基于神威平台的格点QCD数值模拟计算的实现与优化

论文摘要

格点QCD(Lattice quantum chromodynamics)是用格点量子场论研究量子色动力学(quantum chromodynamics)的一种主流非微扰理论计算方法。它通过将场变量定义在四维网格中并进行数值模拟计算,测量由夸克与胶子构成的物理量。格点QCD数值模拟计算对网格中每个点进行迭代计算,来求解关键量:四维网格中夸克的传播振幅。格点QCD数值模拟计算属于高性能计算,其性能热点为dslash计算。四维空间中的点在dslash计算中要进行频繁的通信与计算,因此格点QCD数值模拟计算需要大量计算资源,通常在大规模超级计算机上进行。国产超算平台“神威·太湖之光”是世界上首台峰值性能超过100PFlops的超级计算机,已有许多高性能应用在神威平台上进行了移植优化并取得了很好的效果,并连续两年夺得高性能应用领域杰出奖项——戈登贝尔奖。由于神威平台片上异构设备异于常用的x86同构处理器或GPU异构加速卡,现有的格点QCD数值模拟计算程序无法直接在神威平台的从核阵列中使用。本文首次在神威平台中实现并优化了格点QCD数值模拟计算。本文重点从格点QCD数值模拟计算在“神威·太湖之光”上实现、优化两个方面展开,主要贡献有:1.针对热点计算dslash,本文提出两维展开的dslash计算模型,实现了基于神威平台的单核组方案与多核组并行方案。2.为充分利用神威平台的计算资源,在单核组方案与多核组并行方案基础上实现循环展开、计算、访存、通信优化策略。3.测试本文方案的性能,并对测试中的现象进行分析,验证本文方案的可行性与性能优势。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 研究的背景和意义
•   1.2 主要研究内容及创新点
•   1.3 全文结构
• 第2章 相关技术
•   2.1 格点QCD概述
•     2.1.1 公式推导
•     2.1.2 稀疏矩阵线性方程组求解
•     2.1.3 格点QCD计算进展
•   2.2 “神威·太湖之光”超算平台系统架构
•     2.2.1 “神威·太湖之光”超算平台系统总体架构
•     2.2.2 “申威26010”众核异构处理器架构
•   2.3 “神威·太湖之光”并行编程模型
•     2.3.1 主核间并行编程模式
•     2.3.2 从核间并行编程模型
•   2.4 本章小结
• 第3章 基于神威平台的格点QCD数值模拟计算实现
•   3.1 性能分析与热点定位
•   3.2 单核组的格点QCD数值模拟计算方案
•     3.2.1 格点QCD数值模拟计算模型
•     3.2.2 基于两维展开的dslash计算模型设计
•   3.3 单核组的格点QCD数值模拟计算的实现与测试
•     3.3.1 格点QCD数值模拟在从核阵列上的实现
•     3.3.2 正确性验证与性能测试
•   3.4 基于并行通信的单核组到多核组并行扩展
•     3.4.1 基于状态机模型的核组间通信设计
•     3.4.2 基于模拟信号量的主从核数据交互设计
•     3.4.3 MPI并行方案实现
•   3.5 本章小结
• 第4章 面向神威平台的格点QCD数值模拟计算优化
•   4.1 神威平台中性能优化策略
•   4.2 单核组优化策略
•     4.2.1 循环展开优化
•     4.2.2 向量化优化
•     4.2.3 寄存器通信优化
•   4.3 多核组并行优化策略
•     4.3.1 DMA访存优化
•     4.3.2 全局规约优化
•     4.3.3 MPI通信优化
•   4.4 本章小结
• 第5章 性能优化测试与分析
•   5.1 单核组优化测试与分析
•     5.1.1 实验方案
•     5.1.2 单核组方案性能测试
•     5.1.3 单核组方案性能分析
•   5.2 多核组优化测试与分析
•     5.2.1 实验方案
•     5.2.2 多核组方案性能测试
•     5.2.3 多核组方案性能分析
•   5.3 本章小结
• 第6章 总结和展望
•   6.1 本文总结
•   6.2 工作展望
•   6.3 本章小结
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间主要的研究成果
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 周宇

导师: 何钦铭

关键词: 格点量子色动力学,数值模拟,神威太湖之光,性能优化,并行计算

来源: 浙江大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 浙江大学

分类号: O572.243

总页数: 88

文件大小: 5671K

下载量: 87