[发明专利]一种串行与并行模拟相结合的并行计算机系统性能模拟方法

说明书

技术领域

本发明涉及并行计算机系统的性能模拟方法，特别是以模拟技术为手段，对并行计算机系统上单程序多数据(Single Program Multiple Data，SPMD)模式消息传递程序的性能(即运行时间)进行模拟评估的方法。 

背景技术

计算机体系结构模拟软件(简称模拟器)是一类可对计算机系统行为进行模拟的软件，它们一般是可配置的，可以对目标计算机系统的体系结构参数或技术方案进行配置，在现有计算机(称为宿主机)上模拟运行Benchmark程序(包括来自于真实应用领域的程序或人工合成的程序等)，获得目标计算机系统在给定配置下的性能数据。在新计算机系统研制过程中，基于模拟器软件，在目标系统可用前就对其性能进行评估，分析系统性能瓶颈或者找到最优配置，从而对系统进行针对性的改进。此外，由于新的计算机(特别是大规模并行计算机)系统资源稀缺，运行成本高，很多情况下并不能直接在新计算机上直接进行程序开发，而是在其它计算机上开发好程序之后再将其部署到新计算机上。为了在新计算机上获得高的运行效率，开发过程中需要对程序进行深入的性能调优，通过模拟技术对程序在目标计算机系统上的性能进行评估，可有效指导其性能优化。 

模拟器采用软件来模拟硬件的行为，时间开销很大，通常比在真实目标机上运行相同Benchmark程序的时间大几个数量级，并行计算机系统的模拟工作量更为巨大。美国伦斯勒理工学院的Christopher D.Carothers举了一个例子(Christopher D.Carothers，ROSS：Parallel Discrete-Event Simulations on Near Petascale Supercomputers，charmworkshop，2009)：假设要对一个万万亿次超级计算机上的MPI程序进行模拟，假定程序只发挥机器峰值性能的10％，即每秒1千万亿次浮点运算，每个浮点操作需要2字节数据，其中1％需要通过通信获得，每秒共2TB数据通信，设MPI消息大小为1K，因此每秒产生20亿个MPI通信，如果每个消息传输要经过8跳，则每秒产生160亿个事件，运行1000秒产生16万亿个事件，以目前的串行离散事件模拟器10万个事件每秒的模拟速度，需要5年多时间才能模拟完。串行不可能满足模拟容量和时效性需求，只 有利用并行计算机系统作为宿主机平台进行并行模拟，才有可能满足计算能力与存储容量的需求。因此，目前已经出现了一些基于并行宿主机的并行模拟器原型系统，如WWTII(威斯康辛大学)、RSIM(莱斯大学与伊利诺伊大学等)、LAPSE(NASA)、MPI-Sim(加州大学洛杉矶分校)、BigSim(伊利诺伊大学厄贝纳香槟分校)、BGLsim(IBM公司与伊利诺伊大学厄贝纳香槟分校)、SILAS(德国尤利西超级计算中心)等的并行模拟器原型系统。 

即使这样，目前对并行计算机系统上并行应用程序的性能模拟预测仍然面临很大的困难，具体表现在： 

(1)并行模拟器中缺乏准确的计算性能模拟模块。并行计算机系统上并行程序性能受处理器(含片上Cache存储层次)、互连网络等众多因素交互影响，准确的性能模拟非常困难。除BGLSim宣称可实现近似周期精确的模拟外，现有并行模拟器基本上都没有使用周期精确的处理器模拟模块。例如MPI-Sim和BigSim中，没有对处理器性能进行指令级级别的详细模拟模型，而只采用简单的宿主机处理器和目标机处理器性能的缩放因子的方式进行性能估计。据我们在一个集群系统上对BigSim的测试发现，其计算性能预测误差可达到80％以上。 

(2)可配置性差，适应性差。已有的模拟器通常针对具体目标系统进行设计，如果系统体系结构部件发生改变，例如采用了新型处理器或网络互连设备，则无法适应。 

(3)模拟开销仍然很大。模拟性能仍然是制约模拟器应用的主要障碍之一，由于模拟开销大，使得并行模拟的运行环境条件难以满足。