构筑计算机机群，使系统互连成为一种商业产品。是为了构筑计算机机群，使系统互连成为一种商业产品。MyrinetMyrinet是基于加州理工学院开发的多计算机和是基于加州理工学院开发的多计算机和VLSIVLSI技术以及技术以及在南加州大学开发的在南加州大学开发的ATOMIC/LANATOMIC/LAN技术。技术。MyrinetMyrinet能假设任能假设任意拓扑结构，不必限定为开关网孔或任何规则的结构。意拓扑结构，不必限定为开关网孔或任何规则的结构。MyrinetMyrinet在数据链路层具有可变长的包格式，对每条链路施行在数据链路层具有可变长的包格式，对每条链路施行流控制和错误控制，并使用切通选路法以及定制的可编程的主流控制和错误控制，并使用切通选路法以及定制的可编程的主机接口。在物理层上，机接口。在物理层上，MyrinetMyrinet网使用全双工网使用全双工SANSAN链路，最长链路，最长可达可达3 3米，峰值速率为（米，峰值速率为（1.281.281.281.28）GbpsGbps（目前有目前有2.56+2.56)2.56+2.56)MyrinetMyrinet交换开关交换开关:8,12,16:8,12,16端口端口 MyrinetMyrinet主机接口主机接口:32:32位的称作位的称作LANaiLANai芯片的用户定制的芯片的用户定制的VLSIVLSI处理器，它带有处理器，它带有MyrinetMyrinet接口、包接口、接口、包接口、DMADMA引擎和快引擎和快速静态随机存取存储器速静态随机存取存储器SRAMSRAM。140 140 of the November 2002 TOP500 use Myrinet,of the November 2002 TOP500 use Myrinet,including 15 of the top 100 including 15 of the top 100 国家高性能计算中心（合肥）322024/6/15Myrinet连接的LAN/Cluster国家高性能计算中心（合肥）332024/6/15标准互连网络（2)高性能并行接口（高性能并行接口（HiPPIHiPPI）Los AlamosLos Alamos国家实验室于国家实验室于19871987年提出的一个标准，其目的是年提出的一个标准，其目的是试图统一来自不同产商生产的所有大型机和超级计算机的接口。试图统一来自不同产商生产的所有大型机和超级计算机的接口。在大型机和超级计算机工业界，在大型机和超级计算机工业界，HiPPIHiPPI作为短距离的系统到系作为短距离的系统到系统以及系统到外设连接的高速统以及系统到外设连接的高速I/OI/O通道。通道。19931993年，年，ANSI X3T9.3ANSI X3T9.3委员会认可了委员会认可了HiPPIHiPPI标准，它覆盖了标准，它覆盖了物理和数据链路层，但在这两层之上的任何规定却取决于用户。物理和数据链路层，但在这两层之上的任何规定却取决于用户。HiPPIHiPPI是个单工的点到点的数据传输接口，其速率可达是个单工的点到点的数据传输接口，其速率可达800800MbpsMbps到到1.61.6GbpsGbps。开发成功了一种能提供潜在的开发成功了一种能提供潜在的6.46.4GbpsGbps速率，比速率，比HiPPIHiPPI快快8 8倍且倍且有很低时延的超级有很低时延的超级HiPPIHiPPI技术，技术，SGISGI公司和公司和Los AlamosLos Alamos国家实验室都开发了用来构筑速率高达国家实验室都开发了用来构筑速率高达25.625.6GbpsGbps的的HiPPIHiPPI交换开关的交换开关的HiPPIHiPPI技术。技术。HiPPIHiPPI通道和通道和HiPPIHiPPI交换开关被用在交换开关被用在SGI Power ChallengeSGI Power Challenge服务服务器、器、IBM 390IBM 390主机、主机、Cray Y/MPCray Y/MP、C90C90和和T3D/T3ET3D/T3E等系统等系统 国家高性能计算中心（合肥）342024/6/15使用HiPPI通道和开关构筑的LAN主干网 国家高性能计算中心（合肥）352024/6/15标准互连网络（3）光纤通道光纤通道FCFC（Fiber ChannelFiber Channel）:通道和网络标准的集成通道和网络标准的集成 光纤通道既可以是共享介质，也可以是一种交换技术光纤通道既可以是共享介质，也可以是一种交换技术 光纤通道操作速度范围可从光纤通道操作速度范围可从100100到到133133、200200、400400和和800800MbpsMbps。