國產(chǎn)神威環(huán)境下Athread代碼生成工具的設(shè)計與開發(fā)

劉加偉，郭 強，莊 園，張海紅，王 利，曾云輝+

(1.齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院) 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)部，山東 濟南 250014；2.齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院) 山東省計算中心(國家超級計算濟南中心)，山東 濟南 250103)

0 引 言

國產(chǎn)神威系列超級計算機系統(tǒng)支持多種常見的編程模型和并行標準，常用的有消息傳遞接口(message passing interface，MPI)、異構(gòu)系統(tǒng)并行編程模型(open accelerators，OpenACC)、加速線程庫(acceleration thread library)等。當前程序員在神威超級計算機上進行眾核化加速時會面臨編程模型選擇的問題。雖然OpenACC執(zhí)行方便，但是并行粒度和并行化效率不高。OpenACC通過導(dǎo)語及子語就可以隱式的實現(xiàn)并行編程[1，2]，即使是針對神威異構(gòu)眾核處理器的結(jié)構(gòu)特點而改進的OpenACC*[1]也不能對核組內(nèi)的線程進行靈活的控制和調(diào)度，程序優(yōu)化的思想也大多是設(shè)法提高數(shù)據(jù)的傳輸效率，在不追求極致的計算效率的情況下采用OpenACC*并行實現(xiàn)；而Athread性能更優(yōu)，而且編寫靈活，能夠更好地發(fā)揮出核組內(nèi)多從核并行的加速性能[3]，但相較于OpenACC*編寫代碼的工作量更大，編程人員在眾核化編程中容易出現(xiàn)書寫失誤，進而需要對代碼進行人工排查，這將導(dǎo)致眾核化工作效率降低?；谶@個問題，亟需要借助自動化的技術(shù)輔助眾核代碼的編寫。

目前國內(nèi)外已有很多研究人員在進行關(guān)于自動生成并行代碼技術(shù)和方法的研究[4，5]。付昊桓等實現(xiàn)了OpenACC代碼到基于神威眾核處理器下Athread代碼，主要依靠源代碼到源代碼的翻譯工具來實現(xiàn)自動化和高效的移植[4]；朱效民等第一次嘗試在SW26010上進行代碼自動生成研究，設(shè)計實現(xiàn)了二維Fortran代碼轉(zhuǎn)換為Athread代碼的自動代碼生成器。該工具使用源到源的轉(zhuǎn)換方法，通過輸入Fortran代碼的數(shù)組維度信息、循環(huán)索引、計算和循環(huán)結(jié)束關(guān)鍵詞來生成從核代碼。該工具僅僅是對二維Fortran代碼進行自動轉(zhuǎn)換，缺少對其它維度以及使用C語言編寫的源程序支持[5]。上述研究主要依賴編譯器來實現(xiàn)程序的源到源的自動翻譯，這種編譯器實現(xiàn)方法后續(xù)修改比較困難，難以完善；而本文設(shè)計的轉(zhuǎn)換工具基于模板程序進行轉(zhuǎn)換，易于修改，而且可以及時利用新的高效從核優(yōu)化方法，便利性強[6-8]。

本文的主要工作是，提出了一套結(jié)構(gòu)清晰易用的Athread眾核程序模板框架，設(shè)計提出一種可以使源程序自動轉(zhuǎn)換為Athread方式的方法，研發(fā)實現(xiàn)了一個面向神威異構(gòu)眾核處理器上Fortran/C語言核心代碼段基于Athread方式的眾核代碼轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，旨在提高開發(fā)人員的眾核化工作效率。

1 代碼生成工具設(shè)計開發(fā)

基于目前人工編寫Athread方式眾核代碼的現(xiàn)狀和技術(shù)方法，我們泛化提出了一套主程序調(diào)用master程序再由master程序調(diào)用slave程序的三層模板程序框架，設(shè)計研發(fā)了一個面向C語言和Fortran語言使用的眾核代碼自動轉(zhuǎn)換工具。該工具根據(jù)上傳的制導(dǎo)文件和源文件，選擇對應(yīng)的轉(zhuǎn)換模板轉(zhuǎn)換生成Athread方式的眾核代碼，轉(zhuǎn)換成功后可以對生成的文件進行編輯保存和下載。

