经典并行与量子并行：提升并挖掘计算系统的潜在性能9787111750826
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作者刘宇航 著
出版社机械工业出版社
ISBN9787111750826
出版时间2023-02
装帧平装
开本16开
定价129元
货号17727500
上书时间2024-12-24
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目录
推荐序一 推荐序二 前言 第1章 计算概念的谱系 1.1 引言/ 2 1.2 计算概念谱系化的意义/ 3 1.3 计算概念的谱系/ 4 1.3.1 算势/ 5 1.3.2 算力/ 7 1.3.3 算术/ 10 1.3.4 算法/ 11 1.3.5 算礼/ 13 1.4 计算概念谱系组分的相互关系/ 14 1.5 从场的角度认识算势与算力的异同/ 16 1.6 证明与计算之间的关系/ 20 1.7 本章小结/ 23 1.8 思考题/ 23 参考文献/ 23 第2章 并行处理的意义及挑战 2.1 引言/ 26 2.2 并行计算机与应用和工艺的关系/ 26 2.3 并行处理的普遍性/ 28 2.4 多核微处理器技术/ 31 2.5 并行处理需要应对的挑战/ 35 2.6 并行处理的学科任务/ 40 2.7 本章小结/ 41 2.8 思考题/ 41 参考文献/ 41 第3章 并行处理的一般原理 3.1 引言/ 44 3.2 冯·诺依曼结构/ 44 3.3 通过实例说明指令级并行与数据依赖/ 47 3.4 通过实例说明线程级并行/ 49 3.5 延迟隐藏和延迟减少/ 55 3.6 并行处理技术的图形化表示/ 60 3.7 费林分类法/ 63 3.8 指令级并行/ 65 3.8.1 流水线技术/ 65 3.8.2 指令的动态调度/ 65 3.8.3 多发射技术/ 66 3.9 并行计算机系统的分类/ 67 3.9.1 向量计算机/ 67 3.9.2 多处理机/ 68 3.9.3 多主机/ 68 3.9.4 大规模并行处理计算机/ 68 3.10 并行结构的类型/ 69 3.10.1 单处理器的并行结构/ 69 3.10.2 多处理器的并行结构/ 69 3.10.3 处理机结构创新的历史/ 70 3.10.4 多核共享内存模型/ 73 3.10.5 多核消息传递模型/ 76 3.11 本章小结/ 80 3.12 思考题/ 81 参考文献/ 81 第4章 计算性能模型和存储性能模型 4.1 引言/ 84 4.2 并行执行时间效率模型/ 85 4.3 可扩展定律/ 103 4.3.1 阿姆达尔定律/ 103 4.3.2 古斯塔夫森-巴西斯定律/ 104 4.3.3 存储受限的扩展定律（孙-倪定律）/ 106 4.4 并行计算模型/ 112 4.4.1 PRAM模型/ 112 4.4.2 BSP模型/ 114 4.4.3 LogP模型/ 117 4.5 程序性能指标/ 120 4.5.1 单道程序工作负载的性能指标/ 120 4.5.2 多道程序工作负载的性能指标/ 122 4.6 存储系统的性能指标/ 123 4.6.1 平均存储访问时间/ 123 4.6.2 存储延迟与存储带宽/ 124 4.6.3 单位时钟周期完成的存储访问数量/ 126 4.6.4 并发平均存储访问时间/ 127 4.6.5 存储级并行性/ 130 4.6.6 并发感知的局部性/ 131 4.7 基准测试/ 133 4.7.1 基准测试的定义和分类/ 133 4.7.2 基准测试运行的规范/ 134 4.7.3 基准测试程序组的要求/ 134 4.7.4 基准测试的开发者/ 135 4.7.5 性能测试结果的总结/ 136 4.8 性能评估方式/ 136 4.8.1 Roofline模型/ 136 4.8.2 模拟器/ 151 4.8.3 需要避免的4个陷阱/ 160 4.9 本章小结/ 161 4.10 思考题/ 161 参考文献/ 161 第5章 共享存储结构与编程 5.1 引言/ 164 5.2 共享存储体系结构的类型/ 165 5.3 并行编程模型/ 168 5.3.1 抽象与实现的区别及其实例/ 168 5.3.2 通信与协作/ 176 5.3.3 通信层面三种并行编程模型的特点/ 187 5.3.4 混合编程模型/ 188 5.4 并行处理的流程/ 189 5.4.1 思路和实例/ 189 5.4.2 问题分解/ 193 5.4.3 任务分配/ 193 5.4.4 协调/ 194 5.4.5 进程映射/ 194 5.5 并行编程优化/ 205 5.5.1 静态分配与动态分配/ 206 5.5.2 延迟与带宽/ 214 5.5.3 内在通信与人为通信/ 217 5.6 减少通信的技术/ 221 5.6.1 利用时间局部性/ 221 5.6.2 利用空间局部性/ 222 5.7 共享内存体系结构/ 228 5.8 共享内存体系结构编程——OpenMP/ 242 5.9 实验——OpenMP/ 274 5.9.1 实验——OpenMP求sinx/ 274 5.9.2 实验——OpenMP求π值/ 278 5.9.3 实验——OpenMP求斐波那契数列第n项/ 283 5.9.4 实验——Gauss-Seidel迭代算法的并行实现及其优化/ 291 5.10 本章小结/ 296 5.11 思考题/ 296 参考文献/ 296 第6章 分布式存储结构与编程 6.1 引言/ 300 6.2 向量处理机体系结构/ 300 6.2.1 结构特点/ 300 6.2.2 性能分析/ 305 6.2.3 向量指令并行/ 307 6.2.4 向量链/ 307 