FCSIFCSI厂商也正在推出未来具有更高速度（厂商也正在推出未来具有更高速度（1 1、2 2或或4 4GbpsGbps）的光纤通道的光纤通道 光纤通道的价值已被现在的某些千兆位局域网所证实，这些局光纤通道的价值已被现在的某些千兆位局域网所证实，这些局域网就是基于光纤通道技术的域网就是基于光纤通道技术的 连网拓扑结构的灵活性是光纤通道的主要财富，它支持点到点、连网拓扑结构的灵活性是光纤通道的主要财富，它支持点到点、仲裁环及交换光纤连接仲裁环及交换光纤连接 FDDI:FDDI:光纤分布式数据接口光纤分布式数据接口FDDIFDDI（Fiber Distributed Data Fiber Distributed Data InterfaceInterface）FDDIFDDI采用双向光纤令牌环可提供采用双向光纤令牌环可提供100-200100-200MbpsMbps数据传输速率数据传输速率 FDDIFDDI具有互连大量设备的能力具有互连大量设备的能力 传统的传统的FDDIFDDI仅以异步方式操作仅以异步方式操作 国家高性能计算中心（合肥）362024/6/15双向FDDI环作为主干网 国家高性能计算中心（合肥）372024/6/15标准互联网络（4）ATMATM（Asynchronous Transfer ModeAsynchronous Transfer Mode）:由成立于由成立于19911991年的年的ATMATM论坛和论坛和ITUITU标准定义。标准定义。ATMATM是一种独立于介质的消息传输协议，它将消息段变成更是一种独立于介质的消息传输协议，它将消息段变成更短的固定长度为短的固定长度为5353字节的报元进行传输。字节的报元进行传输。这种技术是基于报元交换机制。这种技术是基于报元交换机制。ATMATM的目的是将实时和突发的目的是将实时和突发数据的传输合并成单一的网络技术。数据的传输合并成单一的网络技术。ATMATM网络支持从网络支持从2525到到5151、155155和和622622MbpsMbps不同的速率，其速不同的速率，其速率越低率越低ATMATM交换器和使用的链路价格越低。交换器和使用的链路价格越低。国家高性能计算中心（合肥）382024/6/15香港大学开发的Pearl机群 国家高性能计算中心（合肥）392024/6/15标准互连网络（5）代别代别代别代别类型类型类型类型以太网以太网以太网以太网10101010BaseTBaseTBaseTBaseT快速以太网快速以太网快速以太网快速以太网100100100100BaseTBaseTBaseTBaseT千兆位以太网千兆位以太网千兆位以太网千兆位以太网1 1 1 1GBGBGBGB引入年代引入年代引入年代引入年代198219821982198219941994199419941997199719971997速度（带宽）速度（带宽）速度（带宽）速度（带宽）10101010Mb/sMb/sMb/sMb/s100100100100Mb/sMb/sMb/sMb/s1 1 1 1Gb/sGb/sGb/sGb/s最最最最大大大大距距距距离离离离UTRUTRUTRUTR（非屏蔽双扭对）非屏蔽双扭对）非屏蔽双扭对）非屏蔽双扭对）100100100100m m m m100100100100m m m m25252525100100100100m m m mSTPSTPSTPSTP（屏蔽双扭对）屏蔽双扭对）屏蔽双扭对）屏蔽双扭对）同轴电缆同轴电缆同轴电缆同轴电缆500500500500m m m m100100100100m m m m25252525100100100100m m m m多模光纤多模光纤多模光纤多模光纤2 2 2 2KmKmKmKm412412412412m m m m（半双工）半双工）半双工）半双工）2 2 2 2KmKmKmKm（全双工）全双工）全双工）全双工）500500500500m m m m单模光纤单模光纤单模光纤单模光纤25252525KmKmKmKm20202020KmKmKmKm3 