基于神威众核处理器的排列熵算法并行加速方法

随着嵌入维数的增大,排列熵（permutation entropy,PE）算法的运算规模将会成倍增加,对计算的时效性提出了更高的要求。针对国际上首台计算性能超过100P的神威·太湖之光异构众核超级计算机,提出一种针对排列熵算法移植和并行化方法,核组之间基于MPI对相空间矩阵进行数据划分,核组内部基于OpenACC实现划分区域内部并行;然后针对SW26010众核处理器结构特征,调整减少主从核通信次数和消除原子操作,将排列熵算法成功移植并加速;最后通过大坝震荡数据进行测试。测试结果表明,该方法能够很好地发挥SW26010众核处理器加速优势,单核组性能较主核版本最高可获得7.18倍加速,同时在神威·太湖之光大规模集群上进行强可扩展性分析,128核组时最高实现了85.6倍的性能提升。     

一种基于GPU加速的细粒度并行蚁群算法

为改善蚁群算法对大规模旅行商问题的求解性能,提出一种基于图形处理器(GPU)加速的细粒度并行蚁群算法.将并行蚁群算法求解过程转化为统一计算设备架构的线程块并行执行过程,使得蚁群算法在GPU中加速执行.实验结果表明,该算法能提高全局搜索能力,增大细粒度并行蚁群算法的蚂蚁规模,从而提高了算法的运算速度.     

基于可重构处理器的并行优化算法

为挖掘可重构处理器的内在并行性,需要编译器通过分析程序的并行性来决定可重构处理器硬件最好的执行模式。为此,提出一种基于可重构处理器的并行优化算法。将有向无环图的并行计算部分映射到可重构处理器上,对任务实现3个不同层次的并行性(指令级并行、循环级并行、线程级并行)。测试结果表明,该算法使得可重构处理器在处理任务时比未用并行优化算法的性能提升1.2倍左右。     

基于CUDA的并行粒子群优化算法的设计与实现

针对处理大量数据和求解大规模复杂问题时粒子群优化(PSO)算法计算时间过长的问题, 进行了在显卡(GPU)上实现细粒度并行粒子群算法的研究。通过对传统PSO算法的分析, 结合目前被广泛使用的基于GPU的并行计算技术, 设计实现了一种并行PSO方法。本方法的执行基于统一计算架构（CUDA）, 使用大量的GPU线程并行处理各个粒子的搜索过程来加速整个粒子群的收敛速度。程序充分使用CUDA自带的各种数学计算库, 从而保证了程序的稳定性和易写性。通过对多个基准优化测试函数的求解证明, 相对于基于CPU的串行计算方法, 在求解收敛性一致的前提下, 基于CUDA架构的并行PSO求解方法可以取得高达90倍的计算加速比。     

基于OpenCL的并行kNN算法设计与实现

kNN算法是机器学习和数据挖掘程序中经常使用的经典算法。随着数据量的增大,kNN算法的执行时间急剧上升。为了有效利用现代计算机的GPU等计算单元减少kNN算法的计算时间,提出了一种基于OpenCL的并行kNN算法,该算法对距离计算和排序两个瓶颈点进行并行化,在距离计算阶段使用细粒度并行化策略和优化的线程模型,排序阶段使用优化内存模型的双调排序。以UCI数据集letter为测试集,分别使用E8400和GTS450运行kNN算法进行测试,采用GPU加速的并行kNN算法的计算速度比CPU版提高了40.79倍。     

神威·太湖之光上排列熵算法异构并行加速

为增加检测突变信号的时效性，提高各种故障检测系统的效率，提出在“神威·太湖之光”上基于两级并行模式改进的排列熵(PE)算法。在节点间采用MPI(信息传递接口)并行编程模型，通过对等模式轮询调度方式解决多文件负载不均衡问题；在核组内采用Athread(加速线程库)并行编程模型，通过相空间构建重构矩阵，实现从核级数据划分；采用双缓冲技术实现从核计算与访存的重叠，减少主从通信时间；利用DMA通信和重组传输数据的方法，减少主从通信次数。使用15个LDK UER204滚动轴承全寿命周期实验数据进行测试，结果表明，单核组性能较主核版本最高可获得11.86倍加速，128核组最高实现123.73倍的性能提升。     

一种基于GPU加速的细粒度并行蚁群算法

为改善蚁群算法对大规模旅行商问题的求解性能,提出一种基于图形处理器(GPU)加速的细粒度并行蚁群算法.将并行蚁群算法求解过程转化为统一计算设备架构的线程块并行执行过程,使得蚁群算法在GPU 中加速执行.实验结果表明,该算法能提高全局搜索能力,增大细粒度并行蚁群算法的蚂蚁规模,从而提高了算法的运算速度.

