Current supercomputers often have a heterogeneous architecture using both CPUs and GPUs. At the same time, numerical simulation tasks frequently involve multiphysics scenarios whose components run on different hardware due to multiple reasons, e.g., architectural requirements, pragmatism, etc. This leads naturally to a software design where different simulation modules are mapped to different subsystems of the heterogeneous architecture. We present a detailed performance analysis for such a hybrid four-way coupled simulation of a fully resolved particle-laden flow. The Eulerian representation of the flow utilizes GPUs, while the Lagrangian model for the particles runs on CPUs. First, a roofline model is employed to predict the node level performance and to show that the lattice-Boltzmann-based fluid simulation reaches very good performance on a single GPU. Furthermore, the GPU-GPU communication for a large-scale flow simulation results in only moderate slowdowns due to the efficiency of the CUDA-aware MPI communication, combined with communication hiding techniques. On 1024 A100 GPUs, a parallel efficiency of up to 71% is achieved. While the flow simulation has good performance characteristics, the integration of the stiff Lagrangian particle system requires frequent CPU-CPU communications that can become a bottleneck. Additionally, special attention is paid to the CPU-GPU communication overhead since this is essential for coupling the particles to the flow simulation. However, thanks to our problem-aware co-partitioning, the CPU-GPU communication overhead is found to be negligible. As a lesson learned from this development, four criteria are postulated that a hybrid implementation must meet for the efficient use of heterogeneous supercomputers. Additionally, an a priori estimate of the speedup for hybrid implementations is suggested.


翻译:当前超级计算机常采用同时包含CPU与GPU的异构架构。与此同时,数值模拟任务常涉及多物理场场景,其各组成部分因架构需求、实用性等多重原因需在不同硬件上运行。这自然催生了一种软件设计范式:将不同模拟模块映射至异构架构的不同子系统。本文针对全解析含颗粒流动的混合四向耦合模拟进行了详尽的性能分析。其中流动的欧拉描述在GPU上执行,而颗粒的拉格朗日模型在CPU上运行。首先,采用屋顶模型预测节点级性能,结果表明基于格子玻尔兹曼方法的流体模拟在单GPU上能达到优异性能。此外,大规模流动模拟的GPU间通信仅造成适度性能下降,这得益于CUDA-aware MPI通信的高效性与通信隐藏技术的结合。在1024个A100 GPU上实现了高达71%的并行效率。尽管流动模拟具备良好的性能特征,刚性拉格朗日颗粒系统的集成需要频繁的CPU间通信,这可能成为性能瓶颈。同时,本文特别关注CPU-GPU通信开销,因其对颗粒与流动模拟的耦合至关重要。然而,通过采用面向问题的协同分区策略,CPU-GPU通信开销可忽略不计。基于此开发经验,我们提出异构超级计算机高效利用需满足的四项混合实现准则,并建议了混合实现加速比的先验估算方法。

0
下载
关闭预览

相关内容

【ACL2020】多模态信息抽取,365页ppt
专知会员服务
151+阅读 · 2020年7月6日
FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
34+阅读 · 2019年10月18日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
164+阅读 · 2019年10月12日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
41+阅读 · 2019年10月9日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
6+阅读 · 2014年12月31日
Arxiv
10+阅读 · 2021年11月3日
Arxiv
18+阅读 · 2021年3月16日
A survey on deep hashing for image retrieval
Arxiv
15+阅读 · 2020年6月10日
Arxiv
17+阅读 · 2018年4月2日
VIP会员
相关资讯
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
相关基金
国家自然科学基金
1+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
6+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员