Decuongluanvan xu ly voi GPU

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG


ĐỀ CƯƠNG
LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI THUẬT SONG SONG
TRÊN HỆ THỐNG XỬ LÝ ĐỒ HỌA GPU ĐA LÕI
Chuyên ngành:

KHOA HỌC MÁY TÍNH

Học viên thực hiện: TRƯƠNG VĂN HIỆU
Khóa:

K11

Người hướng dẫn : TS. NGUYỄN THANH BÌNH

ĐÀ NẴNG, 07/2010


MỤC LỤC

1


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
GPU
CUDA

SDK

Graphisc Processing Unit
Compute Unified Device Architecture
Software development kit

2


1. Lý do chọn đề tài
Nhu cầu tính tốn trong lĩnh vực khoa học, công nghệ ngày càng cao và trở
thành một thách thức lớn, từ đó các giải pháp nhằm tăng tốc độ tính tốn đã được ra
đời, từ năm 2001 đến năm 2003 tốc độ của Pentium 4 đă tăng gấp đôi từ 1.5GHz lên
đến 3GHz, tuy nhiên hiệu năng của CPU (Central Processing Unit) không tăng
tương xứng như mức gia tăng xung của CPU, và việc gia tăng tốc độ xung của CPU
nhanh chóng chạm phải ngưỡng tối đa mà cụ thể trong khoảng thời gian 2 năm từ
năm 2003 đến năm 2005 tốc độ của CPU chỉ tăng từ 3GHz lên 3.8GHz. Trong quá
trình tăng tốc độ xung của CPU các nhà sản xuất đã chạm phải vấn đề về nhiệt độ
của CPU sẽ quá cao và các giải pháp tản nhiệt khí đã đến mức tới hạn không thể đáp
ứng được khả năng làm mát khi CPU hoạt động ở xung quá cao như vậy. Vì vậy
việc gia tăng xung hoạt động của CPU khơng sớm thì muộn cũng sẽ đi vào bế tắc.
Trước tình hình này, các nhà nghiên cứu vi xử lý đã chuyển hướng sang phát
triển công nghệ đa lõi, nhiều lõi, với cơ chế xử lý song song trong các máy tính
nhằm tăng hiệu năng và tiết kiệm năng lượng.
Một trong các cơng nghệ xử lý song song ra đời đó là GPU(Graphisc Processing
Unit - bộ xử lý đồ họa). Ban đầu, việc chế tạo GPU chỉ với những mục đích công
việc phù hợp với khả năng là tăng tốc độ xử lý đồ họa, cũng như trong ngành game
là chủ yếu. Nhưng đến thời điểm GPU NV30 của nVIDIA ra đời, GPU bắt đầu tham
gia vào những công việc khác ngồi đồ họa như: hỗ trợ tính tốn dấu chấm động
đơn, hỗ trợ tính tốn lên cả ngàn lệnh. Vì thế đã nảy sinh ra ý tưởng dùng GPU để

xử lý, tính tốn song song những chương trình khơng thuộc đồ họa.
Câu hỏi được đặt ra là làm thế nào để ứng dụng GPU vào việc xử lý tính tốn
song song? Câu hỏi này nhanh chóng được giải quyết bằng công nghệ CUDA
(Compute Unified Device Architecture – kiến trúc thiết bị hợp nhất cho tính tốn)
của NVIDIA ra đời năm 2007. Với CUDA, các lập trình viên nhanh chóng phát
triển các ứng dụng song song trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau như: điện tốn hóa
học, sắp xếp, tìm kiếm, mơ phỏng các mơ hình vật lý, chuẩn đốn y khoa, thăm dị
dầu khí, v.v …CUDA là bộ cơng cụ phát triển phần mềm trên GPU được xây dựng
bằng ngôn ngữ lập trình C. Với CUDA các lập trình viên dùng để điều khiển GPU
để xử lý, tính tốn song song các dữ liệu lớn.
3


Việc tăng tốc trong q trình tính tốn khơng những đòi hỏi GPU khả năng xử lý
tốc độ cao, với dữ liệu khổng lồ mà cần phải có những thuật tốn song song hữu
hiệu.
Xuất phát từ nhu cầu trên tơi chọn đề tài:
“NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI THUẬT SONG SONG TRÊN HỆ THỐNG XỬ LÝ
ĐỒ HỌA GPU ĐA LÕI”

4


2. Mục đích và ý nghĩa của đề tài
a. Mục đích
Mục đích chính của đề tài là: nghiên cứu giải thuật song song áp dụng xây dựng
ứng dụng giải quyết một bài toán theo phương pháp song song trên card đồ họa
GPU sử dụng lập trình CUDA.
b. Ý nghĩa khoa học
-

Nắm được các giải thuật, các mẫu thiết kế tính toán song
song.

