并行计算基础及工具

并行编程模型主要有三种:适用于共享内存的多线程编程模型,适用于分布内存的消息传递编程模型,混合编程模型。

在计算机系统中,处理器永远都是访问离自己最近的存储空间速度最快,比如L1 cache->L2->本地节点内存->远程节点内存/磁盘,而各层次的存储容量跟访问速度恰恰相反。并行计算中,并行算法的设计是决定性能的关键,有些问题天生具有良好的并行性,比如待处理数据集合可以被较好的去耦,而有些问题则需要复杂的公式推导和转换以适合并行计算。同时,还要避免计算过程中可能出现的瓶颈,任务划分要充分考虑负载均衡特别是动态负载均衡,“对等”的思想是维护负载均衡和保持可扩展性的关键之一,即在设计时尽量避免使用Master/Slave和Client/Server的模式。

1. 并行机的体系

并行机的发展从SIMD到MIMD,衍生除了四种经典的体系结构模式:SMP(Symmetric Shared-Memory Multiprocessor,比如常用的多核机,可扩展性较差,处理器数目8~16个),DSM(Distributed Shared-Memory,物理存储器分布于各个处理节点,而逻辑地址空间采用统一编址,因此属于共享存储,访存时间受限于网络带宽),MPP(Massive Parallel Processor,由成百上千台处理机组成的大规模系统,国家综合实力的象征。。),机群系统(Cluster,互联的同构或异构的独立计算机的集合体,每个节点都有自己的存储器、I/O、操作系统,可以作为单机使用,节点之间采用商品网络互联,灵活性较强)。

硬件:多核CPU(Intel, AMD), GPU(Nvidia),  CellBe(Sony&Toshiba&IBM -> game,包括一个主处理单元和8个协处理单元)

概念:数据总线  地址总线  控制总线  (寄存器)位数

2.并行编程模型和工具

 -- MPI --

  MPI(Message Passing Interface)是一种消息传递编程模型,服务于进程通信。它不特指某一个对它的实现,而是一种标准和规范的代表,它是一种库描述,而不是一种语言,易于使用且具有高可移植性。说白了就是一些编程接口。

 -- OpenMP --

  Open Multi-Processing是适用于共享内存多处理器体系结构的可移植并行编程模型,接口由SGI公司发起。包含编译指导、运行函数库和环境变量三部分,具有串行等价性(无论使用一个还是多个线程运行一个程序,都带来相同的结果,更易于维护和理解)和增量并行性(处理器从一个串行程序开始,一块接着一块的寻找那些值得并行化的代码段)。OpenMPI的执行模型采用Fork-Join形式,即主线程-从线程,降低了并行编程的难度和复杂度。

  编译器指导语句,visio studio支持,使得OpenMP既可以被看做并行程序也可以被看做串行程序,或者在保持串行程序部分不变的情况下,用户能够方便地将串行程序改写成并行程序。

 -- MapReduce --

  Google,PageRank倒排表索引的构建。Map把输入Input分解成中间的Key/Value对,Reduce把Key/Value合成最终输出Output。

 -- Hadoop --

  MapReduce的开源版本。HFDS,NameNode(JobTracker),DataNode(TaskTracker),集群架构。

 -- CUDA --

  Nvidia公司开发的GPU并行计算工具。

 -- CellBe --

  CellBe的主要目标是将PlayStation2的处理器性能提高10倍,2006年IBM还推出了Cell刀片计算机系统。


( from: 《并行计算机编程基础》&& CUDA课程)

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