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SparseMode:用于高效SpMV向量化代码生成的稀疏编译框架
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作者 王昊天 丁岩 +2 位作者 何贤浩 肖国庆 阳王东 《计算机研究与发展》 北大核心 2025年第6期1443-1454,共12页
稀疏矩阵向量乘法(sparse matrix-vector multiplication,SpMV)是数值计算中的核心操作,广泛应用于科学计算、工程模拟以及机器学习中.SpMV的性能优化主要受限于不规则的稀疏模式,传统的优化通常依赖手动设计存储格式、计算策略和内存... 稀疏矩阵向量乘法(sparse matrix-vector multiplication,SpMV)是数值计算中的核心操作,广泛应用于科学计算、工程模拟以及机器学习中.SpMV的性能优化主要受限于不规则的稀疏模式,传统的优化通常依赖手动设计存储格式、计算策略和内存访问模式.现有张量编译器如TACO和TVM通过领域特定语言(domain specific language,DSL)可实现高性能算子生成,减轻开发人员繁琐的手动优化工作,但对稀疏计算的优化支持尚显不足,难以根据不同的稀疏模式自适应优化性能.为了解决这些问题,提出了名为SparseMode的稀疏编译框架,能够依据矩阵的稀疏模式为SpMV计算生成高效的向量化代码,并根据硬件平台的特性自适应地调整优化策略.该编译框架首先设计了领域专属语言SpMV-DSL,能够简洁高效地表达SpMV的稀疏矩阵和计算操作.然后提出了基于稀疏模式感知的方法,根据SpMV-DSL定义的矩阵存储格式和非零元素分布动态选择计算策略.最后通过稀疏模式分析和调度优化生成高效并行的SpMV算子代码,以充分利用SIMD指令提升性能.在不同硬件平台上的SpMV实验结果表明,SparseMode生成的SpMV算子代码相较于现有的TACO和TVM张量编译器实现了最高2.44倍的加速比. 展开更多
关键词 稀疏矩阵向量乘法 编译器 稀疏模式 高性能计算 向量化
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TEB:GPU上矩阵分解重构的高效SpMV存储格式 被引量:2
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作者 王宇华 张宇琪 +2 位作者 何俊飞 徐悦竹 崔环宇 《计算机科学与探索》 CSCD 北大核心 2024年第4期1094-1108,共15页
稀疏矩阵向量乘法(SpMV)是科学与工程领域中一个至关重要的计算过程,CSR(compressed sparse row)格式是最常用的稀疏矩阵存储格式之一,在图形处理器(GPU)平台上实现并行SpMV的过程中,其只存储稀疏矩阵的非零元,避免零元素填充所带来的... 稀疏矩阵向量乘法(SpMV)是科学与工程领域中一个至关重要的计算过程,CSR(compressed sparse row)格式是最常用的稀疏矩阵存储格式之一,在图形处理器(GPU)平台上实现并行SpMV的过程中,其只存储稀疏矩阵的非零元,避免零元素填充所带来的计算冗余,节约存储空间,但存在着负载不均衡的问题,浪费了计算资源。针对上述问题,对近年来效果良好的存储格式进行了研究,提出了一种逐行分解重组存储格式——TEB(threshold-exchangeorder block)格式。该格式采用启发式阈值选择算法确定合适分割阈值,并结合基于重排序的行归并算法,对稀疏矩阵进行重构分解,使得块与块之间非零元个数尽可能得相近,其次结合CUDA(computer unified device architecture)线程技术,提出了基于TEB存储格式的子块间并行SpMV算法,能够合理分配计算资源,解决负载不均衡问题,从而提高SpMV并行计算效率。为了验证TEB存储格式的有效性,在NVIDIA Tesla V100平台上进行实验,结果表明TEB相较于PBC(partition-block-CSR)、AMF-CSR(adaptive multi-row folding of CSR)、CSR-Scalar(compressed sparse row-scalar)和CSR5(compressed sparse row 5)存储格式,在SpMV的时间性能方面平均可提升3.23、5.83、2.33和2.21倍;在浮点计算性能方面,平均可提高3.36、5.95、2.29和2.13倍。 展开更多
关键词 稀疏矩阵向量乘法(spmv) 重新排序 CSR格式 负载均衡 存储格式 图形处理器(GPU)
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DRM:基于迭代归并策略的GPU并行SpMV存储格式
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作者 王宇华 何俊飞 +2 位作者 张宇琪 徐悦竹 崔环宇 《计算机工程与科学》 CSCD 北大核心 2024年第3期381-394,共14页