6.2.5 向量分解strip-mining技术/ 308 6.2.6 向量条件执行/ 308 6.2.7 压缩/展开操作/ 309 6.2.8 向量归约/ 310 6.2.9 存储访问/ 311 6.2.10 分散和聚集/ 312 6.3 SIMD编程/ 327 6.3.1 SIMD简介/ 327 6.3.2 实现向量化的几种方法/ 327 6.3.3 向量化编译指令/ 328 6.3.4 向量化过程中的主要挑战/ 330 6.3.5 编译器向量化方式/ 335 6.3.6 循环变换/ 339 6.3.7 数据地址对齐/ 341 6.3.8 别名/ 341 6.3.9 条件语句/ 342 6.3.10 原生SIMD支持/ 342 6.4 CUDA编程/ 343 6.4.1 异构计算的定义/ 344 6.4.2 CUDA/ 345 6.4.3 GPU的并发控制/ 346 6.4.4 GPU的内存管理/ 347 6.4.5 SIMT/ 348 6.4.6 CUDA编程/ 349 6.4.7 CUDA与GPU硬件之间的映射/ 355 6.4.8 深流水线设计/ 356 6.4.9 GPU内存/ 356 6.4.10 GPU并发策略/ 358 6.4.11 库函数介绍/ 358 6.5 MPI编程/ 363 6.5.1 MPI在编程模型内的分类定位/ 363 6.5.2 信息交互模型与通信方式/ 364 6.5.3 MPI基本函数/ 367 6.5.4 MPI程序执行（以C on linux为例）/ 370 6.5.5 MPI集群通信函数/ 370 6.6 实验——编写MPI并行程序/ 379 6.6.1 编写MPI程序并行计算平均值/ 379 6.6.2 编写MPI程序并行计算矩阵向量乘法/ 381 6.6.3 编写MPI程序并行计算圆周率/ 383 6.7 实验——基于CUDA并发的矩阵乘法/ 386 6.8 本章小结/ 391 6.9 思考题/ 392 第7章 并行计算机系统的互连网络 7.1 引言/ 394 7.2 互连网络的基本概念/ 394 7.2.1 互连网络分层架构/ 394 7.2.2 互连网络相关参数/ 395 7.3 互连网络物理层/ 397 7.3.1 消息结构/ 397 7.3.2 物理层流控制/ 397 7.4 互连网络交换层/ 398 7.4.1 互连网络交换层功能与架构/ 398 7.4.2 互连网络交换层技术/ 399 7.5 互连网络路由层/ 402 7.5.1 互连网络拓扑结构/ 402 7.5.2 互连网络路由方式/ 409 7.5.3 路由协议结构/ 410 7.5.4 蝴蝶形拓扑结构路由算法/ 411 7.5.5 维序路由算法/ 412 7.5.6 死锁问题/ 413 7.6 互连网络软件层/ 415 7.6.1 互连网络软件层架构/ 415 7.6.2 性能分析/ 417 7.7 本章小结/ 418 7.8 思考题/ 419 第8章 并行计算机系统的资源调度 8.1 引言/ 422 8.2 相关工作/ 425 8.2.1 延迟敏感型应用延迟测量与建模/ 426 8.2.2 数据中心干扰的测度方法/ 427 8.2.3 资源管理使能技术/ 427 8.2.4 资源调度策略/ 429 8.3 延迟敏感型应用分析与建模/ 432 8.3.1 延迟敏感型应用概述/ 433 8.3.2 延迟敏感型应用延迟的组成及影响因素/ 435 8.3.3 平均延迟与尾延迟的关系/ 436 8.3.4 Littles law的尾延迟形式/ 441 8.4 数据中心干扰的测度/ 444 8.4.1 信息熵与系统熵/ 445 8.4.2 场景1：仅存在延迟敏感型应用时/ 445 8.4.3 场景2：仅存在尽力交付型应用时/ 446 8.4.4 场景3：延迟敏感型和尽力交付型应用混合运行时/ 447 8.4.5 系统熵的优点/ 447 8.5 资源调度策略/ 449 8.5.1 调度方法/ 450 8.5.2 实验验证/ 453 8.6 本章小结/ 459 8.7 思考题/ 460 参考文献/ 460 第9章 并行输入输出 9.1 引言/ 468 9.2 I/O软件栈/ 468 9.3 并行文件系统/ 469 9.4 常见并行文件系统/ 475 9.4.1 并行虚拟文件系统PVFS/ 475 9.4.2 通用并行文件系统GPFS/ 478 9.4.3 集群文件系统Lustre/ 479 9.5 POSIX/ 482 9.6 MPI-I/O/ 483 9.6.1 MPI-I/O的特性/ 483 9.6.2 MPI-I/O示例/ 485 9.6.3 MPI-I/O的底层读写优化/ 487 9.7 PnetCDF/ 490 9.8 本章小结/ 495 9.9 思考题/ 496 参考文献/ 496 第10章 高速缓存一致性、同步和事务性内存 10.1 引言/ 498 10.2 高速缓存一致性/ 498 10.2.1 基于总线的一致性协议/ 500 10.2.2 基于目录的一致性协议/ 502 10.3 目录结构/ 503 10.3.1 全映射位向量目录/ 503 10.3.2 有限指针目录/ 504 10.3.3 链式目录/ 505 10.3.4 粗糙向量目录/ 506 10.3.5 树形压缩向量目录/ 506 10.3.6 单级混合目录/ 507 10.3.7 多级目录/ 508 10.4 实现高速缓存一致的典型系统/ 511 10.4.1 Dash/ 511 10.4.2 Origin 2000/ 512 10.4.3 Alewife/ 513 10.4.4
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