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1/13 ハイパースレッディングの 並列化効率への影響 東京大学物性研究所 渡辺宙志 2013年5月23日：初出 2022年6月24日：再アップロード

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2/13 400万粒子/ノードに固定し、ノード数を増やすウィークスケーリング 1000ステップ計算するのにかかった時間をプロット @物性研 SGI Altix ICE 8400EX 観測事実 (1/2) オーバーヘッド

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3/13 観測事実 (2/2) (1) 粒度が疎、つまり計算時間に比して通信時間が相当 短いはずなのに、ウィークスケーリングで高並列時に 性能が劣化する (2) 力の計算時間を測定してみると、通信を含まないは ずなのにプロセスごとに時間がばらついている (3) 時間のばらつきはプロセス数を増やすと大きくなり、 全体同期により性能劣化を招いている (4) まったく同じ計算をしても、遅いプロセスは毎回異なる システムノイズ(OSジッタ)だろうか？ しかしOSジッタにしては影響が大きすぎる

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4/13 調べたいこと (1) プロセスの実行時間の揺らぎを精密に調べる (2) ハイパースレッディング(HT) の並列性能への影響を 調べる

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5/13 HTなし HTあり HTなしでは、物理コアひとつにMPIプロセス一つをバインドする。 HTありでは、物理コアが二つの論理コアになるが、 物理コア一つにMPIプロセスを一つバインド。 計算条件 (1/2) HTの有無以外の計算条件は変えない

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6/13 計算条件 (2/2) 東京大学物性研究所 システムB SGI Altix ICE 8400EX CPU: Intel Xeon X5570 2.93GHz 4コア/CPU、2CPU/ノード 計算資源： 計算条件： カットオフ2.5σのLennard-Jones粒子系 時間ステップ 0.001、数密度： 0.5 粒子数： 50万粒子/コア、 400万粒子/ノード Flat-MPIによる領域分割 計算コード：http://mdacp.sourceforge.net/ 測定日：2011年6月 ※ HT無効の計算は1ノードから1024ノードまで数点を、 HTを有効にした計算は、1024ノード、8192コアの一点のみを計算

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7/13 粒子をメッシュに登録 隣接粒子リストを作成 力の計算 位置と速度を更新 リストはまだ有効か？ No Yes 領域からはみ出した粒子の処理 粒子の位置情報を更新 MPI_Sendrecv MPI_Sendrecv MPI_Allreduce 計算アルゴリズム ※通信は全てブロッキング通信

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8/13 粒子をメッシュに登録 隣接粒子リストを作成 力の計算 位置と速度を更新 リストはまだ有効か？ No Yes 領域からはみ出した粒子の処理 粒子の位置情報を更新 測定する場所 計算全体： このループを 1000ステップ積算 力の計算： ここだけをステップごと、 プロセスごとに計測 ※計算全体は並列化効率の定義のため、力の計算は揺らぎの測定のために調べる

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9/13 Hyper-Threadingの影響 HTを有効にするだけで並列化効率が 大きく改善(66%→90%)

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10/13 あるステップにおける、プロセスごとの「力の計算」に かかった時間の累積確率分布 ほとんどのプロセスの揺らぎはガウス分布に従うが、飛び抜けて遅い連中がいる → システムからのノイズ？ 計算時間の揺らぎ (1/3)

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11/13 誤差関数でフィットしてみる 特徴的な時間「τ」 ガウス分布の標準偏差に相当 HTなし：平均時間 143.785 [ms] 標準偏差 0.29 [ms] HTあり：平均時間 143.940 [ms] 標準偏差 0.36 [ms] 一番遅かったプロセス： HTなし： 221.543 [ms] HTあり： 164.009 [ms] 平均からのずれが256σ 統計情報からはHTなしの方が優れている(平均も揺らぎも小さい)が・・・ 一番遅いプロセスの実行時間がHTにより大きく改善された 計算時間の揺らぎ (2/3)

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12/13 計算時間の揺らぎ (3/3) 各ステップでもっとも計算が遅かったランク番号 (HTあり) ロードインバランスのせいではない (同じペアリストを使い回す間は粒子ペア 数が固定であるにも関わらず、毎ステップ一番遅いプロセスが違うから) 何か構造がありそう。ラウンドロビンで何かやってる？

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13/13 まとめのようなもの (1) Hyper-Threading Technologyを有効にすることで 並列化効率が大きく向上→HTによるスムーズなス レッドの切り替えが要因？ (2) 揺らぐ時間は80ミリ秒といったオーダー → OSジッタとしては大きすぎる (3) 通信を含まないはずの領域を測定しているのに、計 算時間が大きく揺らぐ →通信の後処理が割り込んでいる？