1.1 總體設(shè)計

眾核代碼自動生成工具可以使用可執(zhí)行文件進行單機版的操作，也可使用Web版進行使用。Web版采系統(tǒng)用B/S模式，用戶通過瀏覽器可對該工具進行操作。服務(wù)器采用Nginx，它具有簡單的負載均衡和容錯，后臺的數(shù)據(jù)服務(wù)采用MySQL數(shù)據(jù)庫，主要包括用戶權(quán)限信息和資源信息，其中資源信息包括上傳的源代碼和轉(zhuǎn)換后生成的一系列Athread代碼，對提交的文件做統(tǒng)一管理[9]。該工具在設(shè)計上充分發(fā)揮了各種語言的優(yōu)點，文件讀寫采用異步的方式實現(xiàn)，體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

將源文件和制導(dǎo)文件上傳到眾核代碼轉(zhuǎn)換平臺之后，在Web頁面上進行操作，選擇對應(yīng)的模板進行轉(zhuǎn)換，選擇模板的意義在于選擇handlebars渲染文件路徑。轉(zhuǎn)換之后兩個文件的字符串直接通過Web頁面調(diào)到Java后臺，在后臺接收到文件之后，將制導(dǎo)文件內(nèi)容、源文件內(nèi)容和模板路徑交給核心庫，由核心庫統(tǒng)一處理，核心庫通過模板路徑獲取到所需要的模板文件，對文件進行語法詞法解析和渲染，輸出的文件保存在硬盤上并把路徑返回給Java后臺，Java后臺再把路徑發(fā)送到前臺。

1.2 模板程序架構(gòu)

隨著神威系列超級計算機系統(tǒng)的發(fā)展，盡管系統(tǒng)架構(gòu)發(fā)生改變，但是“由主程序調(diào)用master.c程序，再由master.c程序調(diào)用slave.c程序”的編程模式依然是主流思想[1]。本工具以主程序、master.c程序和slave.c程序作為模板，基于制導(dǎo)文件進行轉(zhuǎn)換，還添加了一個全局變量文件定義相關(guān)參數(shù)，實現(xiàn)對不同平臺的擴展。用戶使用本工具時，只需要編寫制導(dǎo)文件即可。

1.2.1 主程序

在主程序中，除過實現(xiàn)核心段的眾核化之外，一個常見需求就是計算結(jié)果比對和運行計時。通過計時函數(shù)來獲取主程序核心段計算時間和從核計算時間，按制導(dǎo)文件自動對原主核核心代碼段和眾核調(diào)用代碼段進行計時插樁，比較耗時情況，并對加速效果進行輸出。目前采用以基于getlooptime()為基礎(chǔ)的計時方法。主程序以逐元素比較原主核計算變量的結(jié)果與眾核計算變量的結(jié)果的方式來判斷超出精度范圍的位置和數(shù)值，并進行輸出。在主程序模板中還添加了條件編譯語句，用于選擇程序是眾核化運行、主核運行還是進行比對。

1.2.2 master.c

在master.c程序模板中，將常用的數(shù)據(jù)參數(shù)以結(jié)構(gòu)體的形式存儲，結(jié)構(gòu)體中成員類型包含了常見集中數(shù)據(jù)類型，每種類型的大小分別受不同的參數(shù)控制。在從核啟動的時候?qū)⒔Y(jié)構(gòu)體加載到每個從核的LDM(local data memory)中，減少從核直接訪主存的次數(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的重復(fù)調(diào)用，提高程序性能。此外，為了提高二維數(shù)組的可擴展性，該模板采用spawn方式[10]，以便對多個并行的二維數(shù)組計算的核心段進行從核分區(qū)并行。

1.2.3 slave.c

為避免從核使用動態(tài)分配函數(shù)出現(xiàn)的不穩(wěn)定現(xiàn)象，slave.c從核程序模板采用靜態(tài)存儲變量的方法，即采用LDM靜態(tài)空間分別開設(shè)一個較大的整型和浮點型的靜態(tài)數(shù)組，對各個變量按結(jié)構(gòu)體參數(shù)分別對應(yīng)進行自動映射。此外，為了減少用戶編程的工作量，提高開發(fā)效率，我們使用了新一代神威眾核架構(gòu)下實現(xiàn)的從核間通信的接口函數(shù)[11]。

