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计算机体系结构高效并行性能模拟技术研究

徐传福  
【摘要】:性能模拟与分析模型、Benchmark测试被认为是计算机系统性能评测的三大主要方法。相对于Benchmark测试和分析模型,模拟技术在性能评价的代价、时间以及灵活性之间有很好的平衡,正日益受到学术界和产业界的关注。模拟器由于采用软件模拟硬件行为,通常比在真实硬件上的执行开销大几个数量级,并且存储需求也很大。传统串行模拟技术已难以满足体系结构模拟对容量和时效性的需求,特别对大规模计算机系统的性能模拟,基于并行宿主机平台的并行性能模拟已成为必然趋势。与此同时,随着所模拟目标体系结构复杂性和测试程序规模的持续增长,大规模体系结构并行模拟技术的发展和应用仍然受到模拟性能的制约。 本文围绕着如何提高体系结构并行性能模拟的效率和精度而开展工作,在处理器体系结构高效并行模拟、大规模体系结构并行模拟中的高效映射策略和自适应同步方法、新型体系结构并行模拟器的设计实现和应用评估等方面开展了深入研究,主要工作包括: (1)针对基于时间分割的处理器体系结构分布式并行模拟建立了通用性能分析模型,基于该模型对典型系统的并行加速比、并行效率等性质进行了理论分析,得出了一些有用的结论。深入分析了已有的时间分割并行化方法存在的并行结点间模拟负载不均衡问题,提出了均衡可扩展分布式并行模拟方法SEDSim(Scalable and Evenly Distributed Simulation)。SEDSim针对模拟结点负载不均衡问题,提出了开销模型指导的指令区间均衡分割和分配策略CoMEPA(Cost Model-guided Evenly Partition and Allocation);针对分布式并行模拟与非连续、任意数量抽样模拟区间的高效集成,提出了基于最小等价距离(Minimum Equivalent Cost)的区间分配算法MinEC。理论分析和测试结果均表明了SEDSim方法的优势。 (2)对大规模体系结构并行模拟中的逻辑进程到物理进程的映射问题进行了深入研究,提出了基于通信最小化的高效映射方法MinCoM (Minimum Communication-guided Mapping)。MinCoM利用从踪迹文件中提取的逻辑进程之间的通信信息生成映射,使得物理进程之间通信最小。在MinCoM框架下,结合规则目标应用通信特征提出了基于数组分配的映射方法A2-MinCoM(Array Assignment MinCoM);结合多核集群宿主机平台通信特征提出了两阶段映射方法TP-MinCoM(Two-Phase MinCoM)。测试表明,上述映射方法相对于传统的块映射和循环映射能够大幅减少并行模拟执行时间和物理进程间通信。 (3)通过挖掘目标应用特征信息对大规模体系结构并行模拟中的自适应同步方法进行了优化,提出了基于事件触发度(Event Trigger Degree,简称ETD)的自适应同步方法ETD-Adaptive和面向迭代目标应用的两阶段混合自适应同步方法Iter-Adaptive。ETD-Adaptive利用踪迹中提取的未来事件及其依赖关系优先指导时间窗口的自适应调整,Iter-Adaptive利用很多科学计算并行应用所具有的迭代特征搜集自适应窗口调整信息并为后续模拟建立一个合适的固定时间窗口。测试结果验证了两种方法的有效性,同时这两种方法易于实现,无需修改编译器,甚至无需修改并行模拟器的核心代码。 (4)通过实验评估了大规模踪迹驱动体系结构并行模拟中踪迹生成对模拟的影响。实验选取了若干具有不同计算通信比的目标并行程序和三个支持不同踪迹I/O方式的宿主机平台,结果表明踪迹生成对模拟效率和精度均有较大的影响,深入分析了这种影响与并行模拟器实现和宿主机平台I/O方式的关系,针对并行模拟的特点提出了几种可行的踪迹优化技术,对踪迹驱动并行模拟器设计、实现和使用具有一定的指导意义。 (5)针对已有体系结构并行模拟器的不足和消息传递应用程序在多核集群系统上所表现出的新的性能特征,设计并实现了一个面向多核集群系统性能预测、分析的并行模拟器MCPSim(Multi-core Cluster Parallel Simulator)。MCPSim在模拟的功能模型和性能模型上体现了片内核间、结点内片间以及结点间三个层次上消息通信的功能和性能特点,不仅能够准确给出性能预测结果,同时支持对消息传递应用程序在上述通信层次上的消息数量、通信量等的轮廓分析,能够应用于多核集群系统上消息传递应用程序的性能分析、预测中。


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