前 言

高性能計算是信息領(lǐng)域的前沿高新技術(shù)，在保障國家安全、推動國防科技進(jìn)步、促進(jìn)尖端武器發(fā)展方面具有直接推動作用，是衡量一個國家綜合實(shí)力的重要標(biāo)志之一。隨著信息化社會的飛速發(fā)展，人類對信息處理能力的要求越來越高，不僅石油勘探、氣象預(yù)報、航天國防、科學(xué)研究等需求高性能計算，而且金融、政府、教育、企業(yè)、網(wǎng)絡(luò)游戲等更廣泛的領(lǐng)域?qū)Ω咝阅苡嬎愕男枨笠苍谘该驮鲩L，百億億次計算（Exascale）已提上研究日程，人們正期待著未來采用百億億次計算機(jī)解決更大規(guī)模、更加復(fù)雜的問題。

21世紀(jì)多核、眾核時代已經(jīng)來臨，高性能計算產(chǎn)業(yè)正在經(jīng)歷一場深刻的變革，并行計算將是未來的發(fā)展趨勢，也將再次成為研究熱點(diǎn)。目前主流的集群架構(gòu)系統(tǒng)，采用CPU同構(gòu)模式，其單節(jié)點(diǎn)內(nèi)擁有十幾個甚至幾十個CPU計算核心已非罕事，大規(guī)模計算應(yīng)用中一次甚至可以利用數(shù)十萬個以上CPU核心，然而采用CPU同構(gòu)架構(gòu)系統(tǒng)將面臨著性能功耗比、性能訪存比、并行效率等巨大挑戰(zhàn)。而采用CPU+GPU的異構(gòu)架構(gòu)進(jìn)行通用科學(xué)計算，利用GPU眾核技術(shù)進(jìn)行加速，在業(yè)界已掀起一陣熱潮，但其也面臨著細(xì)粒度并行算法、編程效率、大規(guī)模計算性能等重大挑戰(zhàn)。如何在提高大規(guī)模計算系統(tǒng)性能、提高軟件生產(chǎn)力的同時縮短編程周期，降低功耗將是我們思考和關(guān)注的焦點(diǎn)。

Intel公司推出了基于集成眾核（Many Integrated Core，MIC）架構(gòu)的至強(qiáng)融核（Intel® Xeon PhiTM）系列產(chǎn)品，用于解決高度并行計算問題。該產(chǎn)品雙精度性能達(dá)到每秒一萬億次以上，它基于現(xiàn)有的x86架構(gòu)，支持OpenMP、pThread、MPI等多種業(yè)內(nèi)熟悉的并行編程模型，采用傳統(tǒng)的C/C++/Intel® CilkTM Plus和Fortran等語言進(jìn)行軟件開發(fā)，其特點(diǎn)以編程簡單（引語方式）著稱，具有豐富的工具鏈支持。對于采用傳統(tǒng)CPU平臺很難實(shí)現(xiàn)性能進(jìn)一步提升的部分應(yīng)用，使用MIC可以帶來性能的大幅提升，并且CPU與MIC可以共用一份代碼，在x86架構(gòu)下實(shí)現(xiàn)CPU+MIC異構(gòu)協(xié)同計算的完美結(jié)合，為廣大高性能計算用戶提供了全新的計算解決方案。

浪潮-Intel中國并行計算聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室從2011年8月24日成立以來，就一直參與MIC技術(shù)研究，并在MIC平臺開展實(shí)際的高性能計算應(yīng)用項(xiàng)目工作，為Intel® Xeon PhiTM系列產(chǎn)品最終順利推出，貢獻(xiàn)了自己的一份力量。我們在深入了解MIC軟硬件的同時，也積累了大量的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)。我們很榮幸能夠參與到這場高性能計算的技術(shù)革命當(dāng)中，并作為先行者，將MIC技術(shù)介紹給各位讀者。希望通過本書，能讓更多的讀者了解MIC技術(shù)，并享受到Intel® Xeon PhiTM系列產(chǎn)品帶來的好處。

本書適合的讀者

本書的主要目標(biāo)是為開發(fā)人員提供一些幫助，使他們能夠?qū)W會使用Intel® Xeon PhiTM系列產(chǎn)品，并利用其開發(fā)、移植或優(yōu)化并行程序。本書的主要內(nèi)容是講述一些使用MIC技術(shù)時的編程語法、程序設(shè)計技術(shù)和優(yōu)化手段，并基于我們的應(yīng)用性能優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)，介紹一些在實(shí)際應(yīng)用中遇到的問題和解決方案。

