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멀티코어 시스템에서 쓰레드 수에 따른 CFD 코드의 OpenMP 병렬 성능
OPENMP PARALLEL PERFORMANCE OF A CFD CODE ON MULTI-CORE SYSTEMS 원문보기

한국전산유체공학회지 = Journal of computational fluids engineering, v.18 no.1 = no.60, 2013년, pp.83 - 90  

김종관 (부산대학교 대학원 항공우주공학과) ,  장근진 (부산대학교 대학원 항공우주공학과) ,  김태영 (부산대학교 대학원 항공우주공학과) ,  조덕래 (부산대학교 대학원 항공우주공학과) ,  김성돈 (부산대학교 항공우주공학과) ,  최정열 (부산대학교 항공우주공학과)

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OpenMP is becoming more and more useful as a simple parallel processing paradigm on SMP (Shared Memory Multi-Processors) computing environment with the development of multi-core processors. However, very few data is available publically regarding the OpenMP performance in CFD (Computational Fluid Dy...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • OpenMP는 SMP(Shared Memory Multi-Processors) 전산 환경에서 병렬처리를 손쉽게 구현할 수 있는 장점이 있어 최근 들어 이용 분야가 급속히 넓어지고 있음에도 불구하고, 전산 유체 해석에서 OpenMP를 활용할 경우 어느 정도 성능향상이 가능한지 알려진 자료는 많지 않은 상황이다. 따라서 본 연구 에서는 OpenMP로 병렬 프로그래밍이 된 CFD 코드를 이용하여 몇 가지 유동 모델 및 문제의 크기를 고려한 병렬 처리 성능 평가 시험 패키지를 구성하여, 여러 기종의 multi-core 프로세서 장착 시스템에서 전산유체역학 병렬 처리 성능 특성을 살펴보았다.
  • 본 연구에서는 서로 다른 점성/비점성, 반응/비반응 유동등 서로 다른 유체 모델에 대하여 서로 다른 수준의 격자계를 이용하여 OpenMP 병렬처리 성능을 살펴보기 위한 시험 패키지를 구성하였으며, 여러 종류의 전산 시스템에서 계산에 이용되는 쓰레드 수를 시스템 쓰레드 수의 두 배 이상으로 강제하여 계산 성능 향상을 살펴보았다. 이 시험에 의한 성능 향상 결과로부터 시스템의 종류, 유동 모델, 격자 크기 및 HT등의 영향에 대하여 살펴보았으며, 이로부터 다음과 같이 몇 가지 특징적인 결론을 얻을 수 있었다.
  • 이 시스템은 6개 코어를 가진 2개 프로세서, 총 12개의 물리 코어/24개의 논리 코어(쓰레드)를 가진다. 이 결과에서 유동 모델 및 격자 해상도에 따라 서로 다른 속도향상 특성을 가짐을 알 수 있으며 이에 대해서는 뒤에서 별도로 논의하겠다. 유동 모델 및 격자 해상도와 관계없이 나타나는 일반적인 특징은 쓰레드 수가 6개 이하로 작은 경우에는 거의 선형적 속도 향상을 보이지만 쓰레드 수가 6 또는 12개를 지나면서 다소 성능향상이 저하되는 경향을 보이는 점, 그리고 시스템 쓰레드 수에 근접할 때까지 성능향상 기울기가 줄어들었지만 꾸준한 속도향상을 보이는 점이다.