1.2.4 制導(dǎo)文件

基于前述模板，轉(zhuǎn)換工具按照用戶提供的制導(dǎo)文件對原始程序代碼(filename.f90/.c)實現(xiàn)眾核化，自動生成filename_struct.h頭文件、filename_sw.f90/.c新的主程序、filename_master.c和filename_slave.c文件。

在使用轉(zhuǎn)換工具前，需要用戶針對原始代碼程序filename.f90/.c中擬轉(zhuǎn)換的核心代碼段編寫一個制導(dǎo)文件，包括如下內(nèi)容。

(1)明確擬眾核化的代碼段范圍，按照起始行號表述。

(2)按照輸入變量、輸出變量、雙向變量的分類，逐個對變量的名稱、類型(整型/單精度浮點數(shù)/雙精度浮點數(shù)等)、維數(shù)、每一維需要讀進/寫出從核的大小、每一維的起始下標等進行明確，必要時可明確每一維的范圍，制導(dǎo)文件中部分變量及數(shù)組見表1。

表1 制導(dǎo)文件中部分變量及數(shù)組示例

(3)增加條件編譯語句(如計時統(tǒng)計和結(jié)果比較等)和調(diào)用master.c中函數(shù)的語句。

(4)部分優(yōu)化方法的選項設(shè)置。

1.3 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計

該工具的后端實現(xiàn)主要采用Rust語言作為開發(fā)語言，以Handlebars作為語義模板庫，前端展示界面的開發(fā)采用Java語言。之所以選擇Rust語言，是因為Rust是非GC的內(nèi)存安全的語言，不像Java需要運行時有GC線程來清理內(nèi)存，也不像C類語言需要手動申請、釋放堆內(nèi)存。它有一套自己的語法，按照這套語法編寫自己的代碼，它在編譯時會自動地在需要的地方添加申請、釋放內(nèi)存的指令[12]。而內(nèi)存安全的機制可以放心編寫業(yè)務(wù)代碼，不用擔心空指、野指、堆內(nèi)存不釋放等問題，以提高程序的穩(wěn)定性和安全性。

整個轉(zhuǎn)換工具的輸入是Fortran/C源程序和對應(yīng)的制導(dǎo)文件。然后，對源碼進行詞法分析并用抽象語法樹AST(abstract syntax tree)表示。下一步是根據(jù)轉(zhuǎn)換后的抽象語法樹生成目標語句。最后，將生成的目標語句轉(zhuǎn)換為Athread源程序。

我們根據(jù)轉(zhuǎn)換工具功能實現(xiàn)的流程邏輯，將項目劃分為核心數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、模板模塊、展示模塊，這3個模塊依次完成。

(1)核心數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊

利用抽象語法樹(AST)規(guī)則通過解析、轉(zhuǎn)換、生成3個步驟[13]將Fortran/C文件和制導(dǎo)文件轉(zhuǎn)換為內(nèi)置數(shù)據(jù)模型。該工具在實現(xiàn)上將解析、轉(zhuǎn)換和生成進行業(yè)務(wù)切割，其中，解析業(yè)務(wù)以數(shù)據(jù)序列化的方式實現(xiàn)，轉(zhuǎn)換業(yè)務(wù)則是根據(jù)轉(zhuǎn)換庫預(yù)留接口實現(xiàn)，達到業(yè)務(wù)上的解耦，提高該工具的可擴展性。

1)解析，將原始語句解析為抽象語法樹。

使用AST對原始語句解析時，需要先進行詞法分析。詞法分析會根據(jù)既定的語法單元表，將原始語句分割成一維數(shù)組語法單元列表(token表)。詞法分析時會將連續(xù)的空格當做分割符，自動切分語法單元。獲得token表之后，再使用語法分析，將一維無結(jié)構(gòu)的token表轉(zhuǎn)化為樹形結(jié)構(gòu)。在語法分析時，也會驗證語法的正確性。

