如何评价一台计算机的性能.docVIP

如何评价一台计算机的性能 对具有多物理、多尺度的科学应用最好在一个通用的、各方面性能都较好的系统上运行;对于稠密线性代数计算需要高性能的处理器，尤其是具有较高浮点计算能力的机器;对于稀疏线性代数计算，需要内存的性能较高;对于多维FFT算法，由于通信较多，需要较高的网络性能;对于AMR的应用，需要系统对不规则数据和控制流的性能较高;对于数据或者I/O密集型的应用，应该需要较好的存储和数据治理能力的机器。 对应用程序的分析，主要包括对程序中访存模式、通信模式、I/O特征以及程序的可扩展性分析。程序的访存模式和通信模式是影响高性能应用程序的两个主要特征，本文下面将重点介绍。 访存特性分析由于处理器速度和内存速度差异越来越大，应用程序的访存特征严重地制约着并行程序性能提高。通过对应用程序中访存特征的分析，可以帮助优化程序性能。应用程序访存模式主要包括顺序访问和随机访问，可以通过数据局部性来描述程序的访存特征。程序的数据局部性包括时间局部性和空间局部性。 时间局部性：反映程序中对相同内存地址数据重新引用的趋势; 空间局部性：反映程序中被引用数据四周地址单元数据被使用的趋势。 例如，程序顺序读取内存地址单元，那么该程序的空间局部性就比较好;假如程序中频繁地引用相同的数据，那么它的时间局部性就比较好。程序访存的局部性特征是程序的固有的特征，它并不随运行的系统结构改变而改变。因此，可以使用时间局部性和空间局部性作为衡量程序访存特征的两个关键指标。实际上，计算机系统中的Cache也是应用了程序的访存具有时间局部性和空间局部性来设计的。 通过对程序的时间局部性和空间局部性进行量化，我们就可以把不同的应用程序画在一个以时间局部性和空间局部性为坐标的二维坐标图中。图1是一些常见基准测试程序中程序访存局部性示意图，其中横轴表示程序的空间局部性，纵轴表示程序的时间局部性。其中，HPL、FFT、RandomAccess和Streams是HPCC基准测试程序集中的测试程序;CG是NPB测试程序中的程序;AVUS是一个计算流体力学代码。通过对这张图观察，可以发现HPL和FFT程序具有几乎相同的空间局部性，AVUS和NPB中CG程序具有相同的时间局部性;Streams测试程序顺序的读取内存地址单位，因此程序的空间局部性非常好，但基本没有时间局部性。 通信特性分析并行程序通过进程间通信、同步完成大规模并行计算，因此程序的通信模式是影响并行程序性能和可扩展性的主要因素。程序的通信模式包括点对点通信和组通信两类。正确理解并行应用程序中的通信行为，对于设计真实的测试程序，优化并行应用程序的性能以及设计更好的网络拓扑结构都具有较好的参考价值。 点对点的通信操作是基于消息传递的并行应用中比较常见的操作，它是在进程间进行点对点的通信。在MPI的应用中，有阻塞式和非阻塞式的两种通信方式。传统的对于并行应用程序的通信可以通过以下几个特征来进行分类：时间、空间和容量。通信模式的时间特性用来说明消息产生的速率;空间特性用来说明消息目的地址的分布情况;消息的容量用来衡量消息大小的分布特征。组通信是由通信库提供的可以实现一对多或者多对多等方式的通信模式，一般在具体实现过程中也是通过点对点通信完成。 对应用的通信模式分析，一般的方法是通过对程序的通信函数部分进行插装，得到程序的通信事件记录，通过对通信事件分析得到程序的通信模式特征。图2是对国家气象局的新一代数值气象预系统Grapes程序的点对点通信分析的部分结果，分别描述了消息大小分布和消息目的进程分布的情况。 我们可以发现，Grapes程序中点对点通信的消息大小集中在100KB到1MB之间，0号进程与所有的进程进行通信。Grapes的通信操作较频繁，程序对系统的通信性能要求较高。 通过对程序的通信模式研究，可以把应用程序按照访存特征分别归为不同的类别。此外，程序的特征分析还包括程序的计算特征，如程序以浮点计算为主或以整数计算为主，以及程序的I/O特征、程序中I/O访问的顺序性和I/O访问文件的大小等。程序集的构建测试程序构造技术，即根据需求采取有代表性的程序，并根据需求中各个程序的重要性构建benchmark程序集。它需要使用应用程序分析的结果，通过把程序特征相似的程序聚类，并根据应用程序的权重选取代表性的程序，构建最后的基准测试程序。在构建程序集的时候主要从以下几个方面考虑： 1.程序的重要性。选择典型的应用程序是构建程序集的根本，由于购买的高性能计算机主要用于这些典型的应用领域，所以选择有代表性的应用程序可以和实际的需求更加一致。因此，这类应用在选取的时候具有较高优先级。 2.程序性能特征。通过对程序性能特征的分析，对程序的访存模式、通信模式、I/O特征都有一定的了解。可以通过聚类的方式，使选择的程序集能够覆盖整个性能空间，同时，具