稀疏矩阵向量乘(SpMV)在线性系统的求解问题中具有重要意义,是科学计算和工程实践中的核心问题之一,其性能高度依赖于稀疏矩阵的非零分布。稀疏对角矩阵是一类特殊的稀疏矩阵,其非零元素按照对角线的形式密集排列。针对稀疏对角矩阵,在... 稀疏矩阵向量乘(SpMV)在线性系统的求解问题中具有重要意义,是科学计算和工程实践中的核心问题之一,其性能高度依赖于稀疏矩阵的非零分布。稀疏对角矩阵是一类特殊的稀疏矩阵,其非零元素按照对角线的形式密集排列。针对稀疏对角矩阵,在GPU平台上提出的多种存储格式虽然使SpMV性能有所提升,但仍存在零填充和负载不平衡的问题。针对上述问题,提出了一种DRM存储格式,利用基于固定阈值的矩阵划分策略和基于迭代归并的矩阵重构策略,实现了少量零填充和块间负载平衡。实验结果表明,在NVIDIA■ Tesla■ V100平台上,相比于DIA、HDC、HDIA和DIA-Adaptive格式,在时间性能方面,该存储格式分别取得了20.76,1.94,1.13和2.26倍加速;在浮点计算性能方面,分别提高了1.54,5.28,1.13和1.94倍。 展开更多
关键词 GPU spmv 稀疏对角矩阵 零填充 负载平衡
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SpMV计算的ARM和FPGA异构加速器设计
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作者 朱明达 薛济擎 艾纯瑶 《电讯技术》 北大核心 2024年第2期302-309,共8页
针对稀疏矩阵向量乘(Sparse Matrix-Vector Multiplication,SpMV)在边缘端实施效率不高的问题,以稀疏矩阵的存储格式、SpMV的现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)加速为研究对象,提出了一种多端口改进的行压缩存储格... 针对稀疏矩阵向量乘(Sparse Matrix-Vector Multiplication,SpMV)在边缘端实施效率不高的问题,以稀疏矩阵的存储格式、SpMV的现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)加速为研究对象,提出了一种多端口改进的行压缩存储格式(Modified Compressed Sparse Row Format,MCSR)与ARM+FPGA架构任务级数据级硬件优化相结合的加速方法。使用多个端口并行存取数据来提高计算并行度;使用数据流、循环流水实现循环间、循环内的并行加速;使用数组分割、流传输实现数据的细粒度并行缓存与计算;使用ARM+FPGA架构,ARM完成对系统的控制,将计算卸载到FPGA并行加速。实验结果表明,并行加速优化后的ARM+FPGA方案相较于单ARM方案最高可达10倍的加速效果,而且增加的资源消耗在可接受范围内,矩阵规模越大非零值越多加速效果越明显。研究成果在边缘端实施SpMV计算方面有一定实用价值。 展开更多
关键词 稀疏矩阵向量乘(spmv) 异构加速器 硬件加速
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HVMS:基于混合向量化的SpMV优化机制 被引量:1
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作者 颜志远 解壁伟 包云岗 《计算机研究与发展》 EI CSCD 北大核心 2024年第12期2969-2984,共16页
在科学计算和系统工程等领域,稀疏矩阵向量乘(sparse matrix-vector multiplication,SpMV)占据着极其重要的位置.受限于矩阵稀疏性所导致的访存不规则性,向量优化一直是SpMV的难点.针对此问题,进行深入分析并且总结影响SpMV向量化效率... 在科学计算和系统工程等领域,稀疏矩阵向量乘(sparse matrix-vector multiplication,SpMV)占据着极其重要的位置.受限于矩阵稀疏性所导致的访存不规则性,向量优化一直是SpMV的难点.针对此问题,进行深入分析并且总结影响SpMV向量化效率的主要因素.除却稀疏矩阵内非零元分布的不规则,不同稀疏矩阵之间的非零元分布特征亦有明显不同,导致单一的向量优化策略难以适用于多种不同特征的稀疏矩阵.另一方面,多样化向量硬件在向量特性和指令上的差异,影响了SpMV向量优化方法的通用性.把不规则的稀疏矩阵映射到规则的向量硬件上进行计算,是SpMV向量化面临的最主要挑战.基于此,提出一种基于混合向量化方法的SpMV优化机制(hybrid vectorization-optimized mechanism of SpMV,HVMS).HVMS首先对向量硬件的特性进行抽象建模,并基于抽象出的基本操作,设计相应的规则指导稀疏矩阵进行规则化转换.按照不同的矩阵特征,HVMS将稀疏矩阵划分为不同的部分,弱化稀疏矩阵的不规则程度,并引入不同的优化策略最大化SpMV的向量化效率,从而提升性能.基于Intel Xeon平台,在30个常用稀疏矩阵上对HVMS进行实验分析.结果表明,相比现有代表性工作如CVR,SELL-C-σ,Intel MKL,HVMS分别获得1.60倍、1.72倍和1.93倍的平均加速比. 展开更多
