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面向超大规模数值模拟的领域通用高性能通信编程模型协同设计方法研究

批准号:
61902031
项目类别:
青年科学基金项目
资助金额:
23.0 万元
负责人:
杨章
学科分类:
计算机系统结构与硬件技术
结题年份:
2022
批准年份:
2019
项目状态:
已结题
项目参与者:

项目摘要

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项目成果

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中文摘要
超大规模数值模拟是高性能计算的重要应用领域。随着并行规模的不断提升和物理建模的日益复杂,超大规模数值模拟应用日益体现出显著的通信瓶颈,并随着超级计算机通信与计算能力差距的持续扩大而愈发严重。应用领域与超级计算机系统领域均开展了大量旨在提升通信性能的优化工作,但由于缺乏有效的协同使得对超大规模数值模拟领域的批量复杂应用通信性能提升有限。数值模拟领域应用的批量复杂性则为建立使能协同所需的领域抽象,即领域通用高性能通信编程模型,带来了巨大的挑战。为应对上述挑战,本项目研究:提出系统刻画批量应用领域通信语义的通信模式识别、分类和形式化方法;提出定量描述复杂应用通信行为的通信特征刻画方法;提出使能深度优化的领域通用通信编程模型设计方法。通过研究,形成系统刻画超大规模数值模拟领域通信需求的通信模式库、通信特征库和领域通用通信编程模型,为该领域与计算机系统协同通信优化奠定知识、方法和技术基础。
英文摘要
Extreme-scale numerical simulation is an important application area of high-performance computing. With the increasing of parallel computing scale and physical model complexity, communication is becoming a significant bottleneck in extreme-scale numerical simulations. Yet this bottleneck gets more and more serve since the performance gap between communication and computation keeps widening in modern supercomputers. Although many approaches have been investigated to improve the communication performance, both in the application domain and in the system community, they enjoy only limited successes for the batches of complex numerical applications in the whole extreme-scale numerical simulation domain, largely due to the lack of effective co-design. To enable the co-design, the domain abstraction, namely a domain-general high-performance communication programming model, shall be established, which remains a challenge in the presence of batches of complex applications in the domain..With the above challenge in mind, we study the following points in this project. We propose a methodology to systematically identify, categorize and formalize the communication patterns in batches of applications required by the extreme-scale numerical simulation domain. We propose a methodology to quantitatively describe the communication behaviors in complex domain applications. We propose a methodology to design a domain-general high-performance communication programming model which enables extensive communication optimization. Through these researches, we produce a communication pattern library, a communication characteristics library and a communication programming model which would describe systematically the communication requirements of extreme-scale numerical simulations, and prepare a solid foundation in knowledge, methodology, and technology for the co-design of communication optimization between the application domain and the computer systems.
超大规模数值模拟是高性能计算的重要应用领域,而数据通信性能则是制约超大规模数值模拟并行扩展性的关键瓶颈之一。由于缺乏应用领域与性能优化的有效协同,有效提升实际应用的数据通信性能一直具有相当的难度。项目针对如何实现上述协同这一重要问题,从建立有效的领域抽象的角度,开展一系列的研究工作,探索通过领域分析和特征分析来建立高性能通信编程模型的技术路线,并建立装备仿真领域通用的高性能通信编程模型,使能应用领域与性能优化协同设计,为切实提升批量装备仿真实际应用的通信性能奠定技术基础。项目提出了由两大类14小类通信模式组成的装备仿真领域通用数据通信模式库,剖析了装备仿真并行应用的数据通信特征,建立了快速构建装备仿真并行应用的通信行为代理程序的通信骨架生成技术,结合领域特征设计了“模式-算法-原语”三级领域通用高性能通信编程模型,探索了对批量点对点这类主要通信特征的拥塞快速建模方法。项目研究工作将装备仿真数据通信的性能优化问题空间缩减至对14类通信开展优化,并进一步分为有向图和无向图两类,解构为通信调度优化和数据传输优化两个层级,使得数据通信优化不再需要面对实际应用复杂场景,大幅度降低了通信优化实施的难度。项目研究还发现,装备仿真领域的主要数据通信显出典型的延迟主导特征,对国产高性能计算机的通信网络和传输协议的设计具有参考价值。项目研究成果已集成到JUSMID超大规模数值模拟软件平台,将在装备仿真领域持续发挥通信优化的桥梁作用。
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DOI: 10.3969/j.issn.1007-130x.2020.02.001
发表时间: 2020
期刊: 计算机工程与科学
影响因子: --
作者: [彭晋韬, 杨章, 刘青凯, 张倩]
通讯作者: 张倩
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