探索问题解决环境与嵌套数据并行程序优化

### 探索问题解决环境与嵌套数据并行程序优化 #### 1. 问题解决环境（PSE）架构层级 PSE 架构具有多个层级，每个层级提供不同程度的抽象，以满足不同用户群体的需求。 - **Level 3**：提供的抽象程度大致相当于一些现有的超高级语言或通用 PSE，如 Matlab、SciVis 或 Scientific IDL。在这个层级，可以将适合特定领域的现有库集成到环境中，还能进行简单的合理性检查，如矩阵一致性检查。 - **Level 4 - 特定领域接口**：将 PSE 转变为特定领域的求解器。它提供特定领域的抽象和以领域术语操作的用户界面。用户界面（一组代理的集合）将用户需求转换为底层层可用的规范，隐藏了许多创建程序的细节，专注于解决问题。例如，一个未知数在 Level 3 中可表示为电流，在 Level 2 中表示为列向量，在 Level 1 和 0 中表示为数组。数据流程的概念可以隐藏在图形模板之下，只呈现解决问题所需的步骤。 #### 2. CECAAD 环境工具包 Clemson 计算机辅助应用设计环境（CECAAD）是 Level 0 的原型实现，是构建 PSE 的基础。它由以下部分组成： - **ADF**：是表示有向属性图的内部格式。 - **ADF 管理器**：提供代理在 ADF 设计上的操作同步，以及与设计库相关的所有 I/O 功能。 - **启动器**：暂未详细描述其具体功能，但也是 CECAAD 的一部分。 - **一组核心代理**： - **ADF 编辑器**：提供 ADF 设计的图形视图，允许创建或更改任何 ADF 构造。 - **ADF 文本转换器**：将 ADF 设计与简单的基于文本的语言进行转换，为将现有表达并行或科学计算的语言集成到基于 CECAAD 的环境中提供基础。 - **分区代理**：为每个节点附加“任务”属性，并提供图形界面将节点分组到特定任务中。 #### 3. 集群计算机的电磁环境 基于 CECAAD 的 PSE 正在开发中，用于使用 Beowulf 类集群计算机并行解决电磁学中的积分方程矩量法问题。该环境各层级功能如下： |层级|功能| | ---- | ---- | |Level 1|抽象集群计算机本身，提供集群节点间消息传递的抽象，硬件抽象包含表示具有各种网络拓扑的异构集群的属性。代码生成代理根据应用程序和硬件规范生成基于 PVM 或 MPI 的应用程序，另一个代理收集运行程序的信息并添加到硬件和应用程序规范中，供静态和动态负载平衡代理使用。| |Level 2|采用数据并行编程模型。由于目标问题具有相当静态的数据流结构，具有计算机科学专业知识的用户使用该层级抽象的编辑器代理创建目标问题的 ADF 模板。| |Level 3|提供数学抽象。离散化代理允许用户选择表示待解决问题几何形状的基函数，线性系统求解器代理允许用户选择合适的求解方法和收敛标准。| |Level 4|提供特定领域接口。用户使用几何编辑器以绝缘体、导体和介电材料的方式图形化定义问题的几何形状，使用另一个代理选择要求解的量，并从库中选择要使用的方程或提供自定义代码（通常是 Fortran）来填充矩阵。| 这个环境使电磁学用户无需了解并行性和集群细节，计算机科学用户也无需了解电磁学知识即可协作。应用程序可以移植到新架构或底层模型，而无需更改电磁学用户对问题的规范。 #### 4. 可重构计算机的图像处理环境 基于现场可编程门阵列（FPGA）技术的可重构计算机是一种新兴的高性能计算系统。RCADE（可重构计算应用开发环境）是基于 CECAAD 的 FPGA 计算系统环境，允许用户以可视化高级语言的水平生成图像处理应用程序。用户通过连接表示算术、图像滤波功能和基本循环结构的组件来构建数据流图，每个组件代表目标平台的预放置逻辑宏。其各层级功能如下： ```mermaid graph LR classDef startend fill:#F5EBFF,stroke:#BE8FED,stroke-width:2px classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px A([Level 1]):::startend --> B([Level 2]):::startend B --> C([Level 3]):::startend C --> D([Level 4]):::startend subgrap ```