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贾伟乐，王龙，曹宗雁，高岩涛，付继芸，迟学斌，高卫国，汪林望 超级计算中心，复旦大学，劳伦斯伯克利国家实验室 中国科学院计算机网络信息中心 2013-11-15

GPU 加速软件 Ultra-Mat 介绍. 贾伟乐，王龙，曹宗雁，高岩涛，付继芸，迟学斌，高卫国，汪林望 超级计算中心，复旦大学，劳伦斯伯克利国家实验室 中国科学院计算机网络信息中心 2013-11-15. Team members. 大纲. 异构架构 - 高性能软件的新机遇 CUDA 编程模型简介 GPU 异构平面波算法设计和优化 测试平台与结果 结论. 超级计算机的发展 -- 异构不可避免. 超级计算机的发展 -- 异构不可避免. 三大挑战：空前的并行性、异构、软件革命. 50Gflops/watt. 单核计算能力： 10 年增长约 50% ！.

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贾伟乐，王龙，曹宗雁，高岩涛，付继芸，迟学斌，高卫国，汪林望 超级计算中心，复旦大学，劳伦斯伯克利国家实验室 中国科学院计算机网络信息中心 2013-11-15

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Presentation Transcript

  1. GPU加速软件Ultra-Mat介绍 • 贾伟乐，王龙，曹宗雁，高岩涛，付继芸，迟学斌，高卫国，汪林望 • 超级计算中心，复旦大学，劳伦斯伯克利国家实验室 • 中国科学院计算机网络信息中心 • 2013-11-15

  2. Team members

  3. 大纲 异构架构-高性能软件的新机遇 CUDA编程模型简介 GPU异构平面波算法设计和优化 测试平台与结果 结论

  4. 超级计算机的发展--异构不可避免

  5. 超级计算机的发展--异构不可避免 三大挑战：空前的并行性、异构、软件革命 50Gflops/watt 单核计算能力：10年增长约50%！

  6. 平面波第一原理的应用现状

  7. 计算材料软件现状 平面波是最常用、最成熟的方法 成熟的软件众多，包括： VASP, CASTEP, CPMD, ABINIT, PWSCF, DACAPO, SOCORRO, DFT++, PARATEC, DOD-PW, CP2K, SPHINX, QBOX, PEtot CPU代码可扩展至千核 单步第一原理分子动力学模拟需要1--2 分钟

  8. 计算材料软件面临的问题

  9. 相关工作 CPU并行方式已发展10-15年，已臻成熟 把CPU的并行模式用于异构架构并非最优 需要重新设计第一原理并行框架

  10. CUDA：GPU异构编程模型

  11. 摩尔定律

  12. GPU-图形处理器

  13. 传统的GPU架构

  14. GPGPU

  15. G80架构

  16. CUDA编程模型

  17. CPU-GPU互动

  18. CUDA实例程序

  19. MPI+CUDA

  20. GPU异构平面波算法设计和优化

  21. 平面波赝势计算复杂

  22. 平面波方法计算流程图

  23. 快速傅立叶变换与矩阵矩阵乘并存

  24. 已发展成熟的CPU并行模式 K点并行 波函数索引并行 倒空间并行

  25. 矩阵相乘放入GPU

  26. 重新设计的GPU混合并行模式 对GPU而言： 传统模式对FFT数据过度划分； 通信时间远超计算时间； 仅有G空间并行难以解决问题----重新设计混合并行模式

  27. CPU/GPU数据拷贝速度严重影响MPI+CUDA程序性能

  28. 消除CPU-GPU内存拷贝后的CG算法流程

  29. 数据压缩算法--压缩后的收敛精度

  30. 库函数

  31. 第一原理分子动力学GPU算法流程

  32. 测试系统和测试结果

  33. 测试系统

  34. CG算法测试结果

  35. step-by-step Optimization

  36. 单步分子动力学计算时间

  37. 1800步分子动力学模拟

  38. 结论 • Ultra-Mat单步第一原理分子动力学能在12s内完成，CPU代码无出其右者 • 对CG算法达到最高30x加速比 • 重新设计GPU混合并行模式 • 设计实现了可应用于CG算法的数据压缩算法，减少了3/4的波函数传输时间 • 最终，计算占比40%, MPI占比35%，CPU/GPU内存拷贝10%，矩阵对角化15%

  39. Ultra-Mat目前的功能 • CPU/GPU均能够运行，GPU代码有20x加速比 • 模守恒赝势和超软赝势 • 可以计算第一原理原子弛豫和分子动力学 • 2013年底发布第一版本代码

  40. 谢谢！ jiaweile@gmail.com

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