董晶

摘要： 為具體了解CFD軟件NUMECA FINE/Turbo的并行計(jì)算性能，良好把握后續(xù)的科研工作進(jìn)度，分別研究在激活超線程情況下單節(jié)點(diǎn)計(jì)算與多節(jié)點(diǎn)并行計(jì)算以及CPU在激活超線程前、后計(jì)算速度的差異.結(jié)果表明：在多節(jié)點(diǎn)并行計(jì)算時(shí)，計(jì)算速度與實(shí)際參加并行計(jì)算的CPU物理核心數(shù)量成正比；在激活超線程的情況下，并行計(jì)算節(jié)點(diǎn)數(shù)在超過(guò)實(shí)際物理核心數(shù)后明顯降低計(jì)算速度的提升.

關(guān)鍵詞： 并行計(jì)算； 超線程； 計(jì)算節(jié)點(diǎn)數(shù)； CPU核心數(shù)量； 計(jì)算速度； NUMECA； FINE/Turbo

中圖分類(lèi)號(hào)： O246文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

0引言

計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)在不斷進(jìn)步，對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可提供的計(jì)算速度的需求總在不斷增長(zhǎng)，對(duì)計(jì)算的要求也越來(lái)越高，因此并行計(jì)算的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用也愈發(fā)的重要.[13]即使在目前所提供的運(yùn)算速度最快、容量最大的超級(jí)計(jì)算機(jī)上進(jìn)行計(jì)算，一個(gè)三維定常問(wèn)題的數(shù)值模擬也要花費(fèi)幾十個(gè)小時(shí).因此，并行計(jì)算方法的研究越來(lái)越被人們重視.[45]并行計(jì)算，或稱平行計(jì)算，是相對(duì)于串行計(jì)算來(lái)說(shuō)的.所謂并行計(jì)算可分為時(shí)間上的并行和空間上的并行.時(shí)間上的并行是指流水線技術(shù)，而空間上的并行則是指用多個(gè)處理器并發(fā)執(zhí)行計(jì)算.[67]為利用并行計(jì)算，通常計(jì)算問(wèn)題表現(xiàn)為以下特征：

1）工作可分成離散部分，有助于同時(shí)解決；

2）隨時(shí)并及時(shí)地執(zhí)行多個(gè)程序指令；

3）多計(jì)算資源下解決問(wèn)題的耗時(shí)要少于單個(gè)計(jì)算資源下的耗時(shí).

本文研究?jī)?nèi)容為空間上的并行，測(cè)試采用具有單個(gè)CPU處理器的DELL PRECISION T5500工作站和具有2個(gè)CPU處理器的HP Z820工作站，選取不同數(shù)量線程數(shù)和超線程激活前后開(kāi)展測(cè)試，得出相關(guān)的對(duì)比數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn).

NUMECA是總部位于比利時(shí)布魯塞爾市的NUMECA國(guó)際公司的產(chǎn)品，該公司于1992年在國(guó)際著名葉輪機(jī)械氣體動(dòng)力學(xué)及CFD專(zhuān)家、比利時(shí)王國(guó)科學(xué)院院士、布魯塞爾自由大學(xué)流體力學(xué)系主任查爾斯·赫思教授的倡導(dǎo)下成立，其核心軟件是在20世紀(jì)八九十年代為歐洲宇航局編寫(xiě)的CFD軟件——?dú)W洲空氣動(dòng)力數(shù)值求解器——的基礎(chǔ)之上發(fā)展起來(lái)的.其分析軟件包包括FINE/Turbo，F(xiàn)INE/Marine和FINE/Open等，其中均包括前處理、求解器和后處理3個(gè)部分.本文主要采用FINE/Turbo模塊完成相關(guān)的計(jì)算測(cè)試工作.

1測(cè)試模型

在測(cè)試研究過(guò)程中共采用4種計(jì)算網(wǎng)格模型.

