[논문 리뷰] Parallelizing the Symbolic Manipulation Program FORM Part I: Workstation Clusters & Message Passing

D. Fliegner, A. Ry외 1명|arXiv (Cornell University)|2000. 07. 20.

Cellular Automata and Applications참고 문헌 1인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 메시지 전달 인터페이스(MPI/PVM)를 사용하여 워크스테이션 클러스터에서 고에너지 물리학을 위한 기호적 조작 시스템인 FORM의 병렬화 첫 번째 단계를 제시한다. 큰 기호적 표현을 여러 노드에 분산시켜 확장 가능한 성능을 달성하며, 수백만 개의 항을 처리하는 데 있어 정확성을 유지하면서도 상당한 성능 향상을 보여준다.

ABSTRACT

The present paper is the first of a series of papers reporting on the parallelization of the symbolic manipulation program FORM on different parallel architectures. Part I deals with workstation clusters using dedicated network hardware and the messages passing libraries (MPI and PVM). After a short introduction to the sequential version of FORM a detailed analysis of the different platforms used is given and the structure of the parallel version of FORM is explained. The forthcoming part II will describe the parallelization of FORM on SMP (symmetrical multi-processing) architectures. keywords: symbolic manipulation, computer algebra, high energy physics, perturbation theory, FORM 1. The Sequential Version of FORM 1.1 Introduction FORM is a program for symbolic manipulation of algebraic expressions specialized to handle very large expressions of millions of terms in an efficient and reliable way. Although it supplies a programming language that allows for the formulation of a wide ...

연구 동기 및 목표

• 고에너지 물리학 페르미온 이론에서 막대한 기호적 표현을 처리하는 데 발생하는 계산 병목 현상을 해결한다.
• 분산 메모리 워크스테이션 클러스터에서 FORM의 효율적인 병렬 실행을 가능하게 한다.
• 다중 노드 간의 정확성과 성능을 유지하면서도 확장 가능한 메시지 전달 아키텍처를 설계한다.
• 공유 메모리 SMP 시스템에서의 후속 병렬화를 위한 기반을 마련한다 (제2부에서 개선됨).

제안 방법

• MPI 및 PVM 메시지 전달 라이브러리를 사용하여 순차적 FORM 프로그램을 분산 환경에서 작동하도록 적응시킨다.
• 큰 기호적 표현을 부분 표현으로 분할하고 클러스터의 여러 워크스테이션에 분산한다.
• 노드 간의 계산 작업을 균형 있게 분배하기 위한 로드 밸런싱 전략을 구현한다.
• 기호 연산 중 노드 간의 통신과 동기화를 조율하기 위해 메시지 전달 프로토콜을 사용한다.
• 병렬 실행을 가능하게 하면서도 원래 FORM 프로그래밍 언어의 의미 체계를 유지한다.
• 전용 네트워크 하드웨어를 통해 데이터 전송 효율성을 극대화하고 오버헤드를 최소화하는 통신 레이어를 설계한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 메시지 전달을 사용하여 워크스테이션 클러스터에서 FORM의 기호적 조작 기능을 효과적으로 병렬화할 수 있는가?
• RQ2 클러스터의 여러 노드에 대규모 기호적 표현을 분산하면 어떤 성능 향상을 얻을 수 있는가?
• RQ3 메시지 전달 라이브러리(MPI/PVM)의 선택이 병렬 FORM 구현의 확장성과 신뢰성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 단일 프로세서 환경을 초월해 확장할 경우 정확성과 효율성을 유지하기 위해 어떤 아키텍처적 변경이 필요한가?

주요 결과

• 병렬 FORM은 클러스터의 여러 워크스테이션에 걸쳐 성공적으로 확장되어 대규모 기호적 표현 처리에서 상당한 성능 향상을 달성한다.
• MPI 및 PVM를 통한 메시지 전달은 낮은 오버헤드로 효율적인 노드 간 통신을 가능하게 하여 복잡한 기호 계산의 신뢰성 있는 분산을 지원한다.
• 수백만 개의 항을 처리하는 동안에도 모든 노드에서 결과의 정확성과 재현 가능성이 유지된다.
• 계산의 투명한 분산이 가능하여 사용자에게는 저수준 병렬성의 세부 사항이 숨겨지지만, 원래 FORM 프로그래밍 모델은 그대로 유지된다.