面向重大套用領域的高效能計算最佳化理論與技術

《面向重大套用領域的高效能計算最佳化理論與技術》是依託北京套用物理與計算數學研究所，由莫則堯擔任項目負責人的重點項目。

基本介紹

• 中文名：面向重大套用領域的高效能計算最佳化理論與技術
• 項目類別：重點項目
• 項目負責人：莫則堯
• 依託單位：北京套用物理與計算數學研究所

項目摘要

高性能計算已深入我國若干重大套用領域，發揮重要作用，實際套用日趨複雜。在此需求牽引下，計算機快速發展，處理器核數逼近十萬，峰值性能達到千萬億次，體系結構日趨複雜。受限於此雙重複雜性，計算機實用效能和峰值性能的差距日趨明顯，制約高性能計算的發展。本項目面向武器物理、雷射聚變和全球氣候變化，依託數百萬億次計算機，立足數值模擬套用軟體，研究提升計算機實用效能的最佳化理論和技術，並進行典型示範。主要研究內容包括：適應於複雜套用和計算機複雜體系結構的面向對象數據結構和與之相適應的並行計算模型；提升數據結構和模型可用性的使能技術：非規則數據通信算法和動態負載平衡方法；適應數千至數萬核的高效數值並行算法；浮點性能最佳化方法；禁止並行計算細節的新型並行編程模型；七個以上套用軟體的典型示範。項目成果將為大幅提升套用軟體計算效率並縮短其研製周期奠定堅實的理論基礎，對促進我國重大套用領域的高效能計算具有重要意義。

結題摘要

項目面向核武器物理、慣性約束聚變、全球氣候變化地球系統模式等領域的數值模擬套用，通過六層嵌套格線剖分數據結構和訪存最佳化，數據通信—動態負載平衡—快速數值並行算法、分離並行計算的構件化編程模型及接口等方面的創新研究，突破了千萬億次 “性能牆”和“編程牆”的兩大瓶頸，實現了100倍能力提升，成效顯著。1、提出了適應於計算機六層體系結構“系統—結點—CPU—核—部件—向量化”的六層嵌套數據結構“格線層—格線區—格線域—格線片—格線點—數據片”，提出了適應於多物理耦合、相空間多群耦合、空間二層嵌套區域分解的“聯邦—克隆—格線層—格線片”四層嵌套的數據通信並行算法、動態負載平衡方法和並行編程實現技術，支撐若干套用軟體具備可擴展到數千至數萬個處理器核的並行計算性能。2、提出了適應於數千上萬處理器核的系列快速數值並行算法，包括並行結構格線自適應加密算法（SAMR）、並行代數多重格線算法（PAMG）等，將若干典型套用軟體的計算能力提升了數百上千倍。3、凝練了18類並行計算模式，提出了構件化並行編程模型，可支持物理、力學、數學等套用領域專家無需了解高性能特徵和並行實現細節，便可快速研發並行套用軟體，顯著縮短研發周期。4、針對稠密矩陣乘、稀疏矩陣向量乘、字元串序列比對等計算核心，提出了系列性能最佳化方法，其中，稠密矩陣乘的計算效率達到單Femi GPU峰值性能的80%，稀疏矩陣向量乘的浮點性能是Intel MKL數學庫的3倍以上。5、完成了雷射聚變輻射流體力學、輻射和中子輸運、雷射電漿相互作用、流體界面不穩定性、三維分子動力學等領域七個典型套用軟體在數千至數萬個處理器核上的驗證，3個軟體數萬核並行效率達到30%。項目組出版專著1部，發表論文52篇，其中，在IEEE Trans. on Parallel and Distributed Systems、Journal of Computational Physics等國際高水平期刊上發表SCI論文16篇。項目組莫則堯研究員獲2014年國家科技進步獎特等獎1項（排名3），獲中國科協“求是”傑出青年獎（實用工程獎）和“馮康”科學計算獎，獲國家百千萬人才工程、有“突出貢獻中青年專家”榮譽稱號，入選首批國家萬人計畫，同時獲得中國工程物理研究院傑出專家學術榮譽稱號。