Đánh giá hiệu năng một số thuật toán tìm kiếm sử dụng MPI

Trong suốt nhiều thập kỉ qua, những tiến bộ về Khoa học và Công nghệ đã mang đến những thay đổi lớn trên nhiều lĩnh vực và đóng góp một tầm ảnh hưởng vô cùng quan trọng tới mọi mặt đời sống của con người. Một trong những tiến bộ đó có thể nói tới đó là việc các thiết bị phần cứng ngày nay đang trở nên hoàn hảo và đáp ứng được khả năng tính toán mạnh mẽ trước những yêu cầu phức tạp mà con người đề ra. Tính toán hiệu năng cao (High Performance Computing HPC) trên cơ sở các hệ thống siêu máy tính là một trong những thành phần cốt lõi trong sự phát triển đó và nó đã đánh dấu cho sự thay đổi trong bước chuyển hóa về nghiên cứu dựa trên những công cụ tính toán lớn. HPC được coi là một siêu máy tính tập hợp bởi nhiều máy chủ với sự kết hợp về sức mạnh tính toán giúp hiệu năng có sự vượt trội hơn rất nhiều so với một chiếc máy tính truyền thống. Hệ thống HPC đóng một vai trò quan trọng trong đẩy nhanh tốc độ xử lý, đặc biệt với các bài toán trên tập dữ liệu lớn, đa chiều, sử dụng các thuật toán phức tạp. Chính vì vậy, nhóm chúng em quyết định lựa chọn đề tài “Đánh giá hiệu năng một số thuật toán tìm kiếm sử dụng MPI” này để tìm hiểu, khảo sát và nghiên cứu từ đó có được một cái nhìn toàn diện, kiến thức và sự hiểu biết về tính toán hiệu năng cao đã và đang phát triển mạnh mẽ hiện nay đồng thời tìm và đưa ra những kỳ vọng tương lai giúp cho các hệ thống phát triển và có những hướng đi mới toàn diện hơn nữa.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN ======***====== BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN HỌC PHẦN: TÍNH TỐN HIỆU NĂNG CAO Đánh giá hiệu số thuật tốn tìm kiếm sử dụng MPI GVHD: Nhóm - Lớp: Thành viên: TS HÀ MẠNH ĐÀO - 20231IT6069001 Đỗ Huy Hoàng - 2021600158 Nguyễn Văn Hoàng - 2021604232 Trần Thị Trà Mi - 2021602647 Hà Nội – 2023 LỜI NÓI ĐẦU Trong suốt nhiều thập kỉ qua, tiến Khoa học Công nghệ mang đến thay đổi lớn nhiều lĩnh vực đóng góp tầm ảnh hưởng vơ quan trọng tới mặt đời sống người Một tiến nói tới việc thiết bị phần cứng ngày trở nên hoàn hảo đáp ứng khả tính tốn mạnh mẽ trước u cầu phức tạp mà người đề Tính tốn hiệu cao (High Performance Computing - HPC) sở hệ thống siêu máy tính thành phần cốt lõi phát triển đánh dấu cho thay đổi bước chuyển hóa nghiên cứu dựa cơng cụ tính tốn lớn HPC coi siêu máy tính tập hợp nhiều máy chủ với kết hợp sức mạnh tính tốn giúp hiệu có vượt trội nhiều so với máy tính truyền thống Hệ thống HPC đóng vai trị quan trọng đẩy nhanh tốc độ xử lý, đặc biệt với toán tập liệu lớn, đa chiều, sử dụng thuật tốn phức tạp Chính vậy, nhóm chúng em định lựa chọn đề tài “Đánh giá hiệu số thuật tốn tìm kiếm sử dụng MPI” để tìm hiểu, khảo sát nghiên cứu từ có nhìn tồn diện, kiến thức hiểu biết tính toán hiệu cao phát triển mạnh mẽ đồng thời tìm đưa kỳ vọng tương lai giúp cho hệ thống phát