关键词 稀疏矩阵向量乘 向量优化 稀疏矩阵 SIMD 多核系统
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面向国产申威26010众核处理器的SpMV实现与优化 被引量:13
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作者 刘芳芳 杨超 +2 位作者 袁欣辉 吴长茂 敖玉龙 《软件学报》 EI CSCD 北大核心 2018年第12期3921-3932,共12页
世界首台峰值性能超过100P的超级计算机——神威太湖之光已经研制完成,该超级计算机采用了国产申威异构众核处理器,该处理器不同于现有的纯CPU,CPU-MIC,CPU-GPU架构,采用了主-从核架构,单处理器峰值计算能力为3TFlops/s,访存带宽为130GB... 世界首台峰值性能超过100P的超级计算机——神威太湖之光已经研制完成,该超级计算机采用了国产申威异构众核处理器,该处理器不同于现有的纯CPU,CPU-MIC,CPU-GPU架构,采用了主-从核架构,单处理器峰值计算能力为3TFlops/s,访存带宽为130GB/s.稀疏矩阵向量乘SpMV(sparse matrix-vector multiplication)是科学与工程计算中的一个非常重要的核心函数,众所周知,其是带宽受限型的,且存在间接访存操作.国产申威处理器给稀疏矩阵向量乘的高效实现带来了很大的挑战.针对申威处理器提出了一种CSR格式SpMV操作的通用异构众核并行算法,该算法从任务划分、LDM空间划分方面进行精细设计,提出了一套动静态buffer的缓存机制以提升向量x的访存命中率,提出了一套动静态的任务调度方法以实现负载均衡.另外还分析了该算法中影响SpMV性能的几个关键因素,并开展了自适应优化,进一步提升了性能.采用Matrix Market矩阵集中具有代表性的16个稀疏矩阵进行了测试,相比主核版最高有10倍左右的加速,平均加速比为6.51.通过采用主核版CSR格式SpMV的访存量进行分析,测试矩阵最高可达该处理器实测带宽的86%,平均可达到47%. 展开更多
关键词 稀疏矩阵向量乘 spmv 申威26010处理器 异构众核并行 自适应优化
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对角线稀疏矩阵的SpMV自适应性能优化 被引量:6
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作者 孙相征 张云泉 +2 位作者 王婷 李焱 袁良 《计算机研究与发展》 EI CSCD 北大核心 2013年第3期648-656,共9页
稀疏矩阵向量乘(SpMV)是科学计算中常用的内核之一,其运行速率跟非零元分布相关.针对对角线稀疏矩阵,提出了压缩行片段对角(compressed row segment diagonal,CRSD)存储格式.它利用"对角线格式"有效描述矩阵的对角线分布,区... 稀疏矩阵向量乘(SpMV)是科学计算中常用的内核之一,其运行速率跟非零元分布相关.针对对角线稀疏矩阵,提出了压缩行片段对角(compressed row segment diagonal,CRSD)存储格式.它利用"对角线格式"有效描述矩阵的对角线分布,区别于以往通用的计算方法,CRSD通过对给定应用的对角线稀疏矩阵采样再进行特定的优化.并且在软件安装阶段,通过自适应的方法选取适合具体运行平台的最优SpMV实现.在CPU端进行多线程并行化实现时,自适应调优过程中收集的信息还被用于线程间任务划分,以实现负载平衡.同时完成CRSD存储格式在GPU端的实现,并根据GPU端计算与访存的特点进行优化.实验结果表明:在Intel和AMD的多核平台使用相同线程数的情况下,与DIA相比,使用CRSD的加速比可以达到2.37X(平均1.7X);与CSR相比,可以达到4.6X(平均2.1X). 展开更多
关键词 CRSD 自适应性能优化spmv 对角线格式 对角线稀疏矩阵 GPU 科学应用
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RAM(h)模型下SpMV存储访问复杂度的分析
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作者 袁娥 张云泉 孙相征 《计算机工程与设计》 CSCD 北大核心 2009年第3期613-618,共6页
