48720 (Распараллеливание многоблочных задач для SMP-кластера)

Аннотация

Оптимизация распределения данных и вычислений между процессорами является важным шагом при распараллеливании многоблочных задач. В первом разделе описаны параллельные системы и актуальность многоблочного метода. Во втором и третьем разделе определены цели и задачи данной работы. В четвертом и пятом разделе приводится обзор существующих алгоритмов и предлагается эффективный метод отображения подзадач, допускающих распараллеливание. В шестом разделе описана практическая реализация. Полученный результат в будущем может быть усовершенствован путём ввода в рассмотрение неоднородных вычислительных систем, а также учёта затрат на коммуникации.

Оглавление

1 Введение

1.1 Параллельная ЭВМ и распределенные системы

1.2 Многоблочный метод решения сложных задач

1.3 Программирование параллельных ЭВМ

2 Цель работы

3 Постановка задачи

4 Обзор существующих решений

4.1 Алгоритм сокращения критического пути (CPR)

4.2 Упаковка в контейнеры

4.3 Алгоритмы EVAH

5 Исследование и построение решения задачи

5.1 Первоначальные предложения по отображению

5.2 Эволюция предложений по отображению

6 Описание практической части

6.1 Обоснование выбранного инструментария

6.2 Общая архитектура разработанного средства

6.3 Схема работы средства

6.4 Характеристики функционирования

7 Заключение

8 Список цитируемой литературы

1 Введение

В истории развитии микропроцессоров и больших интегральных схем известен закон Мура. В 1965 году в процессе подготовки выступления, Гордон Мур сделал такое наблюдение: новые модели микросхем разрабатывались спустя более-менее одинаковые периоды — 18-24 месяца — после появления их предшественников, а емкость их при этом возрастала каждый раз примерно вдвое. Но даже при такой скорости развития мощность отдельных вычислительных машин не может удовлетворять современные потребности физиков-математиков. Появились суперкомпьютеры и кластеры, разработаны параллельные алгоритмы, распределенные методы и системы. Для работы на таких системах нужно распараллеливать программы, а также в таких распределенных системах важную роль играет балансировка вычислений.

1.1 Параллельная ЭВМ и распределенные системы

В настоящее время идет развитие параллельной высокопроизводительной вычислительной техники по следующим направлениям:

1. Векторно-конвейерные компьютеры. Конвейерные функциональные устройства и набор векторных команд - это две особенности таких машин. В отличие от традиционного подхода, векторные команды оперируют целыми массивами независимых данных, что позволяет эффективно загружать доступные конвейеры, т.е. команда вида A=B+C может означать сложение двух массивов, а не двух чисел. Характерным представителем данного направления является семейство векторно-конвейерных компьютеров CRAY куда входят, например, CRAY EL, CRAY J90, CRAY T90, новые CRAY X1/X1E.

2. Параллельные компьютеры с общей памятью. Вся оперативная память таких компьютеров разделяется несколькими одинаковыми процессорами. Это снимает проблемы предыдущего класса, связанные с необходимостью явного выделения векторных операций в программе, а также позволяет распределить неоднородную работу (например, пока один процессор складывает, одновременно с ним другой может умножать), но добавляет новые - число процессоров, имеющих доступ к общей памяти, по чисто техническим причинам нельзя сделать большим. В данное направление входят многие современные многопроцессорные SMP-компьютеры или, например, отдельные узлы компьютеров HP Exemplar, HP Superdome и Sun StarFire.

3. Массивно-параллельные компьютеры с распределенной памятью. Идея построения компьютеров этого класса тривиальна: возьмем серийные микропроцессоры, снабдим каждый своей локальной памятью, соединим посредством некоторой коммуникационной среды - вот и все. Достоинств у такой архитектуры масса: если нужна высокая производительность, то можно добавить еще процессоров, если ограничены финансы или заранее известна требуемая вычислительная мощность, то легко подобрать оптимальную конфигурацию и т.п.

Однако есть и решающий "минус", сводящий многие "плюсы" на нет. Дело в том, что межпроцессорное взаимодействие в компьютерах этого класса идет намного медленнее, чем происходит локальная обработка данных самими процессорами. Именно поэтому написать эффективную программу для таких компьютеров очень сложно, а для некоторых алгоритмов иногда просто невозможно. К данному классу можно отнести компьютеры Intel Paragon, IBM SP1, Parsytec, в какой-то степени IBM SP2 и CRAY T3D/T3E/X1/XMT, хотя в этих компьютерах влияние указанного минуса значительно ослаблено. К этому же классу можно отнести и сети компьютеров, которые все чаще рассматривают как дешевую альтернативу крайне дорогим суперкомпьютерам.

1. Кластеры. Вычислительный кластер – это мультикомпьютер, состоящий из множества отдельных компьютеров (узлов), связанных между собой единой коммуникационной системой. Каждый узел имеет свою локальную оперативную память. При этом общей физической оперативной памяти для узлов не существует. Если в качестве узлов используются мультипроцессоры (мультипроцессорные компьютеры с общей памятью), что в настоящее время является повсеместно практикуемым, то такой кластер называется SMP-кластером. Коммуникационная система обычно позволяет узлам взаимодействовать между собой только посредством передачи сообщений, но некоторые системы могут обеспечивать и односторонние коммуникации - позволять любому узлу выполнять массовый обмен информацией между своей памятью и локальной памятью любого другого узла. Если все входящие в состав вычислительного кластера узлы имеют одну и ту же архитектуру и производительность, то мы имеем дело с однородным вычислительным кластером. Иначе – с неоднородным.

