プログラムの高速化・並列化サービスの事例

HECToR dCSEチームによる磁気プラズマ乱流モデリングコードGS2のFFTライブラリ更新と性能分析

英国の国立学術スーパーコンピューティング設備であるHECToR 向けのNAGの計算科学技術（CSE）サポートサービスと共に、EPCCのHPC専門家により、核融合磁気プラズマのミクロ乱流のシミュレーションに用いられる磁気プラズマ乱流モデリングコードGS2のFFTインターフェイスが更新され、性能が詳細に分析されました。分散FFT計算におけるSSE命令の利得は最小限のレベルであることが判明し、より効果的な性能最適化の可能性を特定しました。

HPCによる核融合プラズマのモデル化は、核融合プラズマを磁場内に閉じ込めるという理論の理解をさらに深め、核融合から安価にエネルギーを生産するという目的にとって重要なツールです。プロジェクトを導いたColin Roach博士はdCSEプロジェクトの成功について次のようにコメントしています：「GS2は最先端のジャイロ運動論的コードで、磁気的に閉じ込められたプラズマ中の微細スケールの変動を5次元で解きます。このような計算への要求は大きく、核融合実験の性能に影響を及ぼす基礎的な乱流プロセスへの洞察をもたらします。dCSEの専門家は、GS2からFFTW3への新しい並列処理インターフェイスを実装し、広範な性能調査を実施しました。我々はFFTW3が期待される性能向上をもたらさなかったことに驚き、失望しましたが、このプロジェクト全体がGS2にとって非常に貴重であり、我々はこの結果に喜んでいます。GS2は現在、将来に向けたより堅牢なプラットフォームを提供しており、大幅なパフォーマンス向上をもたらすべき開発努力の明確な方向性が決定されました。」

プロジェクトの背景

GS2は、旧式のパッケージFFTW2を使用して、2次元の高速フーリエ変換を広範囲に使用しています。このライブラリの最新版であるFFTW3は、現代的なプロセッサで利用可能なSSE命令を利用しています。このdCSEプロジェクトの目標は、FFTW3にアップグレードすることでさらなる高性能を実現することでした。

Culham Center for Fusion Energy（CCFE）のColin Roach博士はプロジェクトの主任研究員でした。エジンバラ大学のEPCCのJoachim Hein博士とXu Guo博士は、NAG CSEチームとGS2ユーザーおよび開発者と協力して6人月のプロジェクトを実施しました。この磁化プラズマ乱流マルチスケールモデリング・プロジェクトには、計算資源としてHECToRに7,500万AUの配分が割り当てられました。

プロジェクトの結果

FFTW3を使用するオプションを追加するためにGS2が再設計されました。GS2のコールツリーの詳細な分析の元に、FFTW3のための変換ルーチンが実装されました。しかしながら、FFTW3のSSE命令の利用はGS2の性能を改善していません。計画では、GS2にFFTW3を実装することでFFTに掛かる時間が短縮されることが予想されていました。これは、FFTW3がHECToRシステムのOpteronプロセッサのSSE命令を利用できる一方、FFTW2はその恩恵にあずからないためでした。詳細な分析によると、FFTコールでは、SSE命令のメリットは極僅かでした。これは予期せぬ事態でHECToRユーザーコミュニティにとって一般的な関心事であるはずです。私たちの詳細な分析によれば、キャッシュに収まるように問題を小さくしたり、より多くのメモリ帯域幅とレベル3キャッシュを与えるためにプロセッサのコアを1つだけ配置する場合でも、SSEの利点はほとんどありませんでした。

さらに、これ以外に重要なGS2の性能問題が特定されました。特にコンパイラによって最適化できない間接アドレッシングの広範な使用です。初期の調査からは、この問題に対する解決策がパフォーマンスに有効であることが示されています。