面向異構(gòu)并行系統(tǒng)的典型編程模型的分析與研究

曹君

【摘要】 隨著半導體技術(shù)的發(fā)展，在高性能計算領(lǐng)域中異構(gòu)眾核系統(tǒng)的設(shè)計已經(jīng)成為技術(shù)發(fā)展的趨勢和學術(shù)研究的熱點。隨之而來的基于異構(gòu)系統(tǒng)上的編程，主要面臨以下幾個方面的挑戰(zhàn)：第一方面就是針對異構(gòu)平臺同時在CPU+GPU上編程復雜；第二就是針對異構(gòu)平臺的移植性。原有的編程模型（CILK、OpenMP、CUDA）都是針對特定平臺的，可移植性比較差。那么針對異構(gòu)平臺的編程模型隨之產(chǎn)生。本文針對PGI等公司提出的異構(gòu)平臺的編程模型openACC進行分析與研究。

【關(guān)鍵詞】 異構(gòu)眾核系統(tǒng) 異構(gòu)編程模型 GPU openACC[1]

隨著硬件技術(shù)的發(fā)展，在高性能計算領(lǐng)域中從單核到多核的發(fā)展，但由于功耗、互連、設(shè)計復雜度三方面因素的限制，性能并不能通過增加計算核心數(shù)帶來提升，眾核設(shè)計就成為技術(shù)發(fā)展的趨勢和學術(shù)研究的熱點。目前面向高性能的眾核處理器分為同構(gòu)加速器的方式和異構(gòu)加速器的方式。同構(gòu)加速器如：Intel MIC/Xeon Phi眾核協(xié)處理器；nVIDIA公司自家GPU架構(gòu)General Purpose computing on graphics Processing Units GPGPU平臺。異構(gòu)加速器，2016年6月份第47屆全球頂級超級計算機TOP500榜單中位于榜首的Sunway TaihuLight - Sunway MPP， Sunway SW26010 260C 便是異構(gòu)眾核處理器結(jié)構(gòu)。第二名的天河2 號結(jié)合Intel Ivy Bridge 多核處理器和Intel Xeon Phi 眾核協(xié)處理器的混合架構(gòu)。

為了解決異構(gòu)編程帶來的復雜性和移植性的問題，異構(gòu)平臺上的編程模型已經(jīng)被廣泛的使用和優(yōu)化。如：PGI公司等提出的openACC；Khronos Group宣布成立GPU通用計算開放行業(yè)標準工作組，以蘋果的提案為基礎(chǔ)創(chuàng)立OpenCL行業(yè)規(guī)范；微軟Visual Studio和C++編程語言的新擴展C++ AMP等都是異構(gòu)平臺的并行編程模型[2]。本文首先針對異構(gòu)平臺面臨得挑戰(zhàn)做簡要描述，分別分析和研究OpenACC異構(gòu)并行編程模型，總結(jié)未來異構(gòu)編程模型的發(fā)展。

一、異構(gòu)平臺面臨的挑戰(zhàn)

CPU-GPU異構(gòu)眾核系統(tǒng)與同構(gòu)系統(tǒng)相比在編程方面面臨著一些問題。第一，GPU之間的通信、CPU與GPU之間的通信、GPU存儲空間的管理都是用戶負責的；第二，可移植性差，由于第一種描述的，CPU-GPU之間的通信都是用戶負責的，而異構(gòu)平臺具有不同的硬件架構(gòu)、編程模型、cache大小等，代碼移植比較復雜，及時移植后，很難達到高性能，需要深入了解新的異構(gòu)平臺特點，針對性的重新進行性能優(yōu)化。第三，GPU的代碼的調(diào)試比較困難，多個線程間是異步執(zhí)行的，產(chǎn)生的錯誤或者異常是很難復現(xiàn)的，導致錯誤或者異常很難被定位，只有通過邏輯判斷，或者打印輸出等輔助調(diào)試。

二、OpenACC編程模型

PGI公司等提出的OpenACC克服了上一章節(jié)中提到的異構(gòu)平臺面臨的挑戰(zhàn)，編程簡單，在串行代碼上增加幾句編程制導就實現(xiàn)了并行化，再經(jīng)過異構(gòu)平臺特點和串行程序的特點進行性能調(diào)優(yōu)，就可以實現(xiàn)程序的并行化。更新硬件時，需要手工改動的代碼僅僅是編譯和運行的MAKEFILE文件，代碼的手工改動量是很小的。

2.1 OpenACC的執(zhí)行模型

OpenACC的執(zhí)行模型是host指導加速設(shè)備的運行，形成協(xié)作的一種執(zhí)行模型。在大型程序執(zhí)行過程中，串行部分是host執(zhí)行，當出現(xiàn)熱點函數(shù)的計算時，在host控制下熱點函數(shù)交給加速設(shè)備執(zhí)行。熱點函數(shù)在加速設(shè)備上的執(zhí)行過程：在加速設(shè)備上分配私有數(shù)據(jù)空間并加載熱點函數(shù)代碼；將所需的數(shù)據(jù)從MMEM加載到加速器的私有數(shù)據(jù)空間中，加速設(shè)備進行執(zhí)行，并將結(jié)果從加速設(shè)備的數(shù)據(jù)空間傳輸?shù)組MEM中；釋放掉加速設(shè)備上申請的數(shù)據(jù)空間。

2.2 OpenACC的存儲模型

在同構(gòu)系統(tǒng)上，CPU的片內(nèi)存儲模式是軟件cache結(jié)構(gòu)；片外存儲模式則是同享的模式。因此數(shù)據(jù)只能分配在片外存儲中，且數(shù)據(jù)是同享的，并不需要顯示的進行CPU和加速設(shè)備之間的通信。而在異構(gòu)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)可分配在CPU或者加速設(shè)備的局部存儲的多個位置，數(shù)據(jù)的分配和管理起來比較復雜，加速設(shè)備間的通信是通過直接內(nèi)存訪問（Direct Memory Access）的方式由程序員進行顯示的調(diào)用才能實現(xiàn)。

2.3 OpenACC指令語法

OpenACC指令語法包括：加速計算構(gòu)件、循環(huán)映射構(gòu)件、組合編譯、加速數(shù)據(jù)區(qū)構(gòu)件、同步和執(zhí)行導語、加速編譯指示的子句等。下面以c代碼為例簡單介紹OpenACC指令語法。

Fortran語言編譯指示格式如下：（！$acc間不能有其它字符，其它類似）

！$acc directive-name [clause[ [，] clause]...] new-line

c$acc directive-name [clause[ [，] clause]...] new-line

*$acc directive-name [clause[ [，] clause]...] new-line

三、未來異構(gòu)編程模型的發(fā)展

異構(gòu)編程模型是否能提供更加高效的性能優(yōu)化，程序在異構(gòu)平臺上并行性的研究的最終目的是想達到高效的性能加速。而現(xiàn)有的異構(gòu)編程模型提供的構(gòu)件仍然需要程序員了解異構(gòu)的架構(gòu)，硬件特征，才能達到想要達到的性能優(yōu)化，那么，根據(jù)不同的硬件細節(jié)設(shè)置不同的編程導語，便成為未來研究的一個方向。

參 考 文 獻

[1]OpenAcc： Directives for Accelerators. 2013. http：//www.openacc-standard.org/

[2]王文義，王晗. 基于多核與眾核結(jié)構(gòu)的并行編程模型研究[J].中原工學院報，2014，03：52-56.