     

基于CUDA的并行布谷鸟搜索算法设计与实现

布谷鸟搜索（cuckoo search,CS）算法是近几年发展起来的智能元启发式算法,已经被成功应用于多种优化问题中。针对CS算法在求解大数据、大规模复杂问题时,计算时间过长的问题,提出了一种基于统一计算设备架构（compute unified device architecture,CUDA）的并行布谷鸟搜索算法。该算法的并行实现采用任务并行与数据并行相结合的方式,利用图形处理器（graphic processing unit,GPU）线程块与线程分别映射布谷鸟个体与个体的每一维数据,并行实现CS算法中的鸟巢位置更新、个体适应度评估、鸟巢重建、寻找最优个体操作。整个CS算法的寻优迭代过程完全通过GPU实现,降低了算法计算过程中CPU与GPU的通信开销。对4个经典基准测试函数进行了仿真实验,结果表明,相比标准CS算法,基于CUDA架构的并行CS算法在求解收敛性一致的前提下,在求解速度上获得了高达110倍的计算加速比。     

基于Supersonic的并行分组聚集

针对在分析型联机分析处理(OLAP)应用中频繁出现的数据密集型操作符——分组聚集耗时较多的问题,提出Cache友好的分组聚集算法对该操作进行性能优化。首先,为充分发挥列存储在数据密集型计算方面的优势,采用基于开源的列存储查询执行引擎Supersonic,并在此之上设计Cache友好的分组聚集算法;其次,为加速查询的执行,使用并行技术,将单线程的分组聚集算法改为多线程并行的分组聚集算法。基于Supersonic设计并实现4种并行分组聚集算法:无共享Hash表并行分组聚集(NSHPGA)算法、表锁共享Hash表并行分组聚集(TLSHPGA)算法、桶锁共享Hash表并行分组聚集(BLSHPGA)算法、节点锁共享Hash表并行分组聚集(NLSHPGA)算法,且在不同的分组势集、不同的线程数的情况下,针对上述4种算法做了多组实验。通过对比3种不同粒度的共享Hash表并行分组聚集算法的加速比,得出NLSHPGA算法在加速比和并发度两方面表现最好,部分查询可达到10倍加速比;通过比较NSHPGA算法和NLSHPGA算法的加速比、Cache miss内存使用等情况,得出NLSHPGA算法在分组势集大于8时,加速比超过NSHPGA算法,并且Cache miss更低,使用的内存更少。     

基于图形处理器的可变形部件模型算法的并行化

目前目标识别领域,在人体检测中精确度最高的算法就是可变形部件模型(DPM)算法,针对DPM算法计算量大的缺点,提出了一种基于图形处理器(GPU)的并行化解决方法.采用GPU编程模型OpenCL,对DPM算法的整个算法的实现细节采用了并行化的思想进行重新设计实现,优化算法实现的内存模型和线程分配.通过对OpenCV库和采用GPU重新实现的程序进行对比,在保证了检测效果的前提下,使得算法的执行效率有了近8倍的提高.     

CUDA加速的DNA-蛋白质匹配及其优化

设计实现了一种使用统一计算设备架构(CUDA)加速DNA-蛋白质匹配的方法。详细介绍了一种基于退火算法的DNA-蛋白质匹配方法和CUDA的特点,从计算的角度对匹配方法进行了分析。基于CUDA设计实现并行化方法,并根据CUDA的线程调度策略对并行方法进行了优化。实验结果表明,最大可获得15倍左右的加速比。     

基于GPU的并行优化技术*

针对标准并行算法难以在图形处理器(GPU)上高效运行的问题,以累加和算法为例,基于Nvidia公司统一计算设备架构(CUDA)GPU介绍了指令优化、共享缓存冲突避免、解循环优化和线程过载优化四种优化方法。实验结果表明,并行优化能有效提高算法在GPU上的执行效率,优化后累加和算法的运算速度相比标准并行算法提高了约34倍,相比CPU串行实现提高了约70倍。     

基于Spark Streaming的流式并行文本校对

互联网的高速发展催生了海量网络文本,这对传统的串行文本校对算法提出了新的性能挑战。尽管近年来文本自动校对任务受到了较多关注,但相关研究工作多集中于串行算法,鲜有涉及校对的并行化。文中首先对串行校对算法进行泛化,给出一种串行校对的通用框架,然后针对串行校对算法处理大规模文本存在的耗时长的不足,提出3种通用的文本校对并行化方法:1)基于多线程的线程并行校对,它基于线程池的方式实现段落和校对功能的同时并行;2)基于Spark MapReduce的批处理并行校对,它通过RDD并行计算的方式实现段落的并行校对;3)基于Spark Streaming流式计算框架的流式并行校对,它通过将文本流的实时计算转为一系列小规模的基于时间分片的批处理作业,有效避免了固定开销,显著缩短了校对时延。由于流式计算兼有低时延和高吞吐的优势,文中最后选用流式校对来构建并行校对系统。性能对比实验表明,线程并行适合校对小规模文本,批处理并行适合大规模文本的离线校对,流式并行校对有效减少了约110s的固定时延,相比批处理校对,采用Streaming计算框架的流式校对取得了极大的性能提升。     