稀疏矩阵向量乘(SpMV)采取压缩行存储格式的算法性能非常差,而寄存器分块算法可以使得数据尽量在靠近处理器的存储层次中访问而提高性能。利用RAM(h)模型进行分析和比较不同算法形式的存储访问复杂度,可以比较两种算法的优劣。通过RAM(h... 稀疏矩阵向量乘(SpMV)采取压缩行存储格式的算法性能非常差,而寄存器分块算法可以使得数据尽量在靠近处理器的存储层次中访问而提高性能。利用RAM(h)模型进行分析和比较不同算法形式的存储访问复杂度,可以比较两种算法的优劣。通过RAM(h)分析SpMV两种实现形式的存储访问复杂度,同时在奔腾四平台上,测试了7个稀疏矩阵的SpMV性能,并统计了这两种算法中L1,L2,和TLB的缺失率,实验结果与模型分析的数据一致。 展开更多
关键词 spmv 稀疏矩阵向量乘 RAM(h)模型 存储访问复杂度
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面向异构计算平台的SpMV划分优化算法研究 被引量:2
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作者 谈兆年 计卫星 +3 位作者 Akrem Benatia 高建花 李安民 王一拙 《计算机工程与科学》 CSCD 北大核心 2019年第4期590-597,共8页
稀疏矩阵向量乘SpMV在科学计算和工程问题中有着广泛的应用。稀疏矩阵的非零元素分布会极大地影响SpMV的计算效率,针对不同的数据分布模式使用特定算法进行加速可以获得显著的性能提升。CPU的控制能力强,适用于通用计算,而GPU的计算核心... 稀疏矩阵向量乘SpMV在科学计算和工程问题中有着广泛的应用。稀疏矩阵的非零元素分布会极大地影响SpMV的计算效率,针对不同的数据分布模式使用特定算法进行加速可以获得显著的性能提升。CPU的控制能力强,适用于通用计算,而GPU的计算核心多,并行度高,适用于数据密集型计算。根据CPU和GPU的不同特点,充分发挥二者的优势,可以使SpMV获得更大的性能提升。研究CPU-GPU混合架构上SpMV的任务划分与优化方法,针对2种主要的稀疏矩阵数据分布模式:Quasi-diagonal和Tetris,提出了一种基于SVR的任务二次分配算法。研究的2种稀疏矩阵模式具有很好的代表性,在实际科学工程应用中占比达到66%。实验评测结果表明,采用本文的算法之后,与GPU相比,异构平台上Quasi-diagonal和Tetris的加速比平均值分别达到1.74×和2.15×。 展开更多
关键词 异构计算 矩阵划分 协同优化 SVR spmv
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基于HYB格式SpMV在新一代申威架构上的实现与优化 被引量:1
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作者 王鑫 彭健 《计算机工程与科学》 CSCD 北大核心 2023年第10期1754-1762,共9页
稀疏矩阵与稠密向量乘SpMV在高性能计算领域有着广泛的应用。稀疏矩阵因其非零元素分布的稀疏性和不规则性,使得运算的并行化较稠密矩阵难度更大。因此,稀疏矩阵向量乘法的性能优化一直都是高性能计算领域中的研究重点。基于稀疏矩阵的... 稀疏矩阵与稠密向量乘SpMV在高性能计算领域有着广泛的应用。稀疏矩阵因其非零元素分布的稀疏性和不规则性,使得运算的并行化较稠密矩阵难度更大。因此,稀疏矩阵向量乘法的性能优化一直都是高性能计算领域中的研究重点。基于稀疏矩阵的HYB存储格式,面向国产新一代申威异构众核处理器SW26010P,设计了一种并行SpMV算法及其性能优化方案。并针对HYB存储格式的阈值选取难点,提出了一种多次迭代最大类间方差的方法,以确定HYB格式的阈值。实验结果表明,相比主核上的串行算法,并行SpMV算法可以获得23.36的平均加速比和34.85的最高加速比。 展开更多
关键词 申威众核处理器 稀疏矩阵向量乘法 最大类间方差法 并行计算
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PELLR: A Permutated ELLPACK-R Format for SpMV on GPUs
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作者 Zhiqi Wang Tongxiang Gu 《Journal of Computer and Communications》 2020年第4期44-58,共15页