3 3 3KmKmKmKm主要应用领域主要应用领域主要应用领域主要应用领域文件共享，文件共享，文件共享，文件共享，打印机共享打印机共享打印机共享打印机共享COWCOWCOWCOW计算，计算，计算，计算，C/SC/SC/SC/S结构，结构，结构，结构，大型数据库存取等大型数据库存取等大型数据库存取等大型数据库存取等大型图像文件，大型图像文件，大型图像文件，大型图像文件，多媒体，多媒体，多媒体，多媒体，因特网，因特网，因特网，因特网，内部网，内部网，内部网，内部网，数据仓库等数据仓库等数据仓库等数据仓库等国家高性能计算中心（合肥）402024/6/15并行计算机结构模型 国家高性能计算中心（合肥）412024/6/15并行计算机体系合一结构 SMPSMP、MPPMPP、DSMDSM和和COWCOW并行结构渐趋一致。并行结构渐趋一致。大量的节点通过高速网络互连起来大量的节点通过高速网络互连起来 节点遵循节点遵循ShellShell结构：用专门定制的结构：用专门定制的ShellShell电路将商用微处理器电路将商用微处理器和节点的其它部分（包括板级和节点的其它部分（包括板级CacheCache、局存、局存、NICNIC和和DISKDISK）连连接起来。优点是接起来。优点是CPUCPU升级只需要更换升级只需要更换ShellShell。国家高性能计算中心（合肥）422024/6/15五种结构特性一览表属性PVPSMPMPPDSMCOW结构类型MIMDMIMDMIMDMIMDMIMD处理器类型专用定制商用商用(可定制)商用商用互连网络定制交叉开关总线、交叉开关定制网络定制网络商用网络（以太ATM）通信机制共享变量共享变量消息传递共享变量消息传递地址空间单地址空间单地址空间多地址空间单地址空间多地址空间系统存储器集中共享集中共享分布非共享分布共享分布非共享访存模型UMAUMANORMANUMANORMA代表机器Cray C-90，Cray T-90，银河1号IBM R50，SGI Power Challenge，曙光1号Intel Paragon，IBMSP2，曙光1000/2000Stanford DASH，Cray T 3DBerkeley NOW，Alpha Farm国家高性能计算中心（合肥）432024/6/15并行计算机访存模型（1)UMAUMA（Uniform Memory AccessUniform Memory Access）模型是均匀存储访问模型是均匀存储访问模型的简称。其特点是：模型的简称。其特点是：物理存储器被所有处理器均匀共享；物理存储器被所有处理器均匀共享；所有处理器访问任何存储字取相同的时间；所有处理器访问任何存储字取相同的时间；每台处理器可带私有高速缓存；每台处理器可带私有高速缓存；外围设备也可以一定形式共享。外围设备也可以一定形式共享。国家高性能计算中心（合肥）442024/6/15并行计算机访存模型（2)NUMA(Nonuniform NUMA(Nonuniform Memory Memory Access)Access)模模型型是是非非非非均均均均匀匀匀匀存存存存储储储储访问访问访问访问模型的简称。特点是：模型的简称。特点是：被被共共享享的的存存储储器器在在物物理理上上是是分分布布在在所所有有的的处处理理器器中中的的，其其所所有有本地存储器的集合就组成了全局地址空间；本地存储器的集合就组成了全局地址空间；处处理理器器访访问问存存储储器器的的时时间间是是不不一一样样的的；访访问问本本地地存存储储器器LMLM或或群群内内共共享享存存储储器器CSMCSM较较快快，而而访访问问外外地地的的存存储储器器或或全全局局共共享享存存储器储器GSMGSM较慢较慢(此即非均匀存储访问名称的由来此即非均匀存储访问名称的由来)；每台处理器照例可带私有高速缓存，外设也可以某种形式共享。每台处理器照例可带私有高速缓存，外设也可以某种形式共享。LM1P1LM2P2LMnPn互连网络(a)共享本地存储模型全局互连网络(b)层次式机群模型GSMGSMGSMPCINCSMPPCSMCSM群1PCINCSM群NPPCSMCSM国家高性能计算中心（合肥）452024/6/15并行计算机访存模型（3)COMA(Cache-Only COMA(Cache-Only Memory Memory Access)Access)模模型型是是全全全全高高高高速速速速缓缓缓缓存存存存存储访问存储访问存储访问存储访问的简称。