가설 설정

  • 계산에 이용되는 쓰레드 수를 증가시키는 것은 explicit 해법의 경우 문제가 되지 않지만, implicit 해법의 경우에는 수렴성 저하를 야기할 수 있으므로 최대 시스템 쓰레드 수 이상으로 계산 쓰레드 수를 지정할 필요는 없는 것으로 보인다. 본 연구에서 해법의 수렴성의 문제는 고려하지 않았다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
OpenMP의 런타임 함수는 무엇을 제어할 수 있는가? OpenMP는 컴파일러 지시어(compiler directives), 라이브러리 루틴 (run-time library), 환경 변수(environment variable)로 구성되어 있으며, 컴파일러 지시어(complier directives)를 사용하여 프로 그램의 루프 구조를 병렬로 처리하는 것이 가능하다[2]. 런타임 함수(예, omp_get_num_threads)는 프로그램이 실행 중 스레드 수, 스케줄링 방식, 내포(nesting) 레벨 등의 환경 변수를 제어할 수 있고, 임계 영역을 설정해 동기화 제어가 가능하다. 런타임 함수에서 변수제어 및 임계영역의 설정을 하지 않았을 경우 True Sharing /False Sharing 문제가 발생하는데, 이러한 문제는 동기화 오버헤드를 증가시키거나 공유변수들이 같은 캐시라인에 있을 경우 다른 코어의 캐시라인을 무효 시키는 등의 문제를 야기하게 되어 계산 성능을 저하시키는 원인이 되기도 한다[3].
OpenMP는 무엇으로 구성되어 있는가? OpenMP 는 SMP 환경에서 병렬 프로그래밍을 간단하게 하기 위해 개발된 API(Application Programing Interface)로써, 최근 대부분 컴파일러에 기본적으로 포함되어 있다. OpenMP는 컴파일러 지시어(compiler directives), 라이브러리 루틴 (run-time library), 환경 변수(environment variable)로 구성되어 있으며, 컴파일러 지시어(complier directives)를 사용하여 프로 그램의 루프 구조를 병렬로 처리하는 것이 가능하다[2]. 런타임 함수(예, omp_get_num_threads)는 프로그램이 실행 중 스레드 수, 스케줄링 방식, 내포(nesting) 레벨 등의 환경 변수를 제어할 수 있고, 임계 영역을 설정해 동기화 제어가 가능하다.
OpenMP는 SMP 전산 환경에서 어떤 장점이 있는가? OpenMP는 SMP(Shared Memory Multi-Processors) 전산 환경에서 병렬처리를 손쉽게 구현할 수 있는 장점이 있어 최근 들어 이용 분야가 급속히 넓어지고 있음에도 불구하고, 전산 유체 해석에서 OpenMP를 활용할 경우 어느 정도 성능향상이 가능한지 알려진 자료는 많지 않은 상황이다. 따라서 본 연구 에서는 OpenMP로 병렬 프로그래밍이 된 CFD 코드를 이용하여 몇 가지 유동 모델 및 문제의 크기를 고려한 병렬 처리 성능 평가 시험 패키지를 구성하여, 여러 기종의 multi-core 프로세서 장착 시스템에서 전산유체역학 병렬 처리 성능 특성을 살펴보았다.
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참고문헌 (11)

  1. $Intel^{(R)}$ Xeon $Phi^{TM}$ Coprocessor 5110P, http://www.intel.co.kr /content/www/kr/ko/processors/xeon/xeon-phi-detail.html. 

  2. 2011, OpenMP Application Program Interface, Version 3.1 OpenMP Architecture Review Board, http://www.openmp.org/ mp-documents/OpenMP3.1.pdf. 

  3. 2012, $Intel^{(R)}$ 64 and IA-32 Architecture Software Developer's Manual Vol.1,2,3, Intel Corporation, http://www.i ntel.com. 

  4. 1994, Singh, D.J. and Jachimowski, C.J., "Quasigolbal Reaction Model for Ethylene Combustion," AIAA Journal, Vol.32-1, p213. 

  5. 2009, Shin, J.-R., Moon, S.-H., Won, S.-H. and Choi, J.-Y., "Detached Eddy Simulation of Base Flow in Supersonic Mainstream," Journal of KSAS, Vol.37-10, p.955. 

  6. 2005, Choi, J.-Y., Yang, V. and Ma, F., "Combustion Oscillations in a Scramjet Engine Combustor with Transverse Fuel Injection," Proc. Combust. Inst. Vol.30, p. 2851. 

  7. 2012, Fortran Compiler Comparisons, Polyhedron Software, http://www.polyhedron.com/compare0html. 

  8. Intel Processor Comparison, http://ark.intel.com/compare/40200,47922,64595. 

  9. 2010, Balakrishnan, G., Begun, R.M. and Kochuparambil, B., Understanding Intel Xeon 5600 Series Memory Performance and Optimization in IBM System x and BladeCenter Platforms, IBM, http://public.dhe.ibm.com/common/ssi/ecm/en/xsw03075usen/XSW03075USEN.PDF. 

  10. 2009, An Introduction to the $Intel^{(R)}$ QuickPath Interconnect, Intel, http://www.intel.com/content/dam/doc/white-paper/quickpath- interconnect-introduction-paper.pdf. 

  11. 2002, Choi, J.-Y. and Oh, S., "An Acceleration Scheme of LU-SGS Code on Latest Microprocessors Considering Increased Hit-ratio of Level 2 Cache," Journal of KSAS, Vol.30-7, p.68. 

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