The sparse matrix vector multiplication (SpMV) is inevitable in almost all kinds of scientific computation, such as iterative methods for solving linear systems and eigenvalue problems. With the emergence and developm... The sparse matrix vector multiplication (SpMV) is inevitable in almost all kinds of scientific computation, such as iterative methods for solving linear systems and eigenvalue problems. With the emergence and development of Graphics Processing Units (GPUs), high efficient formats for SpMV should be constructed. The performance of SpMV is mainly determinted by the storage format for sparse matrix. Based on the idea of JAD format, this paper improved the ELLPACK-R format, reduced the waiting time between different threads in a warp, and the speed up achieved about 1.5 in our experimental results. Compared with other formats, such as CSR, ELL, BiELL and so on, our format performance of SpMV is optimal over 70 percent of the test matrix. We proposed a method based on parameters to analyze the performance impact on different formats. In addition, a formula was constructed to count the computation and the number of iterations. 展开更多
关键词 spmv GPU STORAGE FORMAT HIGH PERFORMANCE
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一种提高SpMV向量化性能的新型稀疏矩阵存储格式 被引量:4
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作者 刘芳芳 杨超 《数值计算与计算机应用》 CSCD 2014年第4期269-276,共8页
稀疏矩阵向量乘(SpMV)是科学与工程计算中一个重要的核心函数,但在当前基于存储器层次结构的计算平台上,传统CSR(Compressed Sparse Row)存储的稀疏矩阵向量乘性能较低,运行效率往往远低于硬件浮点峰值的10%.目前现有的处理器架构一般... 稀疏矩阵向量乘(SpMV)是科学与工程计算中一个重要的核心函数,但在当前基于存储器层次结构的计算平台上,传统CSR(Compressed Sparse Row)存储的稀疏矩阵向量乘性能较低,运行效率往往远低于硬件浮点峰值的10%.目前现有的处理器架构一般都采用SIMD向量化技术进行加速,但是传统CSR格式的稀疏矩阵向量乘由于访存的不规则性,不能直接采用向量化技术进行加速,为了利用SIMD技术,对具有局部性特征的稀疏矩阵,提出了新的稀疏矩阵存储格式CSRL(Compressed Sparse Row with Local information),该格式可以减少SpMV时内存访问次数,并且能够充分利用硬件的SIMD向量化技术进行读取和计算,提高了SpMV性能.实验表明,该方法相比国际著名商业库Intel MKL10.3版平均性能提升达到29.5%,最高可达89%的性能提升. 展开更多
关键词 稀疏矩阵 稀疏矩阵向量乘 向量化 局部性 CSRL
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Memory bandwidth optimization of SpMV on GPGPUs
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作者 Chenggang Clarence YAN Hui YU +5 位作者 Weizhi XU Yingping ZHANG Bochuan CHEN Zhu TIAN Yuxuan WANG Jian YIN 《Frontiers of Computer Science》 SCIE EI CSCD 2015年第3期431-441,共11页
