Detail práce

Efektivní implementace výpočetně náročných algoritmů na Intel Xeon Phi

Bakalářská práce Student: Šimek Dominik Akademický rok: 2014/2015 Vedoucí: Jaroš Jiří, doc. Ing., Ph.D.
Název anglicky
Efficient Implementation of High Performance Algorithms on Intel Xeon Phi
Jazyk práce
český
Abstrakt
Táto práca sa zaoberá implementáciou a optimalizáciou výpočtovo náročných algoritmov na koprocesore Intel Xeon Phi. Koprocesor Xeon Phi bol predstavený firmou Intel v roku 2012 ako odpoveď na obrovský nárast v používaní technológie GPGPU. Xeon Phi disponuje podstatne väčším výkonom ako procesor, preto je podobne ako GPGPU vhodnou platformou pre beh výpočtovo náročných programov. Xeon Phi zatiaľ v praxi nie je velmi používaný, preto je potrebné hľadať možné oblasti uplatnenia. Rozrastá sa ale jeho použitie v superpočítačových centrách, napríklad Milky Way 2 - Guangzhou (Čina), Salomon - Ostrava. Cieľom tohto dokumentu je oboznámiť čitateľa s problematikou implementácie náročných algoritmov na akceleračnej karte Xeon Phi, ich optimalizácie a meranie výkonu. Výkon koprocesoru Intel Xeon Phi bude porovnávaný s výkonom procesorov Intel Xeon. 
V teoretickej časti práce bude čitateľ oboznámený s architektúrou a princípmi koprocesoru Xeon Phi. Budeme sa venovať výhodám ale aj nevýhodám tohto koprocesoru, ktoré budú často porovnávané s všeobecnými vlastnosťami procesorov. Témou bude taktiež otázka, kedy je vhodné zvoliť pre výpočet akcelerečnú kartu Xeon Phi a kedy procesor. Detailne si vysvetlíme a znázorníme výber vhodných algoritmov pre Xeon Phi, postup ich implementácie, optimalizácie a meranie výkonu. Okrem toho budú rozoberané problémy a úskalia, ktoré môžu nastať pri implementácii algoritmov a používaní koprocesoru.
Dané demonštrujeme najskôr na ukážkových problémoch, ktoré boli riešené na Ostravskom superpočítači Anselm. V prvom rade to budú jednoduché benchamrky typu násobenie matíc, násobenie matice a vektora, na ktorých budú ukázané základné princípy implementácie optimálnych algoritmov pre koprocesor Xeon Phi. Napríklad pri benchmarku násobenia matice a vektora bolo dosiahnutých asi 6.5% teoretického výkonu koprocesoru. Ďalším, komplexnejším problémom bude N-Body Simulation - simulácia pohybu častíc v priestore, na ktorom sme otestovali potenciál Xeon Phi. Výkon koprocesoru sa pri tomto benchmarku vyšplhal až na viac ako 35% teoretického výkonu - 725 gFLOPS (maximálny výkon 2000 gFLOPS pre dáta s jednoduchou presnosťou). Čitateľ sa okrem iného môže dozvedieť aj zaujímavé informácie z oblasti fyzikálnych simulácií, konkrétne bude reč o module pre MATLAB (k-Wave). K-Wave sa zaoberá simuláciou šírenia akustických vĺn v 1D, 2D a 3D, čo sa využíva napríklad pri simulácii šírenia ultrazvukových vĺn v mäkkých tkanivách. Na koniec si stručne povieme o portovaní už existujúcich knižníc, modulov či programov na Xeon Phi zo snahou využitia jeho potenciálu. Bude to napríklad kroskompilácia knižníc HDF5, ZLIB či konca interpretu jazyka Python s modulmi Numpy a Scipy.
Klíčová slova

Intel Xeon Phi, k-Wave, MIC, N-Body, Súčin matíc, Súčin matice a vektora, Výpočtovo náročné algoritmy, I-vektor.

Ústav
Ústav počítačových systémů FIT VUT v Brně
Studijní program
Informační technologie
Soubory
Stav
obhájeno, hodnocení A
Obhajoba
15. června 2015
Oponent
Hrbáček Radek, Ing.
Průběh obhajoby

Student nejprve prezentoval výsledky, kterých dosáhl v rámci své práce. Komise se poté seznámila s hodnocením vedoucího a posudkem oponenta práce. Student následně odpověděl na otázky oponenta a na další otázky přítomných. Komise se na základě posudku oponenta, hodnocení vedoucího, přednesené prezentace a odpovědí studenta na položené otázky rozhodla práci hodnotit stupněm A.

Otázky u obhajoby
  1. Jak se změní využitelnost akceleračních karet Xeon Phi po spuštění superpočítače Salomon, kde budou použity výrazně výkonější CPU v kombinaci se 2 kartami Xeon Phi?
Komise
Sekanina Lukáš, prof. Ing., Ph.D. (UPSY FIT VUT), předseda
Grézl František, Ing., Ph.D. (UPGM FIT VUT), člen
Hrubý Martin, Ing., Ph.D. (UITS FIT VUT), člen
Jaroš Jiří, doc. Ing., Ph.D. (UPSY FIT VUT), člen
Švéda Miroslav, prof. Ing., CSc. (UIFS FIT VUT), člen
Citace
ŠIMEK, Dominik. Efektivní implementace výpočetně náročných algoritmů na Intel Xeon Phi. Brno, 2015. Bakalářská práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta informačních technologií. 2015-06-15. Vedoucí práce Jaroš Jiří. Dostupné z: https://www.fit.vut.cz/study/thesis/17708/
BibTeX 
@bachelorsthesis{FITBT17708,
    author = "Dominik \v{S}imek",
    type = "Bakal\'{a}\v{r}sk\'{a} pr\'{a}ce",
    title = "Efektivn\'{i} implementace v\'{y}po\v{c}etn\v{e} n\'{a}ro\v{c}n\'{y}ch algoritm\r{u} na Intel Xeon Phi",
    school = "Vysok\'{e} u\v{c}en\'{i} technick\'{e} v Brn\v{e}, Fakulta informa\v{c}n\'{i}ch technologi\'{i}",
    year = 2015,
    location = "Brno, CZ",
    language = "czech",
    url = "https://www.fit.vut.cz/study/thesis/17708/"
}

Závěrečné práce

Nahoru