triển có hướng tồn diện MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU .1 DANH MỤC HÌNH ẢNH DANH MỤC BẢNG BIỂU CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU KIẾN THỨC CƠ SỞ LIÊN QUAN .5 1.1 Giới thiệu tính tốn hiệu cao 1.1.1 Tính tốn hiệu cao gì? 1.1.2 Cách hoạt động tính tốn hiệu cao 1.1.3 Tính tốn song song gì? 1.1.4 Mơ hình máy tính song song 11 1.1.5 Nguyên lý thiết kế giải thuật song song .14 1.1.6 Giới thiệu thư viện MPI 15 1.2 Giới thiệu thuật tốn tìm kiếm 18 1.2.1 Định nghĩa 18 1.2.2 Nguyên lý hoạt động 18 1.2.3 Phân tích độ phức tạp thuật tốn 18 CHƯƠNG 2: MÔ TẢ CHI TIẾT BÀI TOÁN 20 2.1 Giới thiệu toán .20 2.2 Cài đặt môi trường MPI 20 2.3 Các thuật tốn tìm kiếm 21 2.3.1 Thuật tốn tìm kiếm tuyến tính sử dụng MPI .21 2.3.2 Thuật tốn tìm kiếm nhị phân sử dụng MPI .23 2.3.3 Thuật tốn tìm nhảy với MPI .26 2.4 Đánh giá hiệu 29 2.5 Đánh giá theo lý thuyết .29 2.6 Đánh giá theo thực tế 29 2.7 Biểu đồ nhận xét 30 CHƯƠNG 3: TỔNG KẾT 33 TÀI LIỆU THAM KHẢO 34 DANH MỤC HÌNH Ả Hình 1 Mơ hình tính tốn hiệu cao .6 Hình Ví dụ chung tính toán song song Hình Ví dụ tính tốn song song xử lý bảng lương Hình Chip Điện toán BG/Q IBM với 18 lõi (PU) 16 đơn vị Bộ đệm L2 (L2) 10 Hình Kết nối mạng 10 Hình Ví dụ cụm máy tính song song 11 Hình Danh sách nhà phát triển máy tính song song 11 Hình Mơ hình kiến trúc máy SISD 12 Hình Mơ hình kiến trúc máy SIMD .13 Hình 10 Mơ hình kiến trúc máy MISD .14 Hình 11 Mơ hình kiến trúc máy MIMD 15 Hình 12 Hệ thống nhớ phân tán 17 Hình 13 Hệ thống nhớ chia sẻ 18 Hình 14 Cấu trúc chương trình MPI .19Y Hình Màn hình kết chạy thuật tốn tìm kiếm tuyến tính 24 Hình 2 Màn hình kết chạy thuật tốn tìm kiếm nhị phân 27 Hình Màn hình kết chạy thuật tốn tìm kiếm nhảy 29 Hình Biểu đồ so sánh thời gian chạy thuật tốn tìm kiếm tuyến tính32 Hình Biểu đồ so sánh thời gian chạy thuật tốn tìm kiếm nhảy 32 Hình Biểu đồ so sánh thời gian chạy thuật tốn tìm kiếm nhị phân .33 DANH MỤC BẢNG BIỂ Bảng Bảng so sánh tìm kiếm tìm kiếm song song 31 Bảng 2 Bảng đánh giá hiệu thuật toán song song với N = 10,000,000 .32 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU KIẾN THỨC CƠ SỞ LIÊN QUAN 1.1 Giới thiệu tính tốn hiệu cao 1.1.1 Tính tốn hiệu cao gì? Là trình kết hợp sức mạnh tính tốn nhiều máy tính nhằm mang lại hiệu suất cao nhiều so với máy tính thông thường để giải vấn đề nghiên cứu khoa học, xử lý tính tốn vơ phức tạp HPC viết tắt High Performance Computing (tính tốn hiệu cao), biết rộng rãi với cụm từ Supercomputer (siêu máy tính) Mơ hình hệ thống tính toán hiệu cao hệ thống máy tính có kết nối với qua mạng internet siêu máy tính thiết kế để giải toán lớn với tốc độ cao Hiệu HPC tính FLOPS Tính tốn hiệu cao thường sử dụng số vấn đề lớn giới khoa học, kĩ thuật, tài chính, mơi trường … Hình 1 Mơ hình tính tốn hiệu cao 1.1.2 Cách hoạt động tính tốn hiệu cao Một hệ thống tính tốn hiệu