intel xeon phi协处理器高性能编程指南 第1章

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1、更多信息21第1章1绪论本书中，我们会逐个讲解IntelXeonPhi高性能编程的要领。如我们所见，IntelXeonPhi协处理器编程方式大部分与基于IntelXeon的系统相同，但是在如何有效利用并行性上需要更多的关注。当然，这些工作也会在CPU系统上得到回报。我们将看到“移植与优化的双重优势”会成为IntelXeonPhi协处理器编程极具回报性和保护编程投资的关键因素。IntelXeonPhi具备通用编程性，同时可用于解决高度并行的问题。因此，它可在苛刻的并行应用中使用。我们将阐释如何确保应用程序的构建可以充分利用如此大规模的

2、并行能力。作为自然而来的副作用，这些技术通常在更少的并行机器上提高性能，同时也为未来计算机准备了更好的应用程序。总体来说，这就是“可移植的高性能编程”（PortableHighPerformanceProgramming）思想。赛车并不是为在迟缓不前的拥堵的高速公路上的卓越体验而设计的。如大家所见，IntelXeonPhi协处理器和赛车之间的相似性在下面几个章节中将被多次提及。两种情况下的跑车：左边是交通道路，右边是赛道1.1更加并行的趋势为了在新设计中获取更多的性能，计算机设计者们依靠增加更多的晶体管朱实现“一箭多雕”的效果。这代

3、表从依赖于较高频率但需要更高功耗的方法，转向依赖能效更高的并行方法。从并行硬件获得的硬件性能对软件设计的破坏性比加速硬件更大，因为它有利于并行应用程序排除非并行程序。更多信息21下面来看几张量化了这一趋势背后因素的图表。图1.1展示了“更高处理器频率时代”（EraofHigherProcessorSpeeds）的终结。图1.2和图1.3解释了“并行时代”（EraofHigherProcessorParallelism）的趋势。因为在这两个时代中，计算机设计的晶体管数量总是在稳定地增长，符合图1.4所示的摩尔定律（Moore’sLaw

4、），出现了时代的变更。晶体管密度的持续增长驱动计算机设计更加并行化，以使应用程序获得更好的性能。1.2为什么需要IntelXeonPhi协处理器IntelXeonPhi协处理器是为扩展应用程序范围而设计的，这些应用程序已经被证实它们充分利用了基于IntelXeon处理器系统的扩展性、向量能力以及内存带宽的能力。对于这些应用程序，IntelXeonPhi协处理器提供了更具能效的扩展性、向量支持以及本地内存带宽，而且仍旧保持了可编程性以及与IntelXeon处理器类似的支持。世界上的大多数应用程序并没有结构化，所以不能够充分利用并行，这

5、使得几乎每一台计算机系统都留有大量尚未开发的性能。只有当这些应用程序有需求的时候，才被并行编程在高度并行的设备上以扩展出应有的性能。图1.1处理器/协处理器速度时代（对数坐标）更多信息21图1.2处理器/协处理器核/线程并行（对数坐标）图1.3处理器/协处理器向量并行（对数坐标）更多信息21图1.4摩尔定律，处理器/协处理器晶体管数量（对数坐标）成功的并行编程可总结为：编程时，在喜欢的编程语言和模型中使用更多充分向量化的线程。既然大部分程序还没有被结构化以充分利用任一处理器上的并行，那么如何调整以展现出更好的并行性这对发挥Intel

6、Xeon处理器和IntelXeonPhi协处理器的最佳性能是至关重要的。这种调整一般可以在大多数通用计算系统上受益，此红利（Bonus）缘于处理器和协处理有着相同的编程语言、模型和工具，于是把这种红利（Bonus）叫做移植优化双重优势（Dual-Transforming-TuningAdvantage）。有人说，一张图即可表达千言万语，那么IntelXeonPhi协处理器（或者其他任何高度并行的设备）即可用图1.5来表达。在此不必纠结于确切的数字，因为它们是以需要应用程序尽可能典型的一些模型为基础的。这张图片表述了这样一个原则：In

7、telXeonPhi协处理器使系统具有潜在的提供特殊性能的能力，并且系统依然是可信赖的、高能效的。IntelXeon处理器可以较容易地为更多应用提供良好性能，但是会受到如图1.5中横线所示的峰值性能的实际限制。关键是要“为使用并行做好准备”。可以看到图片中需要更多并行才能使IntelXeonPhi协处理器达到相同的性能水平，这就需要编程适应于此实现所需更高级别的并行。作为编程投资的回报，我们可以获得额外的珍贵性能。英特尔产品的移植与优化的双重优势使用了相同的并行模型、编程语言以及相似的工具，极大地保护了编程投资。本书会在之后重温这张

8、图片。更多信息21图1.5此图包含千言万语1.3协处理器平台一个典型的协处理器的平台如图1.6所示。多个这样的平台可以互联组成机群或者是超级计算机。平台不能只包含协处理器。处理器具有cache一致性，并且与其他处理器共享访问主内存。协