其特点是：的简称。其特点是：各各处处理理器器节节点点中中没没有有存存储储层层次次结结构构，全全部部高高速速缓缓存存组组成成了了全全局局地址空间；地址空间；利用分布的高速缓存目录利用分布的高速缓存目录D D进行远程高速缓存的访问进行远程高速缓存的访问;COMACOMA中的高速缓存容量一般都大于中的高速缓存容量一般都大于2 2 级高速缓存容量；级高速缓存容量；使使用用COMACOMA时时，数数据据开开始始时时可可任任意意分分配配，因因为为在在运运行行时时它它最最终终会被迁移到要用到它们的地方。会被迁移到要用到它们的地方。国家高性能计算中心（合肥）462024/6/15并行计算机访存模型（4)CC-NUMACC-NUMA（Coherent-Cache Nonuniform Memory Coherent-Cache Nonuniform Memory AccessAccess）模型是模型是高速缓存一致性非均匀存储访问高速缓存一致性非均匀存储访问高速缓存一致性非均匀存储访问高速缓存一致性非均匀存储访问模型的模型的简称。其特点是：简称。其特点是：大多数使用基于目录的高速缓存一致性协议；大多数使用基于目录的高速缓存一致性协议；保留保留SMPSMP结构易于编程的优点，也改善常规结构易于编程的优点，也改善常规SMPSMP的可扩放性；的可扩放性；CC-NUMACC-NUMA实际上是一个分布共享存储的实际上是一个分布共享存储的DSMDSM多处理机系统；多处理机系统；它最显著的优点是程序员无需明确地在节点上分配数据，系统它最显著的优点是程序员无需明确地在节点上分配数据，系统的硬件和软件开始时自动在各节点分配数据，在运行期间，高的硬件和软件开始时自动在各节点分配数据，在运行期间，高速缓存一致性硬件会自动地将数据迁移至要用到它的地方。速缓存一致性硬件会自动地将数据迁移至要用到它的地方。国家高性能计算中心（合肥）472024/6/15并行计算机访存模型（5)NORMANORMA（No-Remote No-Remote Memory Memory AccessAccess）模模型型是是非非非非远远远远程程程程存储访问存储访问存储访问存储访问模型的简称。模型的简称。NORMANORMA的特点是：的特点是：所有存储器是私有的；所有存储器是私有的；绝大数绝大数NUMANUMA都不支持远程存储器的访问；都不支持远程存储器的访问；在在DSMDSM中，中，NORMANORMA就消失了。就消失了。国家高性能计算中心（合肥）482024/6/15构筑并行机系统的不同存储结构国家高性能计算中心（合肥）492024/6/15第二章 当代并行机系统 2.1 2.1 共享存储多处理机系统共享存储多处理机系统 2.1.1 2.1.1 对称多处理机对称多处理机SMPSMP结构特性结构特性 2.2 2.2 分布存储多计算机系统分布存储多计算机系统 2.2.1 2.2.1 大规模并行机大规模并行机MPPMPP结构特性结构特性 2.3 2.3 机群系统机群系统 2.3.1 2.3.1 大规模并行处理系统大规模并行处理系统MPPMPP机群机群SP2SP2 2.3.2 2.3.2 工作站机群工作站机群COWCOW国家高性能计算中心（合肥）502024/6/15对称多处理机SMP(1)SMP:SMP:采用商用微处理器，通常有片上和片外采用商用微处理器，通常有片上和片外CacheCache，基于总线连基于总线连接，集中式共享存储，接，集中式共享存储，UMAUMA结构结构 例子：例子：SGI Power Challenge,DEC Alpha SGI Power Challenge,DEC Alpha Server,Dawning 1Server,Dawning 1国家高性能计算中心（合肥）512024/6/15对称多处理机SMP(2)优点优点 对称性对称性 单地址空间，易编程性，动态负载平衡，无需显示数据分配单地址空间，易编程性，动态负载平衡，无需显示数据分配 高速缓存及其一致性，数据局部性，硬件维持一致性高速缓存及其一致性，数据局部性，硬件维持一致性 低通信延迟，低通信延迟，Load/StoreLoad/Store完成完成 问题问题 欠可靠，欠可靠，BUS,OS,SMBUS,OS,SM 通信延迟（相对于通信延迟（相对于CPUCPU），），竞争加剧竞争加剧 慢速增加的带宽（慢速增加的带宽（MB double/3MB double/3年年,IOBIOB更慢）更慢）不可扩放性不可扩放性-CC-NUMACC-NUMA国家高性能计算中心（合肥）522024/6/15大规模并行机MPP 成百上千个处理器组成的大规模计算机系统，规模是变化的。