我們假設(shè)讀者擁有一定并行程序開發(fā)的基礎(chǔ)知識，但是對MIC技術(shù)知之甚少。本書并非講解并行計算原理或算法的書籍，因此假設(shè)讀者擁有相關(guān)原理和算法的知識，但是在面對具體并行算法時，本書仍然會進(jìn)行描述。本書假設(shè)讀者熟悉OpenMP、MPI等并行編程常用的手段，但仍會對常用的語法進(jìn)行簡要的介紹。本書假設(shè)讀者熟悉C/C++/Fortran中的一種或幾種編程語言，尤以熟悉C/C++為佳。但是，書中給出的許多思想和建議也同樣適合其他的高級語言，而且，如果以后Intel公司的Intel® Xeon PhiTM產(chǎn)品支持其他語言，絕大部分優(yōu)化手段和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)仍然可以適用。總的來說，此書大致適合三類人群：

高校、科研院所學(xué)生、老師及科研人員，研究并行，研究多核、眾核技術(shù)者；

IT從業(yè)人員，編寫高性能計算軟件，利用眾核提升程序性能，在高性能計算領(lǐng)域追求性能的開發(fā)人員尤為適用；

行業(yè)高性能計算領(lǐng)域應(yīng)用人員，如石油勘探、生物基因、醫(yī)療圖像、金融、航空航天、氣象氣候、材料化學(xué)等人員，目的是利用MIC提升原CPU程序性能，從而提高生產(chǎn)力。

我們希望通過我們的努力能夠使得本書讓更多的讀者受益，具有更加廣泛的讀者群。

關(guān)于本書

由于MIC架構(gòu)的特殊性，本書并不能被明確地歸到某一類中。這是一本介紹MIC編程語言的書，這是一本介紹Intel® Xeon PhiTM產(chǎn)品的書，這又是一本介紹并行編程優(yōu)化的書。通過閱讀本書，我們希望讀者能夠盡量多地了解有關(guān)MIC的方方面面，更希望讀者能夠在未來的實(shí)踐中用上MIC技術(shù)，用好MIC技術(shù)。

本書由三篇組成。第一篇為“MIC基礎(chǔ)篇”，包括第1～8章，介紹MIC架構(gòu)的基礎(chǔ)知識。其中：

第1章簡要回顧了并行計算的發(fā)展歷程，并對市面上現(xiàn)有的并行計算的硬件技術(shù)進(jìn)行了對比，然后簡要介紹了MIC技術(shù)的情況，并給出了MIC技術(shù)的優(yōu)勢。

第2章介紹了支撐MIC技術(shù)的軟硬件架構(gòu)的相關(guān)知識。雖然沒有這些背景知識并不影響使用MIC編程，但深入了解MIC架構(gòu)能夠編寫出更加適合MIC架構(gòu)的程序。

第3章介紹了MIC運(yùn)行、編程環(huán)境的安裝和配置。由于MIC技術(shù)包含獨(dú)立的硬件以及相關(guān)的驅(qū)動、編譯器、編程工具等一系列配套軟件，因此需要編程人員，尤其是系統(tǒng)配置人員對此有一定掌握。本章供需要配置系統(tǒng)的讀者閱讀。

第4章通過一個計算圓周率PI的小例子，直觀地展示了MIC程序的特點(diǎn)，并介紹了MIC程序背后的運(yùn)行流程。

第5章介紹了MIC編程所需的背景知識，包括OpenMP和MPI的基本語法。如果已有這方面的基礎(chǔ)，可以跳過本章。

第6章介紹了MIC的編程模式、語法、環(huán)境變量、編譯選項(xiàng)等。通過本章的學(xué)習(xí)，可以掌握編寫自己的MIC程序的方法。

第7章介紹了MIC相關(guān)的調(diào)試和優(yōu)化工具以及它們的用法。學(xué)會使用工具，可以為調(diào)試和優(yōu)化帶來方便。

第8章介紹了Intel公司的一些可以用在MIC上的數(shù)學(xué)庫的用法，包括VML、FFT、Blas等。

第二篇為“性能優(yōu)化篇”，包括第9章和第10章的內(nèi)容。其中：

第9章首先講述了MIC優(yōu)化的基本原則和策略，之后分不同方面詳細(xì)闡述了MIC優(yōu)化的方法與使用場合。本章講述的內(nèi)容已基本涵蓋MIC優(yōu)化的主要方法，而且，除個別方法以外，大部分方法也通用于CPU并行計算編程的實(shí)踐當(dāng)中。