2)轉(zhuǎn)換，操作抽象語法樹節(jié)點完成轉(zhuǎn)換。

AST轉(zhuǎn)換沒有固定的標準，本項目存在兩種情況：對匹配節(jié)點簡單的替換和對匹配子樹結(jié)構(gòu)的調(diào)整或者替換。這個過程包含遍歷和轉(zhuǎn)換兩步。抽象語法樹可以使用一般樹的遍歷方法，如先序遍歷和后序遍歷。

3)生成，根據(jù)轉(zhuǎn)換后的抽象語法樹生成目標語句。

在生成的遍歷過程中，需要對所有不同類型語法單元的節(jié)點的所有情況定義不同的處理邏輯，而不同類型語法節(jié)點下子樹的遍歷順序也有可能會不同。所以，需要為所有情況進行枚舉。AST遍歷示例如圖2所示。

圖2 AST遍歷示例

其中，statement_list語法單元用來表示子節(jié)點都是并列依次執(zhí)行的語句。while子樹中包含了while循環(huán)的條件判斷和if的語句塊，if語句塊包含了if的條件判斷和兩個賦值語句。在編譯器構(gòu)造同樣類型語法樹時，一般會使用與具體語言無關(guān)的語法單元的命名，這樣在后續(xù)的轉(zhuǎn)換只是對節(jié)點采用不同的翻譯模式而已，做到了和具體語言的解耦。

(2)模板模塊

在此模塊中自定義模板組件，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊中的內(nèi)置數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換為C語言文本。表2中列舉了部分主要的模板組件。

表2 主要模板組件

(3)展示模塊

單機版采用exe可執(zhí)行文件直接生成導(dǎo)出文件到響應(yīng)目錄。Web版采用Web頁面展示轉(zhuǎn)換結(jié)果。在使用轉(zhuǎn)換工具之前先把相應(yīng)的f90/c源文件和制導(dǎo)文件上傳，之后選定源文件和制導(dǎo)文件分別放到源文件代碼編輯區(qū)和制導(dǎo)文件代碼編輯區(qū)，然后保存，選擇相關(guān)的模板開始轉(zhuǎn)換，最后可以把生成的所有文件的壓縮包下載，也可以在線預(yù)覽生成的文件內(nèi)容。Web原型設(shè)計如圖3所示。

圖3 Web版前端界面原型框架

Web版本中的兩個編輯區(qū)可以實現(xiàn)在線的實時修改，同時我們添加了對“do”、“for”、“if”、“else”等關(guān)鍵詞的高亮顯示，更方便使用人員操作。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 詞法語法分析器的具體實現(xiàn)流程

詞法語法分析器主要是用于將一個編程語言轉(zhuǎn)換成另外一種編程語言，相當于一個簡單編譯器的實現(xiàn)。按照需求該編譯器包含詞法分析、語法轉(zhuǎn)換以及簡單的錯誤分析，分析流程如圖4所示。

圖4 分析流程

2.1.1 詞法語法分析

(1)語句分析器

分析器采用流式解析的方法，將整個代碼的字符串按行讀取，分析器按照規(guī)則匹配token表，在備選的語法結(jié)構(gòu)中排除，直到匹配到語句結(jié)束并且備選的語法結(jié)構(gòu)中只剩下一個備選。使用這種流式的語法解析方法可以減少掃描過多而帶來的內(nèi)存占用和時間問題。針對于一個語句多行編寫的情況，會將語句之前的解析內(nèi)容緩存，等到完整的語句解析完成之后再寫入到數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中。按照制導(dǎo)文件和f90文件的結(jié)構(gòu)可分為輸入變量、輸出變量、輸入輸出變量等，具體匹配流程如圖5所示。

圖5 語義匹配有限狀態(tài)自動機

圖5中虛線代表推測的是哪種語義。該流程圖中的任意語句必須完全匹配才能確定是否為該語義，如果匹配出來的不在推測的集合中，則會返回錯誤信息。

對于不同的語言，該工具在解析規(guī)則上有較小的差別，只需更改相應(yīng)的解析規(guī)則和模板就可以很好實現(xiàn)語言上的擴展。以C程序中的for循環(huán)為例，當輸入一串字符串為 “for(i=0；i<10；i++)” 時，它會逐字進行判斷，匹配過程如圖6所示。