It is an important task to improve performance for sparse matrix vector multiplication (SpMV), and it is a difficult task because of its irregular memory access. Gen- eral purpose GPU (GPGPU) provides high computi... It is an important task to improve performance for sparse matrix vector multiplication (SpMV), and it is a difficult task because of its irregular memory access. Gen- eral purpose GPU (GPGPU) provides high computing abil- ity and substantial bandwidth that cannot be fully exploited by SpMV due to its irregularity. In this paper, we propose two novel methods to optimize the memory bandwidth for SpMV on GPGPU. First, a new storage format is proposed to exploit memory bandwidth of GPU architecture more effi- ciently. The new storage format can ensure that there are as many non-zeros as possible in the format which is suitable to exploit the memory bandwidth of the GPU. Second, we pro- pose a cache blocking method to improve the performance of SpMV on GPU architecture. The sparse matrix is partitioned into sub-blocks that are stored in CSR format. With the block- ing method, the corresponding part of vector x can be reused in the GPU cache, so the time to access the global memory for vector x is reduced heavily. Experiments are carried out on three GPU platforms, GeForce 9800 GX2, GeForce GTX 480, and Tesla K40. Experimental results show that both new methods can efficiently improve the utilization of GPU mem- ory bandwidth and the performance of the GPU. 展开更多
关键词 GPGPU performance tuning spmv cacheblocking memory bandwidth
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一种针对GPU上的油藏数值模拟的高效SpMV 被引量:2
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作者 李政 冯春生 张晨松 《数值计算与计算机应用》 CSCD 2016年第4期315-324,共10页
油藏数值模拟和很多其他科学计算问题一样需要求解大型稀疏线性代数方程组.在求解稀疏线性代数方程组的迭代法中,稀疏矩阵向量乘法(SpMV)是影响计算效率的核心函数之一.随着计算机硬件架构异构化,科学计算从单核、多核CPU计算架构逐渐... 油藏数值模拟和很多其他科学计算问题一样需要求解大型稀疏线性代数方程组.在求解稀疏线性代数方程组的迭代法中,稀疏矩阵向量乘法(SpMV)是影响计算效率的核心函数之一.随着计算机硬件架构异构化,科学计算从单核、多核CPU计算架构逐渐发展到多核CPU+众核加速卡(GPU卡或MIC等)的计算架构.SpMV的实现效率与稀疏矩阵的存储格式及硬件架构关系密切.本文针对油藏模拟中常见的Jacobian矩阵的稀疏模式,利用GPU核心的合并访问和并发计算等特点,结合油藏模拟线性解法器的算法要求,设计了一种BHYB矩阵存储格式及其对应的线程组并行策略.数值实验测得基于该存储格式的SpMV相对串行BCSR格式的SpMV的加速比可达19倍,比cuSPARSE库中效率最高的HYB格式的SpMV快30%到80%.此外,本文所提出的BHYB存储格式对块状矩阵在GPU上的存储以及线程组并行策略对其它GPU并行程序中内核函数的设计和优化能起到一定的借鉴作用. 展开更多
关键词 稀疏矩阵向量乘法 GPU BHYB 线程组并行策略
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稀疏矩阵在C66x上的应用及优化
15
作者 黄旭东 洪泽 陈振娇 《电子技术应用》 2024年第11期23-27,共5页