1）模型1選取長(zhǎng)輸管線輸油泵國(guó)產(chǎn)化項(xiàng)目的雙吸葉輪與導(dǎo)葉單通道網(wǎng)格計(jì)算模型，見(jiàn)圖1，在DELL PRECISION T5500工作站平臺(tái)上，開(kāi)展在激活超線程的情況下單點(diǎn)計(jì)算與多點(diǎn)并行計(jì)算速度測(cè)試研究，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)約為293.4萬(wàn)個(gè).

圖 1測(cè)試模型1

Fig.1Test model 1

2）模型2為國(guó)家重大專(zhuān)項(xiàng)“CAP 1400屏蔽電機(jī)主泵研制”項(xiàng)目研制過(guò)程中的CAP 1400屏蔽電機(jī)主泵水力模型的全通道網(wǎng)格計(jì)算模型，見(jiàn)圖2.開(kāi)展CPU在超線程激活前后計(jì)算速度差異情況的研究，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)約為1 962.6萬(wàn)個(gè).

3）模型3以模型2為基礎(chǔ)，在HP Z820工作站雙CPU平臺(tái)上對(duì)網(wǎng)格數(shù)量進(jìn)行調(diào)整，得到網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)約為3 354萬(wàn)個(gè).

4）模型4為AP 1000屏蔽電機(jī)主泵研究迷宮密封的網(wǎng)格模型，見(jiàn)圖3.在HP Z820工作站雙CPU平臺(tái)上對(duì)網(wǎng)格數(shù)量進(jìn)行調(diào)整，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)約為2 236萬(wàn)個(gè).

圖 2測(cè)試模型2

Fig.2Test model 2

圖 3測(cè)試模型4

Fig.3Test model 4

2測(cè)試硬件

NUMECA軟件單點(diǎn)硬件平臺(tái)為DELL PRECISION T5500機(jī)型，Red Hat 6.0系統(tǒng)，CPU為Intel（R） Xeon（R） X5650@2.67 GHz，內(nèi)核數(shù)為6個(gè)，超線程12個(gè)，內(nèi)存48 GiB，硬盤(pán)2 TiB；并行計(jì)算測(cè)試硬件平臺(tái)為HP Z820機(jī)型，Red Hat 6.0系統(tǒng)，CPU為Intel Xeon E52667 v2 3.30 GHz，內(nèi)核數(shù)為16個(gè)，超線程32個(gè)，內(nèi)存64 GiB，硬盤(pán)2 TiB.

3計(jì)算測(cè)試

在激活超線程狀態(tài)下采用DELL PRECISION T5500完成單線程與多線程測(cè)試工作，共完成單節(jié)點(diǎn)、2個(gè)節(jié)點(diǎn)、4個(gè)節(jié)點(diǎn)、8個(gè)節(jié)點(diǎn)與10個(gè)節(jié)點(diǎn)的并行計(jì)算測(cè)試.計(jì)算的收斂曲線見(jiàn)圖4，其中粗網(wǎng)格疊代2次，每次500步，細(xì)網(wǎng)格計(jì)算共完成6 000步.模型1并行計(jì)算統(tǒng)計(jì)表見(jiàn)表1，可知計(jì)算耗時(shí)主要集中在細(xì)網(wǎng)格計(jì)算部分.計(jì)算公式為T(mén)S=T0÷6 000（1）

V=60÷TS（2）式中：TS為細(xì)網(wǎng)格單位步數(shù)耗時(shí)，s/步；T0為6 000步細(xì)網(wǎng)格的總耗時(shí)，s；V為計(jì)算速度，步/min.由表1可知，隨著計(jì)算節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加：在計(jì)算節(jié)點(diǎn)數(shù)小于6個(gè)的范圍內(nèi)，計(jì)算速度基本呈線性增加的趨勢(shì)，超過(guò)6個(gè)以后計(jì)算速度的增速放緩，見(jiàn)圖5a.初步分析這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因?yàn)閷?shí)際參加計(jì)算的線程數(shù)超過(guò)CPU的物理核心數(shù)所致.圖5b可以進(jìn)一步驗(yàn)證上述分析，圖中5個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)來(lái)源于表1中的10個(gè)并行節(jié)點(diǎn)數(shù)的數(shù)據(jù).由此可以認(rèn)為在使用NUMECA開(kāi)展相關(guān)的多節(jié)點(diǎn)并行數(shù)值計(jì)算時(shí)，其計(jì)算速度與實(shí)際參加并行計(jì)算的CPU物理核心數(shù)量成正比關(guān)系.