-

Khai thác các bộ thư viện CUDA SDK ứng dụng trong ngơn
ngữ lập trình song song bằng CUDA.

c. Ý nghĩa thực tiễn
Việc nghiên cứu và đề xuất giải pháp để “Nghiên cứu các giải thuật song song
trên hệ thống xử lý đồ họa GPU”, làm cơ sở để giải quyết một số bài tốn cần
lượng tính tốn lớn với dữ liệu khổng lồ.

3. Mục tiêu và nhiệm vụ
-

Tìm hiểu các thuật tốn tính tốn song song, các cách thiết kế
mẫu trong tính tốn song song.

-

Tìm hiểu cấu trúc của GPU

-

Tìm hiểu và triển khai lập trình song song với CUDA

-

Phát biểu, phân tích, cài đặt thuật tốn cho bài toán đặt ra.

-

Xây dựng thuật toán và ứng dụng áp dụng thuật tốn tính tốn
song song trên card đồ họa GPU.

-

Đánh giá kết quả theo yêu cầu của đề tài.

4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Trong khuôn khổ của luận văn thuật loại nghiên cứu và ứng dụng, tôi chỉ giới
hạn nghiên cứu các vấn đề sau:
-

Lý thuyết tính toán song song.

-

Mong muốn cải tiến được một thuật toán nào đó sang tính
tốn song song sao cho tốc độ tính tốn nhanh hơn thuật tốn cũ và phát biểu bài
5


tốn thực tế có áp dụng thuật tốn trên và cài đặt, giải quyết trên bộ đa xử lý card
đồ họa GPU bằng CUDA.

5. Những phương tiện, công cụ để có thể triển khai
-

Hệ điều hành Microsoft Windows 7.

-

Mơi trường Microsoft Visual C++ hoặc Microsoft Studio C+
+ 2008

-

Ngôn ngữ lập trình C của CUDA.

-

Sử dụng card đồ họa (của hãng NVIDIA) có hỗ trợ lập trình
CUDA.

6. Phương pháp triển khai
a. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết
-

Nghiên cứu lý thuyết về tính tốn song song, các giải thuật
tính tốn song song.

-

Nghiên cứu lý thuyết về cơ chế hoạt động tính tốn trong
GPU.

b. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

Sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm:
-

Thiết kế giải thuật song song và cài đặt trên CUDA, …

-

Triển khai xây dựng ứng dụng.

-

Chạy thử nghiệm và lưu trữ các kết quả đạt được, sau đó đánh
giá lại kết quả.

7. Kết luận
a. Kết quả của đề tài:
-

Nghiên cứu được một số thuật tốn tính tốn song song.

-

Cài đặt các thuật tốn tính tốn song song chạy trên card đồ
họa GPU.

-

Xây dựng ứng dụng tính tốn trên card đồ họa GPU sử dụng
thuật tốn tính tốn song song.

6


b. Hướng phát triển của đề tài:
-

Nghiên cứu, cải tiến một số thuật tốn tính tốn song song
nhanh hơn thuật toán cũ.

-

Phát biểu một bài toán ứng dụng thuật toán trên và cài đặt
trên CUDA.

8. Đặt tên đề tài
“NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI THUẬT SONG SONG TRÊN HỆ THỐNG
XỬ LÝ ĐỒ HỌA GPU ĐA LÕI”

9. Bố cục của luận văn
Lời cam đoan
Mục lục
Danh mục các từ viết tắt
Danh mục các bảng biểu
Danh mục các hình vẽ
Mở đầu
CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN SONG SONG
Lời mở đầu cho chương 1
1.1.

Giới thiệu đại cương về tính tốn song song

1.1.1. Lịch sử ra đời tính tốn song song
1.1.2. Phân loại các kiến trúc song song
1.1.3. Một số thuật toán đơn giản
1.1.4. Đánh giá hiệu quả tính tốn song song
1.2.