cao hoạt động cách nút (nodes) máy tính đơn lẻ hoạt động cụm (nhóm) kết nối với để thực lượng lớn tính tốn thời gian ngắn Các máy tính (nodes) kết nối với qua mạng Internet để trao đổi liệu Hệ thống HPC bao gồm ba phần:  Compute (máy tính)  Network (mạng)  Storage (lưu trữ) Các máy chủ tính tốn nhóm lại với để tạo thành kiến trúc máy tính hiệu suất cao Trên máy chủ cụm, chương trình phần mềm thuật tốn chạy đồng thời Các nhóm liệu nối mạng với để thu kết đầu Các thành phần hoạt động song song với để hồn thành loạt nhiệm vụ Vì HPC quan trọng: Tính tốn hiệu cao (HPC) phần quan trọng hoạt động nghiên cứu đổi công nghiệp nhiều thập kỉ qua HPC giúp nhà kỹ sư, khoa học liệu, nhà thiết kế nhà nghiên cứu giải vấn đề lớn, phức tạp thời gian ngắn chi phí thấp so với điện tốn truyền thống Các lợi ích to lớn HPC: ● Giảm kiểm tra vật lý: HPC sử dụng để tạo mô phỏng, loại bỏ nhu cầu kiểm tra vật lý Ví dụ, thử nghiệm vụ tai nạn tơ, việc tạo mơ dễ dàng tốn nhiều so với thực thử nghiệm va chạm ● Tốc độ: Với CPU, xử lý đồ họa (GPU) kết cấu mạng có độ trễ thấp truy cập nhớ trực tiếp từ xa (RDMA), kết hợp với thiết bị lưu trữ khối cục tồn flash, HPC thực phép tính lớn vài phút thay tuần tháng chí vài năm với sức mạnh máy tính bình thường ● Chi phí: Ít lãng phí thời gian tiền bạc Ngoài ra, với HPC dựa đám mây, doanh nghiệp nhỏ công ty thành lập đủ khả để chạy khối lượng cơng việc HPC, trả tiền cho họ sử dụng mở rộng quy mô cần ● Cải tiến: HPC thúc đẩy đổi hầu hết ngành - động lực đằng sau khám phá khoa học đột phá giúp cải thiện chất lượng sống cho người khắp giới ● Hiệu suất: Hệ thống HPC vượt trội nhiều so với PC trung bình hiệu suất Một tổ chức có quyền truy cập vào HPC vượt trội đối thủ cạnh tranh đơn giản nhiệm vụ hồn thành hiệu giá trị trích xuất từ liệu có sẵn Các sản phẩm quy trình có hội thành công cao nhiều mô chạy hệ thống HPC trình phát triển 1.1.3 Tính tốn song song gì? Theo nghĩa đơn giản nhất, tính tốn song song việc sử dụng đồng thời nhiều tài ngun tính tốn để giải vấn đề tính tốn: ● Một vấn đề chia thành phần riêng biệt giải đồng thời ● Mỗi phần chia nhỏ thành loạt hướng dẫn ● Các hướng dẫn từ phần thực thi đồng thời xử lý khác ● Một chế kiểm soát/phối hợp tổng thể sử dụng Hình Ví dụ chung tính tốn song song Hình Ví dụ tính tốn song song xử lý bảng lương Vấn đề tính tốn có thể: ● Chia nhỏ cơng việc rời rạc để giải đồng thời ● Thực nhiều hướng dẫn chương trình lúc ● Được giải thời gian ngắn với nhiều tài nguyên điện toán so với tài nguyên điện toán Các tài nguyên tính tốn thường là: ● Một máy tính có nhiều xử lý/lõi ● Một số lượng tùy ý máy tính kết nối mạng Máy tính song song: Hầu tất máy tính độc lập ngày song song từ góc độ phần cứng: ● Nhiều đơn vị chức (bộ đệm L1, đệm L2, nhánh, tìm nạp trước, giải mã, dấu phẩy động, xử lý đồ họa (GPU), số nguyên, ) ● Nhiều đơn vị thực thi/lõi ● Nhiều chủ đề phần cứng