分形计算的并行设计及TBB实现

线程构建模块(TBB)基于模板的特点简化了并行化设计,适合高效地实现多核并行设计。针对分形计算具有计算密集和高耗时的特点,结合TBB并行化设计,以充分利用多核计算资源。对影响并行性能的计算负载不平衡问题,提出了基于采样估算的平衡优化方法,通过采样执行时间来估算工作负载,据此进行均衡的任务划分,利用TBB任务调度实现并行处理。实验结果表明,采样估算精度高,耗时比率低,能有效实现负载均衡;基于TBB的实现可获得较好加速比。     

医学影像非刚性配准的并行加速及优化

三次B样条函数拟合小形变需要大量控制点,且非刚性配准的迭代算法和归一化互信息计算量巨大,使得非刚性配准缓慢.为了提高配准速度,提出基于B样条函数的二级并行算法,其中对归一化互信息使用数据并行算法;对梯度下降流使用任务并行算法,并将数据并行算法嵌入到任务并行算法中.为减少计算量,提出图像多层次局部熵提取自由形变场活动控制点的算法,使活动控制点仅分布于待配准的目标之上,并使用B样条系数的快速算法进一步减少计算量;对由于控制点分布优化造成的各线程块并行计算量不平衡的问题,使用类似于Greedy算法的计算平衡算法使各线程块的计算量均衡.实验结果表明,使用B样条系数快速算法可以减少约50％的B样条系数计算量;与串行算法相比,使用二级并行算法以及控制点分布优化算法可以达到60～80倍的加速效果;比现有的数据并行配准算法可提速约6倍.     

一种基于GPU 加速细粒度并行遗传算法的实现方法

为改善遗传算法对大规模多变量求解的性能,提出一种基于图形处理器(GPU)加速细粒度并行遗传算法的实现方法.将并行遗传算法求解过程转化为GPU纹理渲染过程,使得遗传算法在GPU中加速执行.实验结果表明,该算法抑制了早熟现象,增大了并行遗传算法的种群规模,提高了算法的运算速度,并为普通用户研究并行遗传算法提供了一种可行的方法.     

基于自适应线程束的GPU并行粒子群优化算法

基于统一计算设备架构（CUDA）对图形处理器（GPU）下的并行粒子群优化（PSO）算法作改进研究。根据CUDA的硬件体系结构特点,可知Block是串行执行的,线程束（Warp）才是流多处理器（SM）调度和执行的基本单位。为了充分利用Block中线程的并行性,提出基于自适应线程束的GPU并行PSO算法：将粒子的维度和线程相对应;利用GPU的Warp级并行,根据维度的不同自适应地将每个粒子与一个或多个Warp相对应;自适应地将一个或多个粒子与每个Block相对应。与已有的粗粒度并行方法（将每个粒子和线程相对应）以及细粒度并行方法（将每个粒子和Block相对应）进行了对比分析,实验结果表明,所提出的并行方法相对前两种并行方法,CPU加速比最多提高了40。     

基于CUDA的并行AES算法的实现和加速效率探索

网络应用服务(尤其是电子银行和电子商务)需要数据加密提供安全通信.很多应用服务器面临着执行大量计算稠密的加密挑战.CUDA(统一计算架构)是在GPU进行并行和通用计算的平台,能够利用现有显卡资源,以低成本的方式提升加密性能.在Nvidia GeForce G210显卡上实现CUDA的AES(高级加密标准)并行算法并且在AMD Athlon 7850上实现串行AES算法.实现的AES并行算法避免了同一线程块的线程同步和通信,提升了GPU的加速性能,加速比要比Manavski的AES-128并行算法提升2.66～3.34倍.在大数据量(至32MB)加密环境下探索AES并行算法的性能模型,并首次从加速效率角度分析加速性能.该并行AES算法在16核的GPU上能最高达到15.83倍的加速比和99.898％的加速效率.     

基于CUDA的位并行近似串匹配算法

为满足文本检索、计算生物学等领域海量数据匹配对高性能计算的要求,提出一种基于计算统一设备架构(CUDA)的位并行近似串匹配算法。结合图形处理器(GPU)的高并行计算结构及存储带宽特性,通过优化数据存储方式,实现并行化动态规划矩阵算法(BPM)的加速,并对加速性能进行对比测试。实验结果表明,BPM算法通过GPU加速能获得20倍左右的加速比。     

基于GPU的光子映射并行化算法

针对串行情况下光子映射算法速度慢的问题,对光子映射算法并行化进行可行性分析,充分利用图像处理器(GPU)的统一设备计算架构(CUDA)的并行和计算能力,实现光子映射算法的并行化。同时针对算法中光子发射追踪阶段生成GPU线程数与光子数相同的方法的不足以及平均分配方法所造成的资源浪费等,提出线程之间协同工作的方法并采用动态平衡处理,使光子渲染速度提升了将近一倍。实验结果证明了多线程间协同工作及动态平衡相结合方法的有效性。