成百上千个处理器组成的大规模计算机系统，规模是变化的。NORMANORMA结构，高带宽低延迟定制互连。结构，高带宽低延迟定制互连。可扩放性：可扩放性：Mem,I/O,Mem,I/O,平衡设计平衡设计 系统成本：商用处理器，相对稳定的结构系统成本：商用处理器，相对稳定的结构(shell)(shell)，SMPSMP节点节点,分布分布 通用性和可用性：不同的应用，通用性和可用性：不同的应用，PVM,MPI,PVM,MPI,交互，批处理，互连对交互，批处理，互连对用户透明，单一系统映象，故障用户透明，单一系统映象，故障 通信要求通信要求 存储器和存储器和I/OI/O能力能力 例子：例子：Intel Option RedIntel Option Red IBM SP2 Dawning 1000IBM SP2 Dawning 1000国家高性能计算中心（合肥）532024/6/15典型MPP系统特性比较MPP模型Intel/Sandia ASCI Option RedIBM SP2SGI/Cray Origin2000一个大型样机的配置9072个处理器，1.8Tflop/s(NSL)400个处理器，100Gflop/s(MHPCC)128个处理器，51Gflop/s(NCSA)问世日期1996年12月1994年9月1996年10月处理器类型200MHz,200Mflop/s Pentium Pro67MHz，267Mflop/s POWER2200MHz，400Mflop/s MIPS R10000节点体系结构和数据存储器2个处理器，32到256MB主存，共享磁盘1个处理器，64MB到2GB本地主存，1GB到14.5GB本地磁盘2个处理器，64MB到256MB分布共享主存和共享磁盘互连网络和主存模型分离两维网孔，NORMA多级网络，NORMA胖超立方体网络，CC-NUMA节点操作系统轻量级内核（LWK）完全AIX（IBM UNIX）微内核Cellular IRIX自然编程机制基于PUMA Portals的MPIMPI和PVMPower C，Power Fortran其他编程模型Nx，PVM，HPFHPF，LindaMPI，PVM国家高性能计算中心（合肥）542024/6/15MPP所用的高性能CPU特性比较属性Pentium ProPowerPC 602Alpha 21164AUltra SPARC IIMIPS R10000工艺BiCMOSCMOSCMOSCMOSCMOS晶体管数5.5M/15.5M7M9.6M5.4M6.8M时钟频率150MHz133MHz417MHz200MHz200MHz电压2.9V3.3V2.2V2.5V3.3V功率20W30W20W28W30W字长32位64位64位64位64位I/O高速缓存8KB/8KB32KB/32KB8KB/8KB16KB/16KB32KB/32KB2级高速缓存256KB(多芯片模块)1128MB(片外)96KB(片上)16MB(片外)16MB(片外)执行单元5个单元6个单元4个单元9个单元5个单元超标量3路(Way)4路4路4路4路流水线深度14级48级79级9级57级SPECint 92366225500350300SPECfp 92283300750550600SPECint 958.0922511N/A7.4SPECfp 956.7030017N/A15其它特性CISC/RISC混合短流水线长L1高速缓存最高时钟频率最大片上2级高速缓存多媒体和图形指令MP机群总线可支持4个CPU国家高性能计算中心（合肥）552024/6/15机群型大规模并行机SP2 设计策略：设计策略：机群体系结构机群体系结构 标准环境标准环境 标准编程模型标准编程模型 系统可用性系统可用性 精选的单一系统映像精选的单一系统映像 系统结构：系统结构：高性能开关高性能开关 HPS HPS 多级多级网络网络 宽节点、窄节点和窄节点宽节点、窄节点和窄节点2 2 国家高性能计算中心（合肥）562024/6/15工作站机群COW 