第10章通過對并行計算中典型示例——矩陣乘法的優(yōu)化，以理論結(jié)合實(shí)際的方式，一步步地詳細(xì)解釋了優(yōu)化步驟是如何應(yīng)用的。

第三篇為“工程開發(fā)篇”，包括第11章和第12章的內(nèi)容。這是全書的最后一部分，其中：

第11章通過作者對自身團(tuán)隊(duì)工程開發(fā)優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，提煉出一套并行程序開發(fā)在工程應(yīng)用中的方法。對如何判斷一個串行或并行的CPU程序是否適用MIC進(jìn)行計算，并且如何將程序移植到MIC上進(jìn)行了討論。

第12章通過兩個實(shí)際生產(chǎn)中的案例，講述了MIC技術(shù)是如何對實(shí)際項(xiàng)目產(chǎn)生影響的。

本書前期由高效能服務(wù)器和存儲技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任、浪潮-Intel中國并行計算聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室主任、浪潮集團(tuán)高級副總裁王恩東牽頭，并明確寫作方向，對技術(shù)發(fā)展趨勢把關(guān)，浪潮-Intel中國并行計算聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室首席工程師張清具體負(fù)責(zé)制定寫作計劃、確定整本書的提綱、結(jié)構(gòu)、每章節(jié)書寫的內(nèi)容、風(fēng)格和讀者定位。中期由張清組織和推進(jìn)團(tuán)隊(duì)寫作此書，并定期進(jìn)行審閱，對執(zhí)筆作者完成的章節(jié)內(nèi)容的準(zhǔn)確性、技術(shù)表述的深淺度、可讀性進(jìn)行審核，并反饋修改意見，具體由浪潮-Intel中國并行計算聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室工程師沈鉑、張廣勇、盧曉偉、吳慶、王婭娟五位作者共同執(zhí)筆，其中第1章由沈鉑撰寫，第2章由吳慶、沈鉑撰寫，第3章由王婭娟撰寫，第4章由沈鉑撰寫，第5章由沈鉑撰寫，第6章由沈鉑撰寫，王婭娟也參與了部分撰寫工作，第7章由吳慶撰寫，第8章由盧曉偉撰寫，第9章由張廣勇撰寫，沈鉑、王婭娟也參與了部分撰寫工作，第10章由張廣勇撰寫，第11章由沈鉑撰寫，第12章由盧曉偉、張廣勇撰寫。后期由王恩東、張清、Intel公司的何萬青（Warren）博士、Victor Lee（李匯強(qiáng)）博士審閱，張清負(fù)責(zé)最后內(nèi)容審定、統(tǒng)稿。

本書中全部完整的源代碼已經(jīng)過作者反復(fù)測試通過，但由于MIC技術(shù)尚處于起步階段，不能保證源代碼在更新版本中仍然可用。因此，如果編譯器或MIC執(zhí)行環(huán)境有更新，請參閱相應(yīng)版本的Intel官方手冊。

致謝

本書的出版是團(tuán)體協(xié)作努力的結(jié)果。在此對為本書的編寫和出版提供了巨大幫助的人們致以誠摯的謝意。

我們首先感謝浪潮集團(tuán)、Intel公司給我們這么好的一個平臺，提供我們在浪潮-Intel中國并行計算聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室工作的機(jī)會，讓我們有幸能研究MIC技術(shù)；

感謝浪潮集團(tuán)領(lǐng)導(dǎo)對此書的大力支持，尤其要感謝浪潮集團(tuán)高性能計算總監(jiān)劉軍對我們提供人力、物力、財力上的大力支持，以及對幾位作者的關(guān)懷和鼓勵，此書才得以順利完成；

感謝Intel公司的Michael Casscles，何萬青博士，郭洪昌，David Scott博士，段小平，Victor Lee（李匯強(qiáng)）博士對我們并行計算聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室日常工作的技術(shù)和資源支持。尤其感謝何萬青博士在開始寫書前，為此書的寫作策劃提供經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)，讓我們寫書過程中少走很多彎路；特別感謝英特爾技術(shù)計算集團(tuán)總經(jīng)理Raj Hazra博士和技術(shù)計算市場總監(jiān)Joe Curley等領(lǐng)導(dǎo)對整個浪潮-Intel中國并行計算聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室工作、業(yè)務(wù)的支持；

感謝我們的應(yīng)用客戶：中國石油集團(tuán)東方地球物理勘探有限責(zé)任公司，中國科學(xué)院生物物理研究所，西北工業(yè)大學(xué)，中國氣象科學(xué)研究院，山東大學(xué)與我們在MIC項(xiàng)目上進(jìn)行合作。尤其感謝中國科學(xué)院生物物理研究所的孫飛研究員、張凱博士，西北工業(yè)大學(xué)的鐘誠文教授、李勤儉等允許我們將雙方合作的項(xiàng)目作為書中的實(shí)際案例呈現(xiàn)給讀者。

