拚「圖」大作戰–細說圖形處理器的強大計算能力|

首頁

facebook twitter plurk line 中列印書籤

拚「圖」大作戰–細說圖形處理器的強大計算能力

101/05/24 19968

李汶樺｜國家實驗研究院高速網路與計算中心科學計算組

郭芳安｜國家實驗研究院高速網路與計算中心科學計算組

您能想像自己坐在一台非常特殊的汽車上，體驗由火箭引擎所帶來的極致動力速度嗎？這個境界在高速計算領域已經不是一件難事了！因為近三年來高速計算領域有了重大的變革，「圖形處理器」（Graphics Processing Unit，以下簡稱GPU）就是這個改變的主要動力。

對於大部分的讀者而言，GPU可能很陌生，它究竟跟以前的高速計算（High Performance Computing，以下簡稱HPC），以大量的中央處理器（ Central Processing Unit，以下簡稱CPU）與超高速網路通道（UltraFast Network Connection）來處理絶大部分的計算工作有何不同？本文將帶領讀者一窺GPU，共同探索GPU計算的奧秘世界。

不只是為了遊戲

回顧這十年顯示卡的發展，它帶給我們許多的回憶，比如：雷神之鎚（Quake）, 戰慄時空（Half-Life）系列及其他許多3D遊戲等。許多讀者或許玩過這些遊戲，甚至寫過CPU的「軟體式」算圖引擎（rendering engines），進行比如座標轉換、多邊形繪製、光線追蹤等繁重的計算。而由於顯示卡的主要核心就是GPU，因此當這些遊戲熱賣的同時，也促使了GPU效能發展到另一個新的境界。現在，這些動畫的計算工作如果利用GPU，將可以達到一秒鐘內處理10億個格點之計算量，如此驚人的速度，遠非CPU能及。

目前為止，GPU之發展仍飛速前進，這由遊戲產業每年挹注千萬美元在高效率的GPU晶片研發上，就不難瞭解原因。筆者是一位電玩愛好者，同時也是擁有工程博士學位的研究人員，早在2008年觀察到這個國際趨勢，即參與國網中心的研發團隊，著手進行GPU計算取代CPU的研究，讓GPU不單只是遊戲的專利，更成為科技研發的豐沛計算泉源。

專為計算而設計的計算加速

目前世界上的許多研究人員已經將「通用計算圖形處理器」（General Propose Graphics Processing Unit，以下簡稱GPGPU）加入自己的研究，國網中心研發團隊也不例外地將GPGPU列為為重點的發展項目，並已擁有相當數量的GPGPU計算卡，應用於各項研究與學界服務。此外，國網中心自行研發建置叢集計算系統，包含88個計算節點、264張計算專用加速卡、與頻寬40Gbps的高速網路交換系統，每張計算卡高達0.5 Teraflops的計算能量，整體效能超過70Gigaflops，為台灣目前最大GPU叢集計算主機。而經過近三年的研究與開發，國網中心已發展出許多新穎的演算法於GPGPU計算的最佳化，並得到相當好的研究成果。

小事一樁的紊流模擬（Turbulent Flow Simulation for a Dollar）

紊流，或稱為「亂流」模擬，是需要投入相當費用與時間的研究課題。一個紊流場模擬，需要相當高的解析度，才不會因為數值方法的誤差，讓紊流現象在流場中消失。由於這些模擬需要大量的計算資源與相當長的計算時間，國網中心的研究人員特別將GPGPU計算加入紊流模擬中，並開發了許多在GPU上有效率的數值方法。這些數值方法，可以同時利用數十張GPU計算卡，加速紊流之計算模擬。因此，一個高達數億以上網格點的紊流場模擬，也僅需數小時就可以得到模擬的結果。相對於從前，這樣的模擬工作，需要耗費數個月的時間，並需要數百個CPU才可達到。現在，則是輕而易舉、小事一樁。

要有相當的收穫必有相當程度的付出

GPU計算的設計原理，就是為了同時處理大量且相同的計算特性。但是，目前市面上並沒有任何一種有效的編譯器或程式，可以讓傳統的程式直接在GPGPU上運行，許多演算法也不是這樣設計的，這讓大部分的研究人員非常困擾。國網中心的研究人員深黯其中原理，開發程式時就事先考量並善用這個特性，讓程式得以完美的運行於GPU上，充分發揮GPU的真正效益。回首GPU研發過程，充滿困難與複雜性，但其中隱藏的研究價值與機會，卻讓研究人員勇於挑戰，樂此不疲。

GPU計算的未來

數值分析是大學中相當重要的課程，更好的數值方法有賴年輕學子不斷努力與精進，才能開發出更高效率的GPGPU程式，提升GPU的計算能力。放眼未來，相信只要市場對硬體有更大的需求，勢必會繼續帶動GPU的腳步快速前進，進而影響HPC領域的發展。筆者衷心期盼將來科學與工程模擬的數值方法，能朝向更高效能的境界邁進，讓GPU計算的未來，拚出一個更光明的前「圖」！

資料來源

轉載自「國研院高速網路與計算中心73期電子報」

速計算(2) 中央處理器(9) 圖形處理器(2) 亂流(3) 計算力(6) 科發月刊(5221)

拚「圖」大作戰–細說圖形處理器的強大計算能力

推薦文章