圖6 for循環(huán)解析過程

(2)源文件語句分析

以f90源文件為例，系統(tǒng)需要提交的f90源文件主要用于解析變量、計算語句源語句、子程序識別。f90變量的解析主要用于提供變量的初始值。

根據(jù)f90源文件的結(jié)構(gòu)，可以定義4個解析位置，分別為：開始子程序、解析變量、核心計算語句、結(jié)束子程序，并且可以循環(huán)。在f90中，語句的結(jié)束標識符為換行符，如果多行為一個語句，則行結(jié)束后為“&”標識符。

解析位置間的切換規(guī)則為：

1)文件初始時為解析位置為None。

2)當解析位置為None或結(jié)束子程序時，遇到 “subroutine”關(guān)鍵字則解析位置切換為開始子程序。

3)開始子程序行結(jié)束后無 “&”字符，則解析位置切換為解析變量。

4)當解析位置為解析變量時，遇到“……”行，則切換為計算源語句。

5)當解析位置為計算源語句時，遇到“end subroutine”時，切換為結(jié)束子程序。

(3)計算語句分析

計算語句主要進行格式的判斷、轉(zhuǎn)換，不牽扯到計算相關(guān)的運算符優(yōu)先級相關(guān)的運算，所以此次解析只按照順序?qū)⒔馕龅降南嚓P(guān)的數(shù)據(jù)存入到屬性結(jié)構(gòu)中即可。模板渲染時按照屬性結(jié)構(gòu)從上到下、從左到右的挨個轉(zhuǎn)換渲染出來即可。

本文根據(jù)語句的特點，可以將語句分為循環(huán)語句、條件語句和普通語句，這3個語句分別都有自己重要的組成部分。在這3種語句中，其中循環(huán)語句和條件語句是樹形結(jié)構(gòu)，含有子集；普通語句為鏈表結(jié)構(gòu)。目前采用對關(guān)鍵字的解析，通過解析規(guī)則對語句類型進行匹配。語法解析時按照 “do”、“if”、“else”、“end do”、“endif”等關(guān)鍵字判斷語法類型，將不在關(guān)鍵字內(nèi)但是符合變量命名規(guī)則的按照普通語句規(guī)則進行匹配并存入鏈表中；讀取到“do”、“if”、“else”關(guān)鍵字時，后續(xù)的語句存入到相關(guān)結(jié)構(gòu)體的children節(jié)點上，直到“end”結(jié)束，后續(xù)的解析存入到next節(jié)點上。

2.1.2 語義轉(zhuǎn)換

語義轉(zhuǎn)換部分采用模板渲染的方式。通過對比多個模板語言后采用handlebars作為該工具的模板語言，該模板語言具有高可擴展性以及具有簡單的條件判斷和循環(huán)判斷能力，非常適合該工具的語義轉(zhuǎn)換部分。

針對于handlebars開發(fā)多個定制化組件的過程中遇到的數(shù)據(jù)共享問題，我們采用寫入、讀取的方式實現(xiàn)數(shù)組間的數(shù)據(jù)共享，并且在文件的寫入、讀取時采用異步的方式進行，防止IO期間對于CPU占用導(dǎo)致的性能問題，提高程序性能。基本實現(xiàn)為每次語句轉(zhuǎn)換生成的文件寫入到的目錄都是隨機生成的，并且不會重復(fù)，所以我們在這個寫入的文件夾中創(chuàng)建一個名為.cache 的隱藏文件中。當一個組件生成其它組件需要的數(shù)據(jù)時，則將該部分數(shù)據(jù)進行序列化并寫入到.cache文件中；當其它組件需要讀取時直接從.cache文件中讀取數(shù)據(jù)進行反序列化操作即可。

2.1.3 錯誤分析

轉(zhuǎn)換工具目前可以進行簡單的語法錯誤分析，利用有限狀態(tài)自動機來進行語法的錯誤分析，通過前面的輸入會判定后面會有的可能性，如果待驗證的語句都不屬于任意可能性則會被判定為錯誤語法。

