高性能計(jì)算之并行編程技術(shù)課件

高性能計(jì)算之并行編程技術(shù)ppt課件延時(shí)符Contents目錄并行計(jì)算概述并行編程模型與算法并行編程實(shí)現(xiàn)技術(shù)并行編程性能優(yōu)化并行編程實(shí)踐與應(yīng)用課程總結(jié)與展望延時(shí)符01并行計(jì)算概述并行計(jì)算是指同時(shí)使用多種計(jì)算資源解決計(jì)算問題的過程，其主要目的是快速解決大型且復(fù)雜的計(jì)算問題。定義根據(jù)并行計(jì)算的實(shí)現(xiàn)方式和并行粒度，可以將其分為指令級(jí)并行、數(shù)據(jù)級(jí)并行和任務(wù)級(jí)并行。分類并行計(jì)算定義與分類早期的并行計(jì)算主要依賴于并行算法的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，如分治算法、動(dòng)態(tài)規(guī)劃等。早期階段隨著計(jì)算機(jī)硬件和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，分布式計(jì)算和網(wǎng)格計(jì)算逐漸成為并行計(jì)算的主要形式。中期階段目前，云計(jì)算和大數(shù)據(jù)技術(shù)的興起為并行計(jì)算提供了新的發(fā)展機(jī)遇和挑戰(zhàn)。現(xiàn)階段并行計(jì)算發(fā)展歷程并行計(jì)算應(yīng)用領(lǐng)域工程仿真圖像處理汽車碰撞測(cè)試、飛機(jī)設(shè)計(jì)、建筑結(jié)構(gòu)分析等。電影特效制作、游戲開發(fā)、虛擬現(xiàn)實(shí)等。科學(xué)計(jì)算數(shù)據(jù)分析其他領(lǐng)域天氣預(yù)報(bào)、地震模擬、核聚變模擬等。大數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)挖掘、機(jī)器學(xué)習(xí)等。密碼學(xué)、網(wǎng)絡(luò)安全、生物信息學(xué)等。延時(shí)符02并行編程模型與算法消息傳遞模型處理器之間通過發(fā)送和接收消息進(jìn)行通信，適用于分布式內(nèi)存系統(tǒng)。數(shù)據(jù)并行模型將數(shù)據(jù)集劃分為多個(gè)子集，每個(gè)處理器處理一個(gè)子集，適用于大規(guī)模數(shù)據(jù)處理。共享內(nèi)存模型多個(gè)處理器共享同一塊內(nèi)存空間，通過鎖、信號(hào)量等機(jī)制實(shí)現(xiàn)同步和互斥。常見并行編程模型分解原則將問題分解為多個(gè)獨(dú)立的子問題，每個(gè)子問題可以在一個(gè)處理器上獨(dú)立解決。平衡原則確保每個(gè)處理器上的負(fù)載大致相等，避免出現(xiàn)某些處理器空閑而其他處理器過載的情況。通信最小化原則減少處理器之間的通信開銷，通過合理的任務(wù)劃分和數(shù)據(jù)布局實(shí)現(xiàn)。并行算法設(shè)計(jì)原則030201并行圖算法如并行廣度優(yōu)先搜索、并行最短路徑算法等，通過同時(shí)訪問多個(gè)節(jié)點(diǎn)來加速圖的遍歷和搜索。并行數(shù)值計(jì)算如并行線性方程組求解、并行積分計(jì)算等，通過并行化迭代過程或劃分計(jì)算任務(wù)來加速數(shù)值計(jì)算。并行矩陣運(yùn)算如矩陣乘法、矩陣轉(zhuǎn)置等，通過分塊和并行化策略提高矩陣運(yùn)算的效率。并行排序算法如歸并排序、快速排序等，通過分治策略將排序問題分解為多個(gè)子問題并行解決。典型并行算法案例解析延時(shí)符03并行編程實(shí)現(xiàn)技術(shù)123OpenMP是一種支持多平臺(tái)共享內(nèi)存并行編程的API，在C/C和Fortran中廣泛使用。OpenMP概述OpenMP采用fork-join模型，通過編譯器指令實(shí)現(xiàn)并行化，支持任務(wù)并行和數(shù)據(jù)并行。OpenMP編程模型包括并行區(qū)域指令、循環(huán)調(diào)度指令、同步和互斥指令等。OpenMP常用指令OpenMP并行編程技術(shù)MPI概述MPI（MessagePassingInterface）是一種基于消息傳遞的并行編程標(biāo)準(zhǔn)，適用于分布式內(nèi)存系統(tǒng)。MPI編程模型MPI采用進(jìn)程間通信的方式實(shí)現(xiàn)并行計(jì)算，支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信和集體通信。MPI常用函數(shù)包括初始化函數(shù)、通信函數(shù)、同步函數(shù)、錯(cuò)誤處理函數(shù)等。MPI并行編程技術(shù)CUDA并行編程技術(shù)CUDA（ComputeUnifiedDeviceArchitecture）是NVIDIA推出的并行計(jì)算平臺(tái)和API，支持GPU加速計(jì)算。CUDA編程模型CUDA采用單指令多線程（SIMT）執(zhí)行模型，支持任務(wù)并行和數(shù)據(jù)并行。CUDA常用函數(shù)和語(yǔ)法包括內(nèi)核函數(shù)、內(nèi)存管理函數(shù)、同步函數(shù)等，以及CUDAC/C語(yǔ)法和擴(kuò)展。CUDA概述延時(shí)符04并行編程性能優(yōu)化ABCD任務(wù)劃分與調(diào)度優(yōu)化通過合理的任務(wù)劃分和調(diào)度策略，減少處理器間的通信開銷，提高并行計(jì)算效率。并行算法設(shè)計(jì)針對(duì)特定問題，設(shè)計(jì)高效的并行算法，充分利用并行計(jì)算資源，提高計(jì)算速度。