基于國產(chǎn)高性能計(jì)算機(jī)的GRAPES性能優(yōu)化研究.pdf

1、數(shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)是一個(gè)高性能計(jì)算技術(shù)與數(shù)值天氣預(yù)報(bào)技術(shù)結(jié)合的綜合性學(xué)科。數(shù)值天氣預(yù)報(bào)技術(shù)的發(fā)展是推動高性能計(jì)算機(jī)發(fā)展的重要?jiǎng)恿?而高性能計(jì)算的發(fā)展為數(shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)采用更加復(fù)雜準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)模型提供了軟硬件基礎(chǔ)。近年來,高性能計(jì)算機(jī)的性能不斷攀升,出現(xiàn)了以異構(gòu)眾核處理器為組建部件的異構(gòu)高性能計(jì)算機(jī)。與傳統(tǒng)的單核或多核處理器相比,異構(gòu)處理器的存儲體系和訪存方式發(fā)生了巨大的變化,需要研究新的并行計(jì)算方法發(fā)揮異構(gòu)高性能計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)優(yōu)勢。

2、>　　GRAPES是我國自主研發(fā)的新一代研究/業(yè)務(wù)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng),其通信模式和計(jì)算過程復(fù)雜,代碼量高達(dá)十萬余行。如何利用新一代國產(chǎn)異構(gòu)高性能計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)優(yōu)勢,提高 GRAPES模式在國產(chǎn)高性能計(jì)算機(jī)上的運(yùn)算效率和計(jì)算速度,達(dá)到實(shí)際數(shù)值預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)的時(shí)限要求,改善 GRAPES模式在大規(guī)模并行時(shí)的可擴(kuò)展性,是亟待研究的問題。
　　本文研究了GRAPES的計(jì)算原理,對GRAPES程序結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析并找到影響 GRAPES并行效率和可

3、擴(kuò)展性的熱點(diǎn)子程序。通過對國產(chǎn)高性能計(jì)算系統(tǒng)的深入了解,構(gòu)建了實(shí)驗(yàn)所需的MPI并行環(huán)境。針對模式I/O及初始化部分“通信熱點(diǎn)”集中,系統(tǒng)消息緩存過大等問題,為各個(gè)子程序分別設(shè)計(jì)了高效的通信策略,有效提升了程序的可擴(kuò)展性和運(yùn)行速度,其中部分子程序的性能提升達(dá)到5倍以上。對于模式迭代積分過程,設(shè)計(jì)了“粗粒度MPI并行+細(xì)粒度眾核并行”多級異構(gòu)并行方案,充分利用異構(gòu)高性能計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)優(yōu)勢,使用數(shù)量眾多的協(xié)處理器為 GRAPES模式的迭代積

4、分過程提供加速效果,并提出了幾種多級異構(gòu)并行方案的優(yōu)化策略,有效提升了該方案的并行效率,在使用4096至256顆處理器核進(jìn)行10天預(yù)報(bào)迭代積分過程時(shí),可分別減少1至6個(gè)小時(shí)不等的運(yùn)行時(shí)間。
　　通過使用兩種不同分辨率的輸入數(shù)據(jù),在多個(gè)并行規(guī)模下對優(yōu)化方案進(jìn)行測試,得到了程序各部分消耗的墻鐘時(shí)間,并計(jì)算了程序的加速比和并行效率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文設(shè)計(jì)的各種優(yōu)化方案有效地提高了GRAPES模式的運(yùn)行效率,改善了GRAPES模式的可擴(kuò)展