圖 4測(cè)試模型1的收斂曲線

Fig.4Convergence curve of test model 1

表 1測(cè)試模型1并行計(jì)算統(tǒng)計(jì)表

Tab.1Parallel computing statistics of test model 1方案12345節(jié)點(diǎn)數(shù)/個(gè)1248102層粗網(wǎng)格總耗時(shí)T2/s131704140321層粗網(wǎng)格總耗時(shí)T1/s1 626869494465384T0/（s/步）189 690100 31656 61052 13444 084Ts/（s/步）31.316.69.48.67.3V/（步/min）1.93.66.478.2endprint

a）曲線1b）曲線2圖 5測(cè)試模型1計(jì)算速度曲線

Fig.5Computation speed curves of test model 1

在未激活超線程的情況下，在HP Z820工作站上開(kāi)展模型3的速度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示計(jì)算速度與并行節(jié)點(diǎn)數(shù)基本呈線性關(guān)系，在并行節(jié)點(diǎn)數(shù)為14時(shí)計(jì)算速度達(dá)到3.8 步/min，具體見(jiàn)圖6.為進(jìn)一步驗(yàn)證，在HP Z820工作站上繼續(xù)開(kāi)展模型4的速度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示計(jì)算速度與并行節(jié)點(diǎn)數(shù)也基本呈線性關(guān)系，在并行節(jié)點(diǎn)數(shù)為14時(shí)計(jì)算速度約4.9 步/min，具體見(jiàn)圖7.圖 6測(cè)試模型3的速度曲線

Fig.6Computation speed curve of test model 3

圖 7測(cè)試模型4速度曲線

Fig.7Computation speed curve of test model 4

為進(jìn)一步研究計(jì)算工作站在激活超線程前后的速度差異，采用圖2測(cè)試模型2及DELL PRECISION T5500工作站完成相關(guān)的對(duì)比測(cè)試.在未激活超線程的情況下，并行計(jì)算采用5個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)，在激活超線程的情況下，并行計(jì)算采用11個(gè)節(jié)點(diǎn).計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2，可知方案2的每步耗時(shí)高于方案1約10.7%，方案1實(shí)際參加計(jì)算的物理核數(shù)為5.5，這與計(jì)算機(jī)CPU實(shí)際參加計(jì)算的物理核心數(shù)的比例關(guān)系基本一致，相差基本為10%.

表 2超線程激活前后的測(cè)試結(jié)果

Tab.2Test results before and after hyperthread is activated方案總線程

數(shù)/個(gè)計(jì)算用線

程數(shù)/個(gè)細(xì)網(wǎng)格計(jì)算

100步時(shí)間/s細(xì)網(wǎng)格每

步耗時(shí)/s備注112113 167.131.7超線程2653 513.435.1常規(guī)

4結(jié)論

通過(guò)在多核CPU的計(jì)算工作站平臺(tái)上使用NUMECA進(jìn)行2種情況下并行計(jì)算的對(duì)比分析，可以得出如下結(jié)論.

1）無(wú)論計(jì)算模型網(wǎng)格有多少，其計(jì)算速度與實(shí)際參加并行計(jì)算的CPU物理核心數(shù)基本上成正比關(guān)系.

2）在激活超線程的情況下，多任務(wù)計(jì)算工作站使用的并行計(jì)算節(jié)點(diǎn)數(shù)在超過(guò)實(shí)際物理核心數(shù)后會(huì)明顯地降低計(jì)算速度的提升.

3）在CPU未滿負(fù)荷運(yùn)行且參與計(jì)算的物理核心數(shù)相同的情況下，計(jì)算工作站的CPU在超線程激活前后，其并行計(jì)算的速度基本一致.參考文獻(xiàn)：

[1]李鵬， 邵明剛. 并行計(jì)算技術(shù)[J]. 中國(guó)科技信息， 2006（7）： 254255.

