"单边通信-并行计算(中科大讲义)"
并行计算是现代高性能计算领域中的核心概念,它涉及多个处理器或计算节点同时处理任务,以提高计算效率和解决问题的速度。单边通信是MPI(Message Passing Interface)协议在MPI-2版本中引入的一种新型通信模式,它在并行计算环境中扮演着重要角色。
传统的点对点通信在MPI-1中是双边的,意味着发送方和接收方都需要参与通信过程。例如,发送进程必须等待接收进程准备好接收数据,而接收进程则需要明确请求数据。这种模式虽然简单易用,但在某些情况下可能会造成性能瓶颈,因为通信的同步可能导致处理器空闲等待。
单边通信,也称为远程存储访问(RMA),允许一个进程在不需对方进程直接参与的情况下读写数据。这意味着一个进程可以直接将数据放入另一个进程的内存空间,或者从其内存中提取数据。这种方式降低了通信对并行计算性能的影响,因为它减少了进程间的同步需求,提高了整体并行系统的效率。例如,当一个进程在执行计算时,另一个进程可以默默地更新其数据,而无需阻塞当前的计算流程。
并行计算的结构、算法和编程是并行计算研究的三个主要方面。结构涉及到并行计算机系统的设计,如共享存储系统(SMP)和分布式存储系统(MPP和Cluster)。算法设计则是关于如何将问题分解为可并行执行的任务,以优化计算效率。编程模型和环境则提供了实现这些算法的工具和框架。
在并行计算中,性能评测是非常关键的,因为并行系统的效率不仅取决于硬件的性能,还取决于软件设计的优化程度。并行算法的设计基础和一般设计方法,如划分、映射、负载平衡等,都是提升并行计算性能的关键。基本通信操作如发送、接收、广播和收集等是并行计算中的基础元素,而并行数值算法如稠密矩阵运算、线性方程组求解和快速傅里叶变换(FFT)等则在科学计算中广泛应用。
并行程序设计不仅包括了并行编程模型的理解,如共享存储和分布式存储系统编程,还需要掌握各种并行编程环境和工具,以有效地调试和优化代码。例如,MPI和OpenMP是两种常见的并行编程接口,分别适用于分布式和共享内存系统。
单边通信作为并行计算中的一种高级通信机制,为高性能计算提供了更灵活和高效的数据交换方式。通过深入理解和应用并行计算的原理和实践,可以解决日益复杂的科学和工程问题,实现计算能力的大幅提升。