2.2 基準模板文件生成

在按照神威系列超級計算機系統(tǒng)所提供的Athread庫格式[1]編寫典型的模板程序后，該工具將進行識別后形成包含變量的基準模板文件。

在這個過程中，我們首先進行AST解析，采用流式的思想將程序中的變量、語句相關(guān)的內(nèi)容轉(zhuǎn)換為內(nèi)置的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。然后我們對每個維度類型的神威眾核代碼的特性進行歸納總結(jié)，將程序中的整個代碼看作一個字符串，每個字符串分為固定字符串和可替換字符串。固定字符包括數(shù)據(jù)類型和常用的函數(shù)名等，而可替換字符包括變量名、數(shù)組名和循環(huán)判斷等。其中固定的字符串直接顯示在模板上，可替換的字符串根據(jù)原數(shù)據(jù)類型或者變量使用循環(huán)組件、判斷組件、變量組件等組件進行替換顯示最終生成的基準模板文件，如圖7(a)所示。

圖7 從核模板代碼(a)與生成代碼(b)對比

2.3 眾核代碼生成

模板代碼根據(jù)需要生成的可替換數(shù)據(jù)，在對應(yīng)位置以識別組件方式來進行代碼的替換。具體體現(xiàn)在該工具通過對上述源文件和制導(dǎo)文件的詞法語法解析，把解析數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成內(nèi)部對象，通過把對象序列化成json串[14]，交給handlebars渲染庫，由handlebars統(tǒng)一調(diào)度。以從核代碼slave.c為例，在生成slave.c文件的時候根據(jù)slave.c模板的組件調(diào)用相應(yīng)的handlebars庫，讀取數(shù)據(jù)進行替換，轉(zhuǎn)換效果如圖7所示。

3 工具應(yīng)用

3.1 工具使用

該轉(zhuǎn)換工具目前實現(xiàn)了Fortran語言和C語言的二維模板、三維模板以及混合維度數(shù)組模板的轉(zhuǎn)換。單機版采用exe可執(zhí)行文件直接生成導(dǎo)出文件到相應(yīng)目錄。Web版采用Web頁面進行操作和展示轉(zhuǎn)換結(jié)果，轉(zhuǎn)換效果如圖8所示。

圖8 Web界面二維模板轉(zhuǎn)換效果

用戶通過輸入賬號密碼登錄該平臺，圖8顯示該平臺的Web頁面包含左側(cè)一欄的文件管理區(qū)域，用戶可以創(chuàng)建目錄和子目錄，將待轉(zhuǎn)換的源文件和制導(dǎo)文件上傳到用戶創(chuàng)建的子目錄中；中間一欄為代碼文件編輯區(qū)，用戶將子目錄中的源文件添加到上側(cè)的源文件代碼編輯區(qū)，制導(dǎo)文件添加到下側(cè)的制導(dǎo)文件文件編輯區(qū)，用戶可以在這兩個區(qū)域進行修改，修改完畢之后可以點擊保存按鈕保存到后臺服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫中；右側(cè)一欄為轉(zhuǎn)換區(qū)，用戶可以通過選擇對應(yīng)的數(shù)組維度信息對文件編輯區(qū)顯示的源代碼和制導(dǎo)文件進行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成功后會出現(xiàn)如圖8所示的一些Athread代碼相關(guān)的源代碼，并可以通過點擊“下載壓縮包”下載到本地。

該工具有很好的便利性，即通過上傳源文件和編寫好的制導(dǎo)文件到web界面即可進行代碼轉(zhuǎn)換，自動生成新的主程序、頭文件、master.c和slave.c程序，用戶不需要考慮神威環(huán)境下從核分配和LDM空間地址偏移等問題。

3.2 正確性檢驗

為了保證轉(zhuǎn)換后的眾核代碼的準確性提供了部分檢查功能，包括代碼一致性檢查、結(jié)果正確性檢查。代碼一致性檢查指修改或合并之后的主核代碼和從核代碼內(nèi)部及相互之間的一致性，包括下標、大小、數(shù)值等。目前通過主程序的結(jié)果正確性函數(shù)來驗證轉(zhuǎn)換后結(jié)果。

