UCHPC2011与PACUE：高性能计算与处理器分配的创新探索

### UCHPC 2011与PACUE：高性能计算与处理器分配的创新探索 #### 1. UCHPC 2011研讨会概述 UCHPC 2011即第四届非常规高性能计算研讨会，聚焦于那些最初并非为高性能计算设计，但具备强大计算能力、高性价比或低功耗等优势的硬件或平台。其目标是挖掘当下非常规但未来可能成为主流的高性能计算解决方案。例如，游戏平台计算能力的快速提升促使了GPU在计算领域的应用（GPGPU），甚至推动了基于游戏机构建计算网格。此外，将GPU集成到处理器芯片的趋势也对高性能计算大有裨益。“非常规”硬件还包括嵌入式低功耗处理器、多核架构、FPGA或DSP等。值得研究的设备不仅有标准服务器和桌面系统，还有智能手机、上网本、平板电脑和小型NAS服务器等大众市场产品。 本次研讨会是UCHPC系列的第四次举办，此前分别于2008年与国际计算科学及其应用会议、2009年与ACM国际计算前沿会议、2010年与Euro - Par会议同期举行。今年，组织者从十份投稿中接受了五份，并邀请了两位嘉宾进行演讲。研讨会围绕三个主题展开： - **异构系统**：Raymond Namyst进行了关于“从运行时系统的角度看异构、基于加速器的多核机器编程”的特邀演讲，随后是关于异构系统中高效处理器分配和工作负载平衡的两场常规演讲。 - **加速器在应用中的使用**：Bertil Schmid进行了“GPU上生物信息学的算法和工具”的特邀演讲，接着是关于将电磁求解器移植到多GPU系统的研究的常规演讲。 - **未来架构**：有两场关于使用片上网络架构的研究以及将数据挖掘算法移植到英特尔多核集成架构的常规演讲。 研讨会结束后，收录了经过评审和现场反馈修改后的最终论文。组织者对论文作者、EuroPar组织、国际程序委员会成员以及众多参会者表示感谢，并计划在2012年与EuroPar会议继续联合举办UCHPC研讨会。 #### 2. PACUE：考虑用户体验的处理器分配器 在现代PC中，GPU加速应用（包括GPGPU应用）十分常见。然而，如果多个应用同时竞争同一GPU，性能会显著下降。一些应用对用户体验影响较大，因此需要限制其他应用对GPU的使用。但由于软件分发策略等原因，直接修改应用以实现动态资源分配并不现实。为此，提出了PACUE（Processor Allocator Considering User Experience），它允许终端系统为应用任意分配计算设备，并根据用户偏好为每个应用猜测最佳计算设备。 ##### 2.1 GPU在PC中的应用目的 GPU在PC平台上的应用目的可分为以下四类： - **3D图形计算**：如3D游戏和基于3D图形的GUI外壳（如Windows Aero）。 - **2D图形加速**：如现代网页浏览器中的字体渲染。 - **视频解码和编码加速**：视频播放器利用GPU的视频解码加速功能降低CPU负载并提高视频质量，部分GPU还具备视频编码加速单元。 - **通用计算（GPGPU）**：常用于视频编码应用和物理模拟应用（包括3D游戏）。 目前，PC中的GPU使用效率较高，因为同时加速的应用较少，它们不会在同一GPU上竞争。应用通常通过用户在GUI配置菜单中静态选择计算设备。但随着越来越多的应用开始利用GPU，如OpenCL允许应用显式选择计算设备，未来消费级PC中CPU和GPU之间的高效负载平衡变得至关重要。 ##### 2.2 实现高效计算设备分配的挑战 实现PC中异构处理器的高效计算设备分配面临三个技术挑战： - **GPU用途多样**：与超级计算机中GPU主要用于通用计算不同，PC中的GPU用于多种目的，且部分任务强烈依赖特定处理器。例如，3D渲染通常由GPU处理，部分3D图形事务无法由CPU处理，而有些应用则可由CPU和GPU共同处理。当GPU负载高时，可将后者应用明确分配给CPU。 - **不能修改应用**：由于主要操作系统（如Windows和Mac OS）的软件分发策略，大多数应用不能由第三方修改，应用供应商也可能不愿意修改应用。因此，为高性能计算提出的现有运行时库或任务分配库无法部署在消费级PC上。 - **性能指标复杂**：消费级PC的性能指标复杂，用户偏好是分配计算设备的重要指标，这与高性能计算中通常静态的任务分配策略（如最大化任务处理速度或每瓦性能）不同。PC中的任务分配策略和优点会根据使用情况轻易改变，例如用户希望流畅玩3D游戏时，其他GPGPU任务不应分配到GPU；而有时用户可能更希望快速转码视频。计算设备选择方法必须识别用户偏好，但这很难实现自动化，因此资源管理需要推断PC的使用情况，用户也需要能够告知当前的使用方式。 ##### 2.3 PACUE的特点和优势 PACUE具有动态计算设备重定向和系统级最优设备选择两个特点。它注重解决通过网络分发系统时可能出现的实际问题，因此选择政治上更安全的方法而非技术上更好的方法。其优势在于： - **可部署性**：具有在实际系统中部署的可能性。 - **提升用户体验**：旨在最大化PC用户的体验，引入