本發(fā)明涉及高通量計算與計算機體系結(jié)構(gòu)交叉，具體為面向異構(gòu)硬件的高通量計算框架及自適應編譯方法。

背景技術(shù)：

1、隨著計算機硬件技術(shù)的發(fā)展，異構(gòu)硬件如gpu、fpga等在高通量計算中得到廣泛應用。然而，這些異構(gòu)硬件具有不同的編程模型和架構(gòu)特點，開發(fā)人員需要針對不同的硬件編寫特定的代碼，這增加了編程難度和開發(fā)成本。同時，傳統(tǒng)的編譯技術(shù)難以充分發(fā)揮異構(gòu)硬件的性能優(yōu)勢，無法根據(jù)硬件特性和計算任務需求自動優(yōu)化代碼。因此，需要一種面向異構(gòu)硬件的統(tǒng)一計算框架和自適應編譯方法，以簡化編程并提高計算效率。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供了面向異構(gòu)硬件的高通量計算框架及自適應編譯方法，旨在解決高通量計算在異構(gòu)硬件環(huán)境下編程復雜、性能優(yōu)化困難的問題。

2、本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：面向異構(gòu)硬件的高通量計算框架及自適應編譯方法，包括統(tǒng)一計算框架模塊、自適應編譯模塊和運行時支持模塊，所述統(tǒng)一計算框架模塊提供一個抽象的高層計算接口，屏蔽底層異構(gòu)硬件的差異，使開發(fā)人員按照統(tǒng)一的接口規(guī)范編寫高通量計算代碼，所述統(tǒng)一計算框架模塊內(nèi)部將計算任務分解為適合不同異構(gòu)硬件處理的子任務，并進行任務調(diào)度和數(shù)據(jù)管理；

3、所述自適應編譯模塊用于對編寫的高通量計算代碼進行編譯，并根據(jù)異構(gòu)硬件特性自動優(yōu)化代碼；所述自適應編譯模塊包括硬件特征分析子模塊、代碼優(yōu)化子模塊和編譯生成子模塊；所述硬件特征分析子模塊用于在編譯前對目標異構(gòu)硬件進行性能測試和架構(gòu)特征提??；所述代碼優(yōu)化子模塊根據(jù)硬件特征和計算任務需求，對編寫的代碼進行自動優(yōu)化；所述編譯生成子模塊將優(yōu)化后的代碼編譯生成在目標異構(gòu)硬件上執(zhí)行的二進制文件；

4、所述運行時支持模塊用于在計算任務執(zhí)行過程中，負責監(jiān)控硬件資源的使用情況，動態(tài)調(diào)整任務分配和數(shù)據(jù)傳輸策略。

5、優(yōu)選的，所述統(tǒng)一計算框架模塊采用任務分解算法公式將計算任務分解為適合不同異構(gòu)硬件處理的子任務，公式為：

6、

7、其中：ti為分配給第i種硬件設備的子任務量，t為總的高通量計算任務，wi為第i種硬件設備的計算能力權(quán)重，wi根據(jù)硬件的性能指標綜合確定。

8、優(yōu)選的，所述統(tǒng)一計算框架模塊采用數(shù)據(jù)布局調(diào)整算法和并行化處理算法進行任務調(diào)度和數(shù)據(jù)管理。