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[2]胡峰， 胡保生. 并行計(jì)算技術(shù)與并行算法綜述[J]. 電腦與信息技術(shù)， 1999， 7（5）： 4759.

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[4]李珊珊， 錢(qián)大琳. 基于多核并行計(jì)算技術(shù)的混合交通微觀仿真[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)： 自然科學(xué)版， 2012， 43（12）： 49314938.

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[7]狄鵬. Grbner基生成算法的并行[D]. 西安： 西安電子科技大學(xué)， 2008年.

（編輯武曉英）endprint

a）曲線1b）曲線2圖 5測(cè)試模型1計(jì)算速度曲線

Fig.5Computation speed curves of test model 1

在未激活超線程的情況下，在HP Z820工作站上開(kāi)展模型3的速度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示計(jì)算速度與并行節(jié)點(diǎn)數(shù)基本呈線性關(guān)系，在并行節(jié)點(diǎn)數(shù)為14時(shí)計(jì)算速度達(dá)到3.8 步/min，具體見(jiàn)圖6.為進(jìn)一步驗(yàn)證，在HP Z820工作站上繼續(xù)開(kāi)展模型4的速度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示計(jì)算速度與并行節(jié)點(diǎn)數(shù)也基本呈線性關(guān)系，在并行節(jié)點(diǎn)數(shù)為14時(shí)計(jì)算速度約4.9 步/min，具體見(jiàn)圖7.圖 6測(cè)試模型3的速度曲線

Fig.6Computation speed curve of test model 3

圖 7測(cè)試模型4速度曲線

Fig.7Computation speed curve of test model 4

為進(jìn)一步研究計(jì)算工作站在激活超線程前后的速度差異，采用圖2測(cè)試模型2及DELL PRECISION T5500工作站完成相關(guān)的對(duì)比測(cè)試.在未激活超線程的情況下，并行計(jì)算采用5個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)，在激活超線程的情況下，并行計(jì)算采用11個(gè)節(jié)點(diǎn).計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2，可知方案2的每步耗時(shí)高于方案1約10.7%，方案1實(shí)際參加計(jì)算的物理核數(shù)為5.5，這與計(jì)算機(jī)CPU實(shí)際參加計(jì)算的物理核心數(shù)的比例關(guān)系基本一致，相差基本為10%.

表 2超線程激活前后的測(cè)試結(jié)果

Tab.2Test results before and after hyperthread is activated方案總線程

數(shù)/個(gè)計(jì)算用線

程數(shù)/個(gè)細(xì)網(wǎng)格計(jì)算

100步時(shí)間/s細(xì)網(wǎng)格每

步耗時(shí)/s備注112113 167.131.7超線程2653 513.435.1常規(guī)

4結(jié)論

通過(guò)在多核CPU的計(jì)算工作站平臺(tái)上使用NUMECA進(jìn)行2種情況下并行計(jì)算的對(duì)比分析，可以得出如下結(jié)論.

1）無(wú)論計(jì)算模型網(wǎng)格有多少，其計(jì)算速度與實(shí)際參加并行計(jì)算的CPU物理核心數(shù)基本上成正比關(guān)系.

2）在激活超線程的情況下，多任務(wù)計(jì)算工作站使用的并行計(jì)算節(jié)點(diǎn)數(shù)在超過(guò)實(shí)際物理核心數(shù)后會(huì)明顯地降低計(jì)算速度的提升.

3）在CPU未滿負(fù)荷運(yùn)行且參與計(jì)算的物理核心數(shù)相同的情況下，計(jì)算工作站的CPU在超線程激活前后，其并行計(jì)算的速度基本一致.參考文獻(xiàn)：

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[3]何有世， 袁壽其， 王大承， 等. 計(jì)算流體力學(xué)CFD中的迭代法及其并行計(jì)算方法[J]. 中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)， 2002， 12（3）： 4345.