随着大数据的爆炸式发展,稀疏矩阵已经成为机器学习和边缘计算的重要一环。在机器学习领域,数据集的稀疏矩阵化既可以保存信息又可以节省内存,已成为不可避免的趋势。SpMV(稀疏矩阵向量乘)作为稀疏矩阵计算中的核心,其迭代求解过程的空... 随着大数据的爆炸式发展,稀疏矩阵已经成为机器学习和边缘计算的重要一环。在机器学习领域,数据集的稀疏矩阵化既可以保存信息又可以节省内存,已成为不可避免的趋势。SpMV(稀疏矩阵向量乘)作为稀疏矩阵计算中的核心,其迭代求解过程的空间复杂度和时间复杂度具有重要研究意义。分析稀疏矩阵C00、CSR、ELLPACK和DIA压缩格式,改变稀疏矩阵的稀疏度和非零元素的分布,得出COO读取数据、CSR进行计算的SpMV通用性更强。利用C66x的VLIW指令构架,采用软件流水的方式对SpMV_CSR算法进行指令并行优化,利用SIMD单指令多数据指令集对SpMV_CSR算法完成数据并行优化。实验结果表明,优化后的SpMV_CSR算法相较于优化前的加速比平均达到5倍以上。 展开更多
关键词 稀疏矩阵 spmv CSR C66x 软件流水 SIMD
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高性能稀疏矩阵向量乘的程序设计综述
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作者 杜臻 谭光明 孙凝晖 《高技术通讯》 CAS 北大核心 2024年第8期807-823,共17页
稀疏矩阵向量乘(SpMV)广泛应用于科学计算、图计算、数据分析等领域,是自现代计算机诞生以来经久不衰且挑战依旧的研究热点。本文系统回顾了20世纪70年代以来稀疏矩阵向量乘程序设计的发展脉络和各阶段的代表性工作;分析比较了这一领域... 稀疏矩阵向量乘(SpMV)广泛应用于科学计算、图计算、数据分析等领域,是自现代计算机诞生以来经久不衰且挑战依旧的研究热点。本文系统回顾了20世纪70年代以来稀疏矩阵向量乘程序设计的发展脉络和各阶段的代表性工作;分析比较了这一领域4条技术路线,即人工程序设计、自动调优器、稀疏编译器和自动程序设计器,在当今的流行方法;并在此基础上对高性能稀疏矩阵向量乘程序设计的研究趋势做出预测,力图给学习者和研究者带来有益的知识与启示。 展开更多
关键词 稀疏矩阵向量乘(spmv) 稀疏矩阵格式 自动调优 稀疏编译器 高性能计算 并行算法
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基于异构平台的稀疏矩阵向量乘自适应计算优化 被引量:1
17
作者 李博 黄建强 +1 位作者 黄东强 王晓英 《计算机应用》 CSCD 北大核心 2024年第12期3867-3875,共9页
稀疏矩阵向量乘(SpMV)是一种重要的数值线性代数运算,现有的优化存在预处理及通信时间考虑不全面、存储结构不具有普适性等问题。为了解决这些问题,提出异构平台下SpMV的自适应优化方案。所提方案利用皮尔逊相关系数确定相关度高的特征... 稀疏矩阵向量乘(SpMV)是一种重要的数值线性代数运算,现有的优化存在预处理及通信时间考虑不全面、存储结构不具有普适性等问题。为了解决这些问题,提出异构平台下SpMV的自适应优化方案。所提方案利用皮尔逊相关系数确定相关度高的特征参数,并使用基于梯度提升决策树(GBDT)的极端梯度提升(XGBoost)和轻量级梯度提升(LightGBM)算法训练预测模型,以确定某一稀疏矩阵更优的存储格式。利用网格搜索确定模型训练时更优的模型超参数,使这2种算法选择更适合的存储结构的准确率都超过85%。此外,对于预测存储结构为混合(HYB)格式的稀疏矩阵,在GPU和CPU上分别计算其中的等长列(ELL)与坐标(COO)存储格式部分,建立基于CPU+GPU的并行混合计算模式;同时为小数据量的稀疏矩阵选择硬件平台,提高运算速度。实验结果表明,自适应计算优化相较于cuSPARSE库中的压缩稀疏行(CSR)存储格式计算的平均加速比可以达到1.4,相较于按照HYB和ELL存储格式计算的平均加速比则可以分别达到2.1和2.6。 展开更多
关键词 稀疏矩阵向量乘 自适应优化 皮尔逊相关系数 极端梯度提升 轻量级梯度提升机器学习
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基于GPU的稀疏矩阵压缩存储格式研究 被引量:1
18
作者 陈闽昊 边浩东 《电子技术应用》 2024年第11期1-8,共8页
稀疏矩阵向量乘法(Sparse Matrix-Vector Multiplication,SpMV)是矩阵数值计算领域重要的线性代数子程序。通过对SpMV算法的负载均衡以及访存频度这两个关键性能瓶颈的研究,提出了一种VCSR(Vectorized Com‐pressed Sparse Row)稀疏矩... 稀疏矩阵向量乘法(Sparse Matrix-Vector Multiplication,SpMV)是矩阵数值计算领域重要的线性代数子程序。通过对SpMV算法的负载均衡以及访存频度这两个关键性能瓶颈的研究,提出了一种VCSR(Vectorized Com‐pressed Sparse Row)稀疏矩阵压缩存储格式。该格式根据各行非零元素分布的统计特性调整各个线程的数据负载来防止线程发散的问题,并且基于快速分段求和的策略以及使用矢量化的方法来提高SpMV流程的计算性能。通过使用佛罗里达大学的稀疏矩阵作为测试集,在GPU上进行性能测试,获得了相较CSR5(Compressed Sparse Row 5)格式平均10%到30%,最高50%的性能提升。 展开更多