9、優(yōu)選的，所述自適應編譯模塊的輸入為開發(fā)人員編寫的高通量計算代碼和目標異構(gòu)硬件信息。

10、面向異構(gòu)硬件的高通量計算框架及自適應編譯方法的系統(tǒng)，包括以下步驟：

11、步驟一、代碼編寫

12、開發(fā)人員使用統(tǒng)一計算框架模塊提供的高層計算接口編寫高通量計算代碼；

13、步驟二、編譯過程

14、自適應編譯模塊中的硬件特征分析子模塊對目標異構(gòu)硬件進行性能測試和架構(gòu)特征提取，提取目標異構(gòu)硬件的架構(gòu)特征；

15、代碼優(yōu)化子模塊根據(jù)硬件特征和代碼需求進行數(shù)據(jù)布局調(diào)整、并行化處理的優(yōu)化操作；

16、編譯生成子模塊將優(yōu)化后的代碼編譯生成可在目標異構(gòu)硬件上執(zhí)行的二進制文件；

17、步驟三、任務執(zhí)行與監(jiān)控

18、運行時支持模塊在計算任務執(zhí)行過程中，監(jiān)控硬件資源的使用情況，動態(tài)調(diào)整任務分配和數(shù)據(jù)傳輸策略。

19、優(yōu)選的，所述代碼優(yōu)化子模塊的代碼優(yōu)化步驟為：

20、一、根據(jù)硬件的訪存帶寬和數(shù)據(jù)類型，調(diào)整數(shù)據(jù)布局；

21、二、依據(jù)硬件的并行處理能力，對可并行部分進行并行化處理，確定并行度；

22、三、根據(jù)硬件的指令集特點，選擇合適的指令序列，替換原始代碼中的指令。

23、與現(xiàn)有技術(shù)對比，本發(fā)明具備以下有益效果：

24、1、該面向異構(gòu)硬件的高通量計算框架及自適應編譯方法，通過構(gòu)建統(tǒng)一的計算框架和自適應編譯技術(shù)，實現(xiàn)計算代碼在不同異構(gòu)硬件上的高效執(zhí)行，提升高通量計算的通用性和性能。

25、2、該面向異構(gòu)硬件的高通量計算框架及自適應編譯方法，構(gòu)建自適應編譯技術(shù)，自適應編譯技術(shù)能夠根據(jù)硬件特性自動優(yōu)化代碼，充分發(fā)揮異構(gòu)硬件的性能優(yōu)勢，提高高通量計算的執(zhí)行效率和系統(tǒng)吞吐量。

技術(shù)特征：

1.面向異構(gòu)硬件的高通量計算框架及自適應編譯方法，包括統(tǒng)一計算框架模塊、自適應編譯模塊和運行時支持模塊，其特征在于：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向異構(gòu)硬件的高通量計算框架及自適應編譯方法，其特征在于：所述統(tǒng)一計算框架模塊采用任務分解算法公式將計算任務分解為適合不同異構(gòu)硬件處理的子任務，公式為：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向異構(gòu)硬件的高通量計算框架及自適應編譯方法，其特征在于：所述統(tǒng)一計算框架模塊采用數(shù)據(jù)布局調(diào)整算法和并行化處理算法進行任務調(diào)度和數(shù)據(jù)管理。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向異構(gòu)硬件的高通量計算框架及自適應編譯方法，其特征在于：所述自適應編譯模塊的輸入為開發(fā)人員編寫的高通量計算代碼和目標異構(gòu)硬件信息。

5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一所述的面向異構(gòu)硬件的高通量計算框架及自適應編譯方法的系統(tǒng)，其特征在于，包括以下步驟：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的面向異構(gòu)硬件的高通量計算框架及自適應編譯方法的系統(tǒng)，其特征在于：所述代碼優(yōu)化子模塊的代碼優(yōu)化步驟為：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了面向異構(gòu)硬件的高通量計算框架及自適應編譯方法，涉及高通量計算與計算機體系結(jié)構(gòu)交叉技術(shù)領(lǐng)域，具體包括統(tǒng)一計算框架模塊、自適應編譯模塊和運行時支持模塊，所述統(tǒng)一計算框架模塊提供一個抽象的高層計算接口，使開發(fā)人員按照統(tǒng)一的接口規(guī)范編寫高通量計算代碼，分解計算任務，并進行任務調(diào)度和數(shù)據(jù)管理；自適應編譯模塊用于對編寫的高通量計算代碼進行編譯，并根據(jù)異構(gòu)硬件特性自動優(yōu)化代碼；運行時支持模塊在任務執(zhí)行時監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)并進行動態(tài)調(diào)整。本發(fā)明構(gòu)建統(tǒng)一的面向異構(gòu)硬件的計算框架和自適應編譯方法，通過抽象硬件差異、自動代碼優(yōu)化和運行時動態(tài)調(diào)整，實現(xiàn)高通量計算在異構(gòu)硬件環(huán)境下的高效執(zhí)行。

技術(shù)研發(fā)人員：袁靜,呂飛,范東睿,王曉虹,唐宏偉,吳浩
受保護的技術(shù)使用者：鹽城中科高通量計算研究院有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/4/28