[發(fā)明專利]基于GPU的GRAPES系統(tǒng)優(yōu)化方法、系統(tǒng)、介質(zhì)及設(shè)備

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011279755.1
• 申請(qǐng)日: 2020-11-16
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112486671A
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-03-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 賈金芳;張琨;嚴(yán)文昕;黃建強(qiáng);王曉英
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 青海大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F9/50
• 分類號(hào): G06F9/50;G01W1/00
• 代理公司: 北京輕創(chuàng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11212
• 代理人: 厲洋洋

本發(fā)明涉及一種基于GPU的GRAPES系統(tǒng)優(yōu)化方法、系統(tǒng)、介質(zhì)及設(shè)備。方法包括：進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換以及存儲(chǔ)空間開(kāi)辟的數(shù)據(jù)初始化；利用CUDA將所述廣義共軛余差法的計(jì)算流程進(jìn)行GPU移植，對(duì)于計(jì)算流程中能進(jìn)行并行處理的，在GPU中采用多線程并行處理，計(jì)算過(guò)程中利用顯存進(jìn)行通信，且中間變量均保存在GPU上；對(duì)于計(jì)算流程中不能并行處理的，將前置數(shù)據(jù)拷回CPU端進(jìn)行計(jì)算，再將計(jì)算結(jié)果拷回GPU端。本發(fā)明實(shí)施例將計(jì)算流程進(jìn)行GPU移植，能進(jìn)行并行處理的，在GPU中采用多線程并行處理，計(jì)算過(guò)程中利用顯存進(jìn)行通信，且中間變量均保存在GPU上，避免了和CPU端進(jìn)行頻繁的數(shù)據(jù)傳輸，減少了GPU與CPU之間的數(shù)據(jù)傳輸開(kāi)銷，提升了程序的整體性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)信息技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于GPU的GRAPES系統(tǒng)優(yōu)化方法、系統(tǒng)、介質(zhì)及設(shè)備。

背景技術(shù)

二十一世紀(jì)初期，我國(guó)氣象學(xué)家為改善天氣預(yù)報(bào)模式的性能和滿足人民日益增加的對(duì)天氣預(yù)報(bào)精度的需求，開(kāi)始對(duì)我國(guó)新一代數(shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)(GRAPES)進(jìn)行自主研究。GRAPES動(dòng)力框架的計(jì)算核心是赫姆霍茲方程的求解，該方程是原始大氣方程組經(jīng)過(guò)一系列離散化處理之后形成的大規(guī)模稀疏線性方程組。目前對(duì)線性方程組的求解方法主要有兩種，分別是直接法和迭代法。由于計(jì)算機(jī)硬件條件的限制使用直接法并不能完成有效求解。而迭代法具有硬件存儲(chǔ)空間要求較小，原始矩陣在計(jì)算過(guò)程中保持不變等優(yōu)點(diǎn)，所以在求解大規(guī)模稀疏線性方程組的方法選擇上主要采用迭代法。GRAPES數(shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)目前采用的迭代法為廣義共軛余差法(GCR)。

當(dāng)前赫姆霍茲方程的求解優(yōu)化工作在CPU方面較多。CPU并行技術(shù)主要采用MPI和OpenMP。MPI是消息傳遞模型，多用于多節(jié)點(diǎn)設(shè)備，MPI在求解赫姆霍茲方程中的運(yùn)用主要通過(guò)將算法的不同計(jì)算任務(wù)劃分至不同進(jìn)程中，不同進(jìn)程并行執(zhí)行任務(wù)。廣義共軛余差算法的計(jì)算內(nèi)容主要有稀疏矩陣向量乘、向量?jī)?nèi)積、向量數(shù)乘。這些計(jì)算核心分布在不同的迭代過(guò)程中，且都具有一定的并行度，所以可以較好地進(jìn)行MPI進(jìn)程任務(wù)分配。MPI并行優(yōu)化的缺陷主要在通信開(kāi)銷部分，隨著進(jìn)程數(shù)量的增加，進(jìn)程之間的通信開(kāi)銷也會(huì)隨之增加，從而限制MPI并行優(yōu)化的整體性能。OpenMP并行技術(shù)屬于共享內(nèi)存模型，與MPI程序相比，OpenMP主要利用共享內(nèi)存進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，可以減少一部分通信開(kāi)銷。MPI+OpenMP混合并行技術(shù)雖然能夠提升一定的求解速度，但計(jì)算性能仍然有待提高。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，提供一種基于GPU的GRAPES系統(tǒng)優(yōu)化方法、系統(tǒng)、介質(zhì)及設(shè)備。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明實(shí)施例提供一種基于GPU的GRAPES系統(tǒng)優(yōu)化方法，其中，基于廣義共軛余差法求解赫姆霍茲方程的優(yōu)化過(guò)程包括：

進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換以及存儲(chǔ)空間開(kāi)辟的數(shù)據(jù)初始化；

利用CUDA將所述廣義共軛余差法的計(jì)算流程進(jìn)行GPU移植；

對(duì)于計(jì)算流程中能進(jìn)行并行處理的，在GPU中采用多線程并行處理，計(jì)算過(guò)程中利用顯存進(jìn)行通信，且中間變量均保存在GPU上；

對(duì)于計(jì)算流程中不能并行處理的，將前置數(shù)據(jù)拷回CPU端進(jìn)行計(jì)算，再將計(jì)算結(jié)果拷回GPU端。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明實(shí)施例還提供一種基于GPU的GRAPES系統(tǒng)優(yōu)化系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：

數(shù)據(jù)初始化模塊，用于進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換以及存儲(chǔ)空間開(kāi)辟的數(shù)據(jù)初始化；

GPU移植模塊，用于利用CUDA將所述廣義共軛余差法的計(jì)算流程進(jìn)行GPU移植；

GPU計(jì)算模塊，對(duì)于計(jì)算流程中能進(jìn)行并行處理的，在GPU中采用多線程并行處理，計(jì)算過(guò)程中利用顯存進(jìn)行通信，且中間變量均保存在GPU上；

CPU計(jì)算模塊，對(duì)于不能并行處理的，將前置數(shù)據(jù)拷回CPU端進(jìn)行計(jì)算，再將計(jì)算結(jié)果拷回GPU端。