分布式存储，分布式存储，MIMDMIMD，工作站工作站+商用互连网络，每个节点是一个完整的计商用互连网络，每个节点是一个完整的计算机，有自己的磁盘和操作系统，而算机，有自己的磁盘和操作系统，而MPPMPP中只有微内核中只有微内核 优点：优点：投资风险小投资风险小 系统结构灵活系统结构灵活 性能性能/价格比高价格比高 能充分利用分散的计算资源能充分利用分散的计算资源 可扩放性好可扩放性好 问题问题 通信性能通信性能 并行编程环境并行编程环境 例子：例子：Berkeley NOWBerkeley NOW，Alpha Farm,FXCOWAlpha Farm,FXCOWP/CMMIOMIOMP/CNICNICDDLAN国家高性能计算中心（合肥）572024/6/15典型的机群系统典型的机群系统特点一览表名称系统特点Princeton:SHRIMPPC商用组件，通过专用网络接口达到共享虚拟存储，支持有效通信Karsruhe:Parastation用于分布并行处理的有效通信网络和软件开发Rice:TreadMarks软件实现分布共享存储的工作站机群Wisconsin:Wind Tunnel在经由商用网络互连的工作站机群上实现分布共享存储Chica、Maryl、Penns:NSCP国家可扩放机群计划：在通过因特网互连的3个本地机群系统上进行元计算Argonne:Globus在由ATM连接的北美17个站点的WAN上开发元计算平台和软件Syracuse:WWVM使用因特网和HPCC技术，在世界范围的虚拟机上进行高性能计算HKU:Pearl Cluster研究机群在分布式多媒体和金融数字库方面的应用Virgina:Legion在国家虚拟计算机设施上开发元计算软件国家高性能计算中心（合肥）582024/6/15SMPMPP机群比较系统特征SMPMPP机群节点数量(N)O(10)O(100)-O(1000)O(100)节点复杂度中粒度或细粒度细粒度或中粒度中粒度或粗粒度节点间通信共享存储器消息传递或共享变量（有DSM时）消息传递节点操作系统1N(微内核)和1个主机OS(单一)N(希望为同构)支持单一系统映像永远部分希望地址空间单一多或单一（有DSM时）多个作业调度单一运行队列主机上单一运行队列协作多队列网络协议非标准非标准标准或非标准可用性通常较低低到中高可用或容错性能/价格比一般一般高互连网络总线/交叉开关定制商用国家高性能计算中心（合肥）592024/6/15第三章 并行计算性能评测 3.1 3.1 并行机的一些基本性能指标并行机的一些基本性能指标 3.2 3.2 加速比性能定律加速比性能定律 3.2.1 3.2.1 AmdahlAmdahl定律定律 3.2.2 3.2.2 GustafsonGustafson定律定律 3.2.3 3.2.3 SunSun和和NiNi定律定律 3.3 3.3 可扩放性评测标准可扩放性评测标准 3.3.1 3.3.1 并行计算的可扩放性并行计算的可扩放性 3.3.2 3.3.2 等效率度量标准等效率度量标准 3.3.3 3.3.3 等速度度量标准等速度度量标准 3.3.4 3.3.4 平均延迟度量标准平均延迟度量标准国家高性能计算中心（合肥）602024/6/15CPU的某些基本性能指标 工作负载工作负载 执行时间执行时间 浮点运算数浮点运算数 指令数目指令数目 并行执行时间并行执行时间 T T comput comput 为计算时间，为计算时间，T T paro paro 为并行开销为并行开销时间，时间，T T commcomm为相互通信时间为相互通信时间 T T n n=T=T comput comput+T+T paro paro+T+T comm comm 例：估计例：估计APRAMAPRAM模型下执行时间模型下执行时间 国家高性能计算中心（合肥）612024/6/15存储器性能 存储器的层次结构存储器的层次结构(C,L,B)C,L,B)各层性能参数：各层性能参数：容量容量C C、延迟、延迟L L、带宽、带宽B B。相关参数：相关参数：存储粒度、一致性粒度、层管理方案等。存储粒度、一致性粒度、层管理方案等。国家高性能计算中心（合肥）622024/6/15 影响存储器容量影响存储器容量C C设计因素：设计因素：与主流应用的进程数及各进程工作集尺寸等有关。与主流应用的进程数及各进程工作集尺寸等有关。