Các mẫu thiết kế thuật tốn tính tốn song song

1.2.1. Mẫu cây nhị phân
1.2.2. Chia để trị
1.2.3. …
1.3.

Phát biểu một số bài tốn tính tốn song song

1.3.1. Tích ma trận
1.3.2. Tích vơ hướng của hai vecter
1.3.3. Bài toán tổng con
1.3.4. …

7


CHƯƠNG 2. CẤU TRÚC HỆ THỐNG XỬ LÝ ĐỒ HỌA GPU VÀ CƠNG
NGHỆ TÍNH TỐN HỖ TRỢ SONG SONG DỮ LIỆU CUDA
Lời mở đầu cho chương 2
2.1.

Cấu trúc hệ thống xử lý đồ họa GPU

2.1.1. Giới thiệu công nghệ GPU
2.1.2. Tìm hiểu kiến trúc GPU
2.1.3. So sánh CPU và GPU
2.1.4. Ứng dụng của GPU trong các lĩnh vực
2.2.

Cơng nghệ tính toán hỗ trợ song song dữ liệu CUDA

2.2.1. Giới thiệu cơng nghệ CUDA
2.2.2. Mơi trường lập trình với CUDA
2.2.3. Ứng dụng CUDA trong các lĩnh vực công nghệ
CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG ỨNG DỤNG ÁP DỤNG GIẢI THUẬT SONG
SONG TRÊN HỆ THỐNG ĐA LÕI XỬ LÝ ĐỒ HỌA GPU CHO BÀI TỐN
BẮT CẶP TRÌNH TỰ
Lời mở đầu cho chương 3
3.1.

Phát biểu một số bài tốn về bắt cặp trình tự

3.2.

Thiết kế giải thuật song song trên bài tốn bắt cặp trình tự

3.3.

Cài đặt giải thuật trên CUDA

3.4.

Kết quả chương trình

3.5.

Đánh giá kết quả

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
PHỤ LỤC

8


TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng nước ngoài
[1] CUDA Programming Guide.
Tiếng Việt
[2] PGS TS Nguyễn Đức Nghĩa. Tính tốn song song.
Trang web
[3] />[4]

9


10.Kế hoạch dự kiến triển khai đề tài
ST
T

Thời gian

Nội dung thực hiện

Kết quả dự kiến

1

1 tháng:
Từ 15/06/2010
Đến 17/07/2010

Xây dựng đề cương chi tiết

Hoàn thành đề cương

2

1 tháng:
Từ 18/07/2010
Đến 17/08/2010

Chương 1: NGHIÊN CỨU CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH
TỐN SONG SONG

3

4

5

02 tháng:
Từ 18/08/2010

Đến 17/10/2010

3,5 tháng:
Từ 18/10/2010
Đến 31/01/2011

01 tháng:
Từ 01/02/2011

Đại cương về tính tốn song song.

Hiểu về tính tốn song
song

Các mẫu thiết kế thuật tốn tính tốn
song song.

Hồn thành một số mẫu
thiết kế tính tốn song
song

Phát biểu một số bài tốn áp dụng
thuật tốn tính tốn song song

Hồn thành

Chương 2: CẤU TRÚC HỆ THỐNG XỬ LÝ ĐỒ HỌA
GPU VÀ CƠNG NGHỆ TÍNH TỐN HỖ TRỢ SONG
SONG DỮ LIỆU CUDA
Cấu trúc hệ thống xử lý đồ họa GPU.

Tìm hiểu mơi trường lập trình
CUDA.

Bản báo báo.

Tổng hợp và viết báo cáo.

Hoàn chỉnh Chương 2.

Cài đặt và lập trình với
CUDA.

Chương 3: XÂY DỰNG ỨNG DỤNG ÁP DỤNG GIẢI
THUẬT SONG SONG TRÊN HỆ THỐNG XỬ LÝ ĐỒ
HỌA GPU
Xây dựng ứng dụng sử dụng thuật
toán song song dữ liệu.

Hồn thành

Kiểm thử chương trình và đánh giá
kết quả.

Hồn thiện.

Tổng hợp và viết báo cáo.

Hoàn chỉnh Chương 3.

Hoàn chỉnh luận văn

(Thời gian dự trữ)

Báo cáo nghiệm thu
luận văn tốt nghiệp.

10


Ý KIẾN CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
.................................................................................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................................................................................

Đà Nẵng, ngày… tháng…. Năm…
Cán bộ hướng dẫn,

TS. NGUYỄN THANH BÌNH

Ý KIẾN CỦA HỘI ĐỒNG CHẤM ĐỀ CƯƠNG
.................................................................................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................................................................................

.................................................................................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................................................................................

Đà Nẵng, ngày… tháng… năm…
Cán bộ duyệt đề cương,

11