代碼優(yōu)化與調(diào)優(yōu)通過編譯器優(yōu)化、代碼重構(gòu)、使用高效的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法等手段，提高代碼執(zhí)行效率。數(shù)據(jù)布局與訪問優(yōu)化優(yōu)化數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的布局方式，減少數(shù)據(jù)訪問沖突和緩存失效，提高數(shù)據(jù)訪問效率。性能優(yōu)化策略與方法加速比和效率衡量并行程序相對(duì)于串行程序的性能提升程度，以及并行計(jì)算的資源利用效率。執(zhí)行時(shí)間和吞吐量評(píng)估程序執(zhí)行時(shí)間和單位時(shí)間內(nèi)完成的任務(wù)數(shù)量，反映程序的執(zhí)行效率。內(nèi)存訪問和通信開銷分析程序的內(nèi)存訪問模式和通信開銷，找出性能瓶頸并進(jìn)行優(yōu)化。性能和功耗比綜合考慮程序的性能和功耗，評(píng)估程序的能效表現(xiàn)。性能評(píng)估指標(biāo)與方法ABCD典型性能優(yōu)化案例解析矩陣乘法優(yōu)化通過分塊矩陣乘法、使用高效算法庫(kù)等手段，提高矩陣乘法的計(jì)算速度。并行圖像處理優(yōu)化針對(duì)圖像處理中的特定操作，如濾波、變換等，設(shè)計(jì)高效的并行算法，提高圖像處理速度。并行排序算法優(yōu)化比較不同并行排序算法的性能表現(xiàn)，選擇適合特定場(chǎng)景的排序算法并進(jìn)行優(yōu)化。并行計(jì)算框架性能優(yōu)化分析并行計(jì)算框架的性能瓶頸，提出優(yōu)化建議并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。延時(shí)符05并行編程實(shí)踐與應(yīng)用03天體物理模擬通過并行計(jì)算，可以模擬宇宙大尺度結(jié)構(gòu)、星系形成等復(fù)雜天體物理過程。01氣候模擬利用并行編程技術(shù)，科學(xué)家們可以構(gòu)建大規(guī)模的氣候模型，模擬全球氣候變化，提高預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。02生物信息學(xué)在基因測(cè)序、蛋白質(zhì)折疊等生物信息學(xué)研究中，并行編程可以顯著加速數(shù)據(jù)分析過程?？蒲蓄I(lǐng)域中的并行編程實(shí)踐計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造過程中，利用并行編程可以加速?gòu)?fù)雜模型的渲染和分析。金融建模并行計(jì)算可以應(yīng)用于金融風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、投資組合優(yōu)化等計(jì)算密集型任務(wù)，提高決策效率。石油勘探并行編程技術(shù)可以幫助石油公司在海量地震數(shù)據(jù)中尋找油氣藏，提高勘探效率。工業(yè)界中的并行編程應(yīng)用云計(jì)算與邊緣計(jì)算的融合云計(jì)算提供了強(qiáng)大的計(jì)算資源，而邊緣計(jì)算則更靠近數(shù)據(jù)源，如何將兩者結(jié)合以優(yōu)化并行編程性能是一個(gè)挑戰(zhàn)。編程模型的簡(jiǎn)化與抽象隨著并行編程技術(shù)的不斷發(fā)展，如何降低編程難度、提高開發(fā)效率將成為未來發(fā)展的重要方向。異構(gòu)計(jì)算的崛起隨著GPU、FPGA等異構(gòu)計(jì)算設(shè)備的普及，如何有效地利用這些設(shè)備進(jìn)行并行編程將成為一個(gè)重要趨勢(shì)。未來發(fā)展趨勢(shì)與挑戰(zhàn)延時(shí)符06課程總結(jié)與展望介紹了并行計(jì)算的定義、分類、應(yīng)用領(lǐng)域以及發(fā)展趨勢(shì)。并行計(jì)算基本概念詳細(xì)講解了并行編程的常用模型，如消息傳遞模型、數(shù)據(jù)并行模型和共享內(nèi)存模型等。并行編程模型通過多個(gè)案例，深入剖析了并行編程的實(shí)現(xiàn)過程、優(yōu)化技巧和常見問題解決方法。并行編程實(shí)踐課程重點(diǎn)內(nèi)容回顧作品一基于MPI的并行排序算法。該作品實(shí)現(xiàn)了基于MPI的并行排序算法，通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了算法的高效性和可擴(kuò)展性。點(diǎn)評(píng)：作品思路清晰，代碼規(guī)范，實(shí)驗(yàn)結(jié)果有說服力。作品二基于OpenMP的數(shù)據(jù)并行化處理。該作品針對(duì)圖像處理問題，利用OpenMP實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)并行化處理，提高了處理效率。點(diǎn)評(píng)：作品選題新穎，實(shí)現(xiàn)方法得當(dāng)，具有一定的實(shí)用價(jià)值。作品三基于CUDA的GPU加速計(jì)算。該作品利用CUDA編程模型，實(shí)現(xiàn)了GPU加速計(jì)算，有效提升了計(jì)算性能。點(diǎn)評(píng)：作品技術(shù)難度較高，體現(xiàn)了作者對(duì)并行編程技術(shù)的深入理解和實(shí)踐能力。學(xué)生作品展示與點(diǎn)評(píng)深入學(xué)習(xí)并行編程技術(shù)建議學(xué)生繼續(xù)深入學(xué)習(xí)并行編程技術(shù)，