影响存储器延迟影响存储器延迟L L设计因素：设计因素：与与CPUCPU指令系统指令系统CPICPI及指令所需数据量等有关。及指令所需数据量等有关。影响存储器带宽影响存储器带宽B B设计因素：设计因素：与应用的数据通信量、通信频率和延迟与应用的数据通信量、通信频率和延迟L L等有关。等有关。国家高性能计算中心（合肥）632024/6/15并行与通信开销并行和通信开销：相对于计算很大。并行和通信开销：相对于计算很大。PowerPC (PowerPC (每个周期每个周期 15 15ns ns 执行执行4 4flops;flops;创建一个进程创建一个进程1.41.4ms ms 可执行可执行372000372000flops)flops)开销的测量：乒开销的测量：乒-乓方法（乓方法（Ping-Pong SchemePing-Pong Scheme）节点节点0 0发送发送mm个字节给节点个字节给节点1 1；节点；节点1 1从节点从节点0 0接收接收mm个字节后，立即将消息发回节点个字节后，立即将消息发回节点0 0。总的时间除。总的时间除以以2 2，即可得到点到点通信时间，也就是执行单，即可得到点到点通信时间，也就是执行单一发送或接收操作的时间。一发送或接收操作的时间。可一般化为热土豆法（可一般化为热土豆法（Hot-PotatoHot-Potato），），也称为救也称为救火队法（火队法（Fire-Brigade)0Fire-Brigade)01 1 2 2 -n-1 -n-1 0 0 国家高性能计算中心（合肥）642024/6/15Ping-Pong Scheme if if（my _node _id=0my _node _id=0）then/*then/*发送者发送者*/*/start _time=secondstart _time=second（）send an m-byte message to node 1send an m-byte message to node 1 receive an m-byte message from node 1receive an m-byte message from node 1 end_time=secondend_time=second（）total_time=end_time total_time=end_time start_time start_time communication_timei=total_time/2 communication_timei=total_time/2 else if else if（my_node_id=1my_node_id=1）then /*then /*接收者接收者*/*/receive an m-byte message from node 0receive an m-byte message from node 0 send an m-byte message to node 0send an m-byte message to node 0 endifendif国家高性能计算中心（合肥）652024/6/15并行开销的表达式：点到点通信 通信开销通信开销 t t(mm)=)=t t0 0+mm/r r 通信启动时间通信启动时间 t t0 0 渐近渐近带宽带宽r r ：传送无限长的消息时的通信速率传送无限长的消息时的通信速率 半半峰值长度峰值长度mm1/2 1/2：达到一半渐近带宽所要的消息长度：达到一半渐近带宽所要的消息长度 特定性能特定性能 0 0：表示短消息带宽：表示短消息带宽 t t0 0=m=m1/2 1/2/r r =1/=1/0 0国家高性能计算中心（合肥）662024/6/15并行开销的表达式：整体通信 典型的整体通信有：典型的整体通信有：播送（播送（BroadcastingBroadcasting）：）：处理器处理器0 0发送发送mm个字节给所有的个字节给所有的n n个个处理器处理器 收集（收集（GatherGather）：）：处理处理0 0接收所有接收所有n n个处理器发来在消息，所个处理器发来在消息，所以处理器以处理器0 0最终接收了最终接收了m nm n个字节；个字节；散射（散射（ScatterScatter）：）：处理器处理器0 0发送了发送了mm个字节的不同消息给所有个字节的不同消息给所有n n个处理器，因此处理