感謝浪潮集團(tuán)，Intel公司對本書出版的大力支持，尤其感謝浪潮高性能服務(wù)器產(chǎn)品部蔣永昌經(jīng)理、張影對此書出版的幫助，為我們寫書節(jié)省很多寶貴的時間；

感謝一起合作過的謝海波博士，楊曉哲，我們不會忘記那段快樂的時光；

感謝幾位作者的家人長期以來對作者的關(guān)心和生活上的照顧；

感謝中國水利水電出版社編輯們的辛勤勞動，尤其感謝策劃編輯周春元老師，責(zé)任編輯李炎老師認(rèn)真負(fù)責(zé)的工作和對我們無理要求的寬容，沒有你們的幫助，這本書就不會面市。

最后，對前文未能提到的所有相關(guān)人員表示歉意，在此一并感謝。

MIC技術(shù)剛剛興起，書中也難免有錯誤和不能與時俱進(jìn)的地方，我們對此表示深深的歉意，并懇請各位讀者多提寶貴意見。

張 清

浪潮-Intel中國并行計算聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室首席工程師

序一
序二
前言
第一篇 MIC基礎(chǔ)篇

第1章 MIC高性能計算 3
1.1 多核、眾核計算的發(fā)展 3
1.2 MIC技術(shù)簡介 6
1.3 為什么要選擇MIC 7
1.3.1 SMP 8
1.3.2 集群（cluster） 8
1.3.3 GPGPU 8
第2章 MIC硬件及軟件架構(gòu) 11
2.1 MIC硬件架構(gòu) 12
2.1.1 術(shù)語解析 12
2.1.2 MIC硬件架構(gòu)概覽 13
2.1.3 MIC Core 15
2.1.4 環(huán)形互聯(lián)總線Ring 27
2.1.5 CLOCK 28
2.1.6 頁表（Page Tables） 28
2.1.7 系統(tǒng)接口 29
2.1.8 性能監(jiān)控單元和事件管理器 35
2.1.9 電源管理 36
2.2 MIC軟件架構(gòu) 37
2.2.1 概述 37
2.2.2 Bootstrap 39
2.2.3 Linux加載器 40
2.2.4 微操作系統(tǒng)（OS） 40
2.2.5 對稱通信接口（SCIF） 42
2.2.6 主機(jī)驅(qū)動 43
2.2.7 sysfs節(jié)點(diǎn) 45
2.2.8 MPI應(yīng)用的MIC軟件棧 46
2.2.9 應(yīng)用編程接口（API） 53
第3章 MIC安裝、環(huán)境配置 54
3.1 MIC環(huán)境配置 54
3.1.1 前期準(zhǔn)備 54
3.1.2 安裝Host端的Linux操作系統(tǒng) 55
3.1.3 安裝MIC驅(qū)動 55
3.1.4 安裝在MIC上編譯C/C++的編譯器 59
3.2 SDK示例運(yùn)行 61
第4章 第一個MIC實(shí)例——計算PI 63
第5章 OpenMP和MPI編程基礎(chǔ) 66
5.1 OpenMP基礎(chǔ) 66
5.1.1 OpenMP簡介 67
5.1.2 OpenMP編程模型 67
5.1.3 OpenMP語法簡要介紹 67
5.2 MPI基礎(chǔ) 72
5.2.1 啟動和終止MPI庫 73
5.2.2 獲取信息 73
5.2.3 發(fā)送和接收消息 74
第6章 MIC編程 77
6.1 MIC編程模型 77
6.2 應(yīng)用模式 78
6.2.1 CPU原生模式 79
6.2.2 CPU為主MIC為輔模式 79
6.2.3 CPU與MIC對等模式 80
6.2.4 MIC為主CPU為輔模式 81
6.2.5 MIC原生模式 81
6.3 MIC基本語法 83
6.3.1 offload 83
6.3.2 變量和函數(shù)聲明 100
6.3.3 頭文件 101
6.3.4 環(huán)境變量 101
6.3.5 編譯選項(xiàng) 102
6.3.6 其他問題 104
6.4 MIC上的MPI 104
6.4.1 MIC上的MPI限制 104
6.4.2 MIC上MPI編程模型 105
6.4.3 MIC上的MPI環(huán)境配置 107
6.4.4 編譯及使用 109
6.4.5 MIC上的MPI示例 109
6.5 SCIF編程 112
6.5.1 什么是SCIF 112
6.5.2 SCIF的基本概念介紹 112
6.5.3 SCIF基本通信過程 114
6.5.4 SCIF用到的API函數(shù) 116
第7章 MIC軟件調(diào)試與性能分析工具 120
7.1 Intel軟件工具鏈對MIC的支持 120
7.2 MIC軟件調(diào)試工具IDB 121
7.2.1 IDB簡介 121
7.2.2 IDB的操作界面 121
7.2.3 IDB對MIC架構(gòu)的支持與要求 122
7.2.4 使用IDB調(diào)試MIC程序 123
7.3 MIC性能分析工具VTune 146
第8章 Intel MIC MKL庫使用方法 161
8.1 Intel MKL核心函數(shù)庫介紹 161
8.2 在MIC卡上使用Intel MKL 162
8.2.1 編譯器輔助offload方式 163
8.2.2 自動offload方式 164
8.3 FFT在MIC上的使用 168
8.3.1 FFT簡介 168
8.3.2 FFT在MIC上的使用方法一 169
8.3.3 FFT在MIC上的使用方法二 172
8.4 BLAS在MIC上的使用 179
8.4.1 BLAS簡介 179
8.4.2 在MIC上調(diào)用BLAS庫方法 179