Кластерное направление, строго говоря, не является самостоятельным, а скорее представляет собой комбинации предыдущих трех. Но именно это направление является наиболее перспективным в настоящее время.

1.2 Многоблочный метод решения сложных задач

Известно, что при решении сложных физико-математических задач, например в задачах вычислительной гидроаэродинамики со сложной геометрией (газовая динамика, обтекание самолета, внутреннее течение в реакторах, и т.д.) построение единой целой сетки для расчетной области является трудным процессом, а одинаковая подробность приведет к излишним затратам ресурсов – нужны сетки разные – для одних областей более грубые, для других – более точные. Для решения данной проблемы можно применить подход многоблочного метода:

1. Физическая область может быть разбита на несколько зон или блоков. Границы блоков могут не соответствовать границам физической области.

2. Для каждого блока отдельно строится сетка в соответствии с граничными условиями.

Рисунок 1. Примеры сеток в многоблочном методе

При счете многоблочной задачи подзадачи для блоков считаются практически независимо, обмениваясь только границами с соседними блоками после каждого временного шага. При большом количестве блоков сбалансированное их распределение по вычислителям может дать заметный выигрыш во времени исполнения всей задачи по сравнению с другими распределениями. Также возможно построение более эффективного распределения при использовании параллелизма внутри подзадач.

1.3 Программирование параллельных ЭВМ

Чтобы считать задачу на параллельном вычислителе, она должна быть распараллелена. Распараллеливать может:

• пользователь - сразу написав параллельную программу. Разработка параллельной программы с помощью специализированного набора средств программирования предполагает либо использование специального языка программирования параллельного компьютера, либо традиционного языка программирования последовательных машин, расширенного набором спецификаций параллельной обработки данных, либо традиционного языка и библиотеки, реализующей конкретную модель параллельного выполнения.

Для научно-инженерных расчетов применяются следующие модели программирования:

1. Модель передачи сообщений

Каждый процесс обладает собственным локальным адресным пространством. Для синхронизации и обработки общих данных используется передача сообщений. Стандартом интерфейса передачи сообщений является MPI.

1. Модель с общей памятью

Все процессы разделяют единое адресное пространство. Доступ к общим данным регулируется с помощью примитивов синхронизации. Стандартом для моделей с общей памятью стал OpenMP.

1. Модель параллелизма по данным

В этой модели данные разделяются между узлами вычислительной системы, а последовательная программа их обработки преобразуется компилятором в программу либо в модели передачи сообщений, либо в модели с общей памятью. При этом вычисления распределяются по правилу собственных вычислений: каждый процессор выполняет вычисления данных, распределенных на него. Примером реализации этой модели является стандарты HPF1 и HPF2. На модели параллелизма по данным была также разработана отечественная система DVM.

• пользователь вместе со специальной программой-распараллеливателем в автоматизированном режиме - указывая свойства последовательной программы

• автоматический распараллеливатель – он извлекает параллелизм самостоятельно из последовательной программы и распараллеливает ее в автоматическом режиме без участия пользователя

В каждом варианте есть свои недостатки. В первых двух пользователю приходится активно участвовать в процессе распараллеливания (а в первом и вовсе написать новую – параллельную программу), а в третьем зачастую получаются неэффективные результаты.

Подавляющее большинство программ для систем с распределенной памятью в настоящее время разрабатываются в модели передачи сообщений (MPI). Языки, поддерживающие модель параллелизма по данным (HPF, Fortran-DVM, C-DVM), значительно упрощают разработку программ, но их использование очень ограничено. Кардинальные изменения архитектуры ЭВМ (многоядерность, использование в качестве ускорителей графических процессоров) требуют появления новых языков высокого уровня, обеспечивающих более высокий уровень автоматизации программирования, в том числе и при создании многоблочных программ.

Всем используемым на многопроцессорных ЭВМ с распределенной памятью языкам программирования (включая и DVM-языки) присущ один серьезный недостаток – ручное отображение подзадач на процессоры. Для большого количества подзадач и большого количества процессоров сделать вручную эффективное отображение очень затруднительно.

2 Цель работы

Целью данной работы являются следующие шаги по развитию средств поддержки многоблочных программ в DVM-системе:

• обеспечить автоматическое (а не только ручное) отображения подзадач на процессоры

• обеспечить балансировку загрузки процессоров за счет эффективного отображения подзадач с учетом возможности их параллельного выполнения.

3 Постановка задачи

Дана многоблочная программа на языке Fortran-DVM, использующая механизм подзадач DVM.

Требуется разработать и реализовать эффективный алгоритм автоматического отображения подзадач на процессоры; изменить способ кодирования операций отображения и запуска подзадач, чтобы обеспечить использование алгоритма автоматического отображения; сравнить характеристики выполнения исходной программы с ручным отображением и программы с автоматическим отображением.

4 Обзор существующих решений

4.1 Алгоритм сокращения критического пути (CPR)

CPR предложен разными авторами из голландского политехнического университета Delft и французского института INRIA. Сначала алгоритм был разработан для планировщика задач в многопроцессорных системах, где граф задач можно моделировать в виде ориентированного ациклического графа. Существуют и другие подходы для решения такого рода задач (TwoL, CPA, TSAS) [5], но CPR показывает самый приемлемый результат.

CPR можно применить для распределения многоблочных задач (при условии возможности построения ориентированного ациклического графа).