本文基于上述幾個模板，將海洋數(shù)值模式中advu和advt的二維矩陣計算核心段由轉(zhuǎn)換工具生成Athread格式的源代碼及包含正確性檢驗的主程序在神威太湖之光平臺上提交運行。運行結(jié)果部分效果如圖9所示。

圖9 二維模板正確性檢驗部分效果

圖9顯示的第一列數(shù)字表示原串行程序的執(zhí)行結(jié)果和利用工具轉(zhuǎn)換生成的眾核程序執(zhí)行結(jié)果的差值，實驗結(jié)果顯示，兩個二維矩陣運算利用轉(zhuǎn)換工具得到的眾核代碼在從核加速后的計算結(jié)果均與主程序串行執(zhí)行的計算結(jié)果相同，驗證了本文轉(zhuǎn)換工具的正確性。

3.3 性能分析

實驗驗證平臺選擇神威太湖之光超級計算機，操作系統(tǒng)為RaiseOS 2.0.5，其眾核處理器的主核和從核工作頻率均為1.5 GHz，訪存帶寬為136.51 GB/s[15]。

實驗采用的二維代碼為海洋數(shù)值模式中advu和advt的典型計算核心段。其中，二維數(shù)組規(guī)模為最小設(shè)為32×32，最大設(shè)為512×512，對應(yīng)的數(shù)據(jù)量大小由64 kB增加到16 MB。

由于本文設(shè)計的轉(zhuǎn)換工具的目的是解決前述提到的編寫Athread代碼所存在的問題，以達到或超過OpenACC*的性能。因此，本節(jié)比較了使用轉(zhuǎn)換工具的Athread版本和使用OpenACC*人工編寫獲得的代碼之間的性能比較，性能比較如圖10和圖11所示。

圖10 兩種編程模型的加速效果比較(單個核心段)

圖11 兩種編程模型的加速效果比較 (兩個核心段)

根據(jù)圖10和圖11所示結(jié)果，自動生成的Athread代碼比OpenACC*代碼有更好的加速效果。雖然在2D模板中對一個核心段進行加速時，兩種編程方法的加速性能差異不是很明顯，這主要是由于核心段計算量??；但是如圖11所示，當對2個核心段進行加速時，兩種編程方法的加速比具有明顯不同，這是由于OpenACC*對于多個核心段的并行粒度不高，只能分別進行加速；而轉(zhuǎn)換工具采用一次spawn加載方式，并行粒度增大，從而產(chǎn)生差別明顯的加速效果。通過上述實驗可以驗證這個轉(zhuǎn)換工具是具有應(yīng)用價值的。

自動轉(zhuǎn)換的主從核代碼與人工編寫的代碼相比具有很多優(yōu)勢，轉(zhuǎn)換工具可以有效避免變量名稱和大小寫的低級書寫錯誤；避免了結(jié)構(gòu)體傳參時變量順序的錯誤；模板是自動計算地址偏移大小，可以有效防止人工編寫代碼計算從核地址偏移量時所發(fā)生的錯誤；此外，該工具還可直接調(diào)用已有的從核間通訊接口函數(shù)，方便用戶使用，提高了代碼的重用性。總體來說，該轉(zhuǎn)換工具與人工編寫相比，可以準確地生成Athread代碼，提高開發(fā)人員的工作效率。

4 結(jié)束語

本文在國產(chǎn)神威系列超級計算機系統(tǒng)的架構(gòu)下，泛化提出基于主程序調(diào)用master程序再由master程序調(diào)用slave程序的三層模板程序架構(gòu)，集成了常用的眾核優(yōu)化方法，采用Rust語言進行詞法和語法分析，設(shè)計開發(fā)了一個圖形化使用界面的Athread代碼自動轉(zhuǎn)換工具。與現(xiàn)有的轉(zhuǎn)換工具相比，該工具實現(xiàn)了在異構(gòu)眾核處理器上不同維度下Fortran/C程序核心段代碼的基于Athread方式的自動眾核代碼轉(zhuǎn)換。當前該工具采用基于制導(dǎo)文件的方法，下一步將采用成熟的編譯器前端分析結(jié)果自動生成。同時，將繼續(xù)集成一些新的優(yōu)化方法、添加性能分析工具和支持一些新的語法格式。