第二篇 性能優(yōu)化篇

第9章 MIC性能優(yōu)化 185
9.1 MIC性能優(yōu)化策略 185
9.2 MIC優(yōu)化方法 187
9.2.1 并行度優(yōu)化 187
9.2.2 內(nèi)存管理優(yōu)化 190
9.2.3 數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)化 192
9.2.4 存儲器訪問優(yōu)化 206
9.2.5 向量化優(yōu)化 210
9.2.6 負(fù)載均衡優(yōu)化 219
9.2.7 MIC線程擴(kuò)展性優(yōu)化 222
第10章 MIC優(yōu)化示例：矩陣乘法 224
10.1 矩陣乘法串行算法 224
10.2 OpenMP多線程矩陣乘法 226
10.3 MIC多線程矩陣乘法 226
10.3.1 基本版本 226
10.3.2 向量化優(yōu)化 227
10.3.3 SIMD指令優(yōu)化 228
10.3.4 矩陣分塊乘法 230

第三篇 工程開發(fā)篇

第11章 基于MIC的HPC應(yīng)用開發(fā)過程 251
11.1 熱點(diǎn)測試 252
11.1.1 準(zhǔn)備工作 252
11.1.2 熱點(diǎn)測試及定位 253
11.2 程序分析 256
11.2.1 程序移植模式分析 256
11.2.2 計算規(guī)模分析 256
11.2.3 特點(diǎn)分析 257
11.2.4 熱點(diǎn)并行性分析 260
11.2.5 向量化分析 262
11.2.6 MIC內(nèi)存分析 262
11.2.7 程序分析總結(jié) 263
11.3 MIC程序開發(fā)過程 263
11.3.1 基于CPU的OpenMP并行 264
11.3.2 基于MIC的線程擴(kuò)展 265
11.3.3 單節(jié)點(diǎn)CPU+MIC協(xié)同并行 265
11.3.4 MIC集群并行 266
第12章 基于MIC的HPC應(yīng)用實(shí)例 267
12.1 基于單節(jié)點(diǎn)CPU+MIC協(xié)同計算電子
斷層三維重構(gòu)并行算法 268
12.1.1 電子斷層三維重構(gòu)技術(shù)及SIRT
算法介紹 268
12.1.2 SIRT串行程序分析 271
12.1.3 基于OpenMP的SIRT并行程序
開發(fā) 273
12.1.4 基于MIC平臺的SIRT并行程序
開發(fā) 276
12.1.5 單節(jié)點(diǎn)多卡及CPU+MIC異構(gòu)協(xié)
同計算架構(gòu)設(shè)計 279
12.2 基于多節(jié)點(diǎn)CPU+MIC協(xié)同計算大渦
模擬并行算法 284
12.2.1 格子-Boltzmann大渦模擬算法
介紹 284
12.2.2 大渦模擬串行程序分析 288
12.2.3 基于OpenMP的大渦模擬并行
算法 290
12.2.4 基于MIC的大渦模擬并行算法 293
12.2.5 基于多節(jié)點(diǎn)CPU+MIC協(xié)同計算
平臺的大渦模擬并行算法 296
參考文獻(xiàn) 308

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24. C語言程序設(shè)計 [姜雪]
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