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[4]李珊珊， 錢(qián)大琳. 基于多核并行計(jì)算技術(shù)的混合交通微觀仿真[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)： 自然科學(xué)版， 2012， 43（12）： 49314938.

LI Shanshan， QIAN Dalin. Mixed traffic microscopic simulation based on multicore parallel computing technology[J]. J Central South Univ： Nat Sci， 2012， 43（12）： 49314938.

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[6]侯中喜， 王承堯， 梁劍寒. 面向?qū)ο蠹夹g(shù)在CFD分區(qū)并行計(jì)算中的應(yīng)用研究[J]. 空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)報(bào)， 2002， 20（S1）： 4551.

HOU Zhongxi， WANG Chengyao， LIAN Jianhan. The study of objectoriented technology applied in zone divided parallel calculation in CFD[J]. Acta Aerodynamica Sinica， 2002， 20（S1）： 4551.

[7]狄鵬. Grbner基生成算法的并行[D]. 西安： 西安電子科技大學(xué)， 2008年.

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a）曲線1b）曲線2圖 5測(cè)試模型1計(jì)算速度曲線

Fig.5Computation speed curves of test model 1

在未激活超線程的情況下，在HP Z820工作站上開(kāi)展模型3的速度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示計(jì)算速度與并行節(jié)點(diǎn)數(shù)基本呈線性關(guān)系，在并行節(jié)點(diǎn)數(shù)為14時(shí)計(jì)算速度達(dá)到3.8 步/min，具體見(jiàn)圖6.為進(jìn)一步驗(yàn)證，在HP Z820工作站上繼續(xù)開(kāi)展模型4的速度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示計(jì)算速度與并行節(jié)點(diǎn)數(shù)也基本呈線性關(guān)系，在并行節(jié)點(diǎn)數(shù)為14時(shí)計(jì)算速度約4.9 步/min，具體見(jiàn)圖7.圖 6測(cè)試模型3的速度曲線

Fig.6Computation speed curve of test model 3

圖 7測(cè)試模型4速度曲線

Fig.7Computation speed curve of test model 4

為進(jìn)一步研究計(jì)算工作站在激活超線程前后的速度差異，采用圖2測(cè)試模型2及DELL PRECISION T5500工作站完成相關(guān)的對(duì)比測(cè)試.在未激活超線程的情況下，并行計(jì)算采用5個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)，在激活超線程的情況下，并行計(jì)算采用11個(gè)節(jié)點(diǎn).計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2，可知方案2的每步耗時(shí)高于方案1約10.7%，方案1實(shí)際參加計(jì)算的物理核數(shù)為5.5，這與計(jì)算機(jī)CPU實(shí)際參加計(jì)算的物理核心數(shù)的比例關(guān)系基本一致，相差基本為10%.

表 2超線程激活前后的測(cè)試結(jié)果

Tab.2Test results before and after hyperthread is activated方案總線程

數(shù)/個(gè)計(jì)算用線

程數(shù)/個(gè)細(xì)網(wǎng)格計(jì)算

100步時(shí)間/s細(xì)網(wǎng)格每

步耗時(shí)/s備注112113 167.131.7超線程2653 513.435.1常規(guī)

4結(jié)論

通過(guò)在多核CPU的計(jì)算工作站平臺(tái)上使用NUMECA進(jìn)行2種情況下并行計(jì)算的對(duì)比分析，可以得出如下結(jié)論.

1）無(wú)論計(jì)算模型網(wǎng)格有多少，其計(jì)算速度與實(shí)際參加并行計(jì)算的CPU物理核心數(shù)基本上成正比關(guān)系.

2）在激活超線程的情況下，多任務(wù)計(jì)算工作站使用的并行計(jì)算節(jié)點(diǎn)數(shù)在超過(guò)實(shí)際物理核心數(shù)后會(huì)明顯地降低計(jì)算速度的提升.

3）在CPU未滿負(fù)荷運(yùn)行且參與計(jì)算的物理核心數(shù)相同的情況下，計(jì)算工作站的CPU在超線程激活前后，其并行計(jì)算的速度基本一致.參考文獻(xiàn)：

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（編輯武曉英）endprint