面向科學計算流處理器的編譯存儲最佳化關鍵技術研究

《面向科學計算流處理器的編譯存儲最佳化關鍵技術研究》是依託中國人民解放軍國防科技大學，由張英擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：面向科學計算流處理器的編譯存儲最佳化關鍵技術研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：張英
• 依託單位：中國人民解放軍國防科技大學

中文摘要

流處理器以其強大的計算能力、較低的功耗和靈活的可程式性，成為當前高性能計算系統定製加速部件的主要選擇之一。然而，原本面向多媒體領域開發的流編譯器，在處理數據依賴關係更加複雜的科學計算套用時，表現出較差的適應性，對流存儲系統特徵的利用十分有限，存儲牆問題極為嚴重，致使當前科學計算流程式性能的好壞完全依賴於程式設計師的編程質量。因此，本項目提出面向科學計算採用編譯技術發掘利用流處理器的存儲特徵，最佳化其存儲性能，以有效緩解存儲牆問題。不同於傳統處理器的全新的流計算模型、編程模型、體系結構及存儲系統，為流處理器的編譯存儲最佳化技術帶來了巨大挑戰。本項目將分析典型科學計算套用訪問流存儲系統的行為與瓶頸，從最佳化片上存儲器局部性、隱藏訪存延遲和避免片上存儲器溢出等方面進行深入的研究，面向科學計算實現流處理器存儲特徵的自動發掘利用和存儲性能的自動最佳化，為流處理器在高性能計算中的套用提供支持。

結題摘要

本項目重點研究了如何通過編譯最佳化技術來改善流處理器的存儲性能，按照計畫完成了全部研究工作，並對研究內容進行了擴展。本項目在分析了大量具有不同性能特徵的科學計算流程式的訪存行為後，面向科學計算從最佳化片上存儲器局部性、隱藏訪存延遲和避免SRF溢出等方面進行了深入的研究：最佳化LRF局部性方面，提出了流轉置方法ST，該方法根據程式的復用信息重新組織數據，將簇間記錄復用等價地轉換為同一運算簇內的記錄復用，同時，為避免因數據重組導致的存儲體衝突，該方法給出了發生存儲體衝突的判別定理，並採用循環分割技術避免衝突發生；最佳化SRF局部性方面，提出了CBSR方法，該方法是國際上第一個自動發掘變界流完整復用的方法，由一系列創新性的理論、機制和算法組成，包括首次提出的流復用識別理論、首次定義並構建的用於描述流復用信息的流復用圖（SRG）、基於SRG發掘流完整復用的程式變換算法和SRF壓力評估與緩解算法等。CBSR方法有效發掘了變界流之間的完整復用，避免了數據的重複載入，改進了SRF局部性，提升了程式性能；隱藏訪存延遲最佳化方面，提出了一種基於SRG的SRF資源分配避免算法SRFACA，在SRF預取開銷更小的同時，避免了SRF資源分配衝突，增加了預取的有效性；避免SRF 溢出的最佳化方面，提出了基於SRG的循環分塊算法。本項目基於SF95編譯器實現了項目提出的各種編譯存儲最佳化方法，並使用科學計算領域的典型常用測試程式來進行評測，與當前流編譯器的流調度方法相比，取得了更優的性能。 　　項目研究期間。發表學術論文27篇，其中SCI檢索7篇，EI檢索14篇，在國際相關學術領域引起關注；相關研究獲軍隊科技進步一等獎2項；已公示專利6項。項目期間，培養畢業博士生5人。本項目提出的面向科學計算流處理器的編譯存儲最佳化關鍵技術研，能夠大大改善科學計算套用在流處理上的訪存性能，有效提升了流處理器處理科學激素套用的能力，對流處理器在高性能領域的套用有重大意義。