关键词 稀疏矩阵向量乘 负载均衡 存储格式 分段求和 浮点运算 矢量化 图形处理器
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选择稀疏矩阵乘法最优存储格式的研究 被引量:11
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作者 李佳佳 张秀霞 +1 位作者 谭光明 陈明宇 《计算机研究与发展》 EI CSCD 北大核心 2014年第4期882-894,共13页
稀疏矩阵向量乘法(sparse matrix vector multiplication,SpMV)是科学和工程领域中重要的核心子程序之一,也是稀疏基本线性代数子程序(basic linear algebra subprograms,BLAS)库的重要函数.目前很多SpMV的优化工作在不同程度上获... 稀疏矩阵向量乘法(sparse matrix vector multiplication,SpMV)是科学和工程领域中重要的核心子程序之一,也是稀疏基本线性代数子程序(basic linear algebra subprograms,BLAS)库的重要函数.目前很多SpMV的优化工作在不同程度上获得了性能提升,但大多数优化工作针对特定存储格式或一类具有特定特征的稀疏矩阵缺乏通用性,因此高性能的SpMV实现并没有广泛地应用于实际应用和数值解法器中.另外,稀疏矩阵具有众多存储格式,不同存储格式的SpMV存在较大性能差异.根据以上现象,提出一个SpMV的自动调优器(SpMV auto-tuner,SMAT).对于一个给定的稀疏矩阵,SMAT结合矩阵特征选择并返回其最优的存储格式,应用程序通过调用SMAT来得到合适的存储格式,从而获得性能提升,同时随着SMAT中存储格式的扩展,更多的SpMV优化工作可以将性能优势在实际应用中发挥作用.使用佛罗里达大学的2 366个稀疏矩阵作为测试集,在Intel上SMAT分别获得9.11GFLOPS(单精度)和2.44GFLOPS(双精度)的最高浮点性能,在AMD平台上获得了3.36GFLOPS(单精度)和1.52GFLOPS(双精度)的最高浮点性能.相比Intel的核心数学函数库(math kernel library,MKL)数学库,SMAT平均获得1.4~1.5倍的性能提升. 展开更多
关键词 spmv 自动调优 数值解法器 稀疏矩阵 SpBLAS
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基于GPU对角稀疏矩阵向量乘法的动态划分算法
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作者 涂进兴 李志雄 黄建强 《计算机应用》 CSCD 北大核心 2024年第11期3521-3529,共9页
在图形处理器(GPU)上实现对角稀疏矩阵向量乘法(SpMV)可以充分利用GPU的并行计算能力,并加速矩阵向量乘法;然而,相关主流算法存在零元填充数据多、计算效率低的问题。针对上述问题,提出一种对角SpMV算法DIA-Dynamic(DIAgonal-Dynamic)... 在图形处理器(GPU)上实现对角稀疏矩阵向量乘法(SpMV)可以充分利用GPU的并行计算能力,并加速矩阵向量乘法;然而,相关主流算法存在零元填充数据多、计算效率低的问题。针对上述问题,提出一种对角SpMV算法DIA-Dynamic(DIAgonal-Dynamic)。首先,设计一种全新的动态划分策略,根据矩阵的不同特征进行分块,在保证GPU高计算效率的同时大幅减少零元填充,去除冗余计算量;其次,提出一种对角稀疏矩阵存储格式BDIA(Block DIAgonal)存储分块数据,并调整数据布局,提高GPU上的访存性能;最后,基于GPU的底层进行条件分支优化,以减少分支判断,并使用动态共享内存解决向量的不规则访问问题。DIA-Dynamic与前沿Tile SpMV算法相比,平均加速比达到了1.88;与前沿BRCSD(Diagonal Compressed Storage based on Row-Blocks)-Ⅱ算法相比,平均零元填充减少了43%,平均加速比达到了1.70。实验结果表明,DIA-Dynamic能够有效提高GPU上对角SpMV的计算效率,缩短计算时间,提升程序性能。 展开更多
关键词 图形处理器 对角稀疏矩阵 稀疏矩阵向量乘法 动态划分 共享内存
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