Исследование масштабируемости итерационных алгоритмов при суперкомпьютерном моделировании физических процессов

Статья посвящена разработке методики исследования масштабируемости ресурсоемких итерационных алгоритмов, применяемых в моделировании сложных физических процессов на суперкомпьютерных системах. В основе предлагаемой методики лежит модель параллельных вычислений BSF (Bulk Synchronous Farm), позволяющая на ранней стадии разработки итерационного алгоритма определить границу его масштабируемости. Модель BSF предполагает представление алгоритма в виде операций над списками с использованием функций высшего порядка. При этом рассматривается два класса представлений: {BSF-M} ({Map BSF}) и {BSF-MR} ({Map-Reduce BSF}). Предлагаемая методика описывается на примере решения систем линейных алгебраических уравнений методом Якоби. Для метода Якоби строится два итерационных алгоритма: {Jacobi-M} на основе представления {BSF-M} и {Jacobi-MR} на основе представления {BSF-MR}. Для указанных алгоритмов с помощью стоимостных метрик модели BSF даются аналитические оценки для ускорения, эффективности распараллеливания и верхней границы масштабируемости для многопроцессорных вычислительных систем с распределенной памятью. Приводится информация о реализации этих алгоритмов на языке C++ с использованием программного шаблона BSF и библиотеки параллельного программирования MPI. Демонстрируются результаты масштабных вычислительных экспериментов, выполненных на кластерной вычислительной системе. На основе экспериментальных результатов дается анализ адекватности оценок, полученных аналитическим путем с помощью стоимостных метрик модели BSF.