24、高能物理中并行计算的发展

高能物理中并行计算的发展

1. 引言

高能物理（HEP）对计算能力的需求始终远超单台机器的供给。自上世纪六十年代初第一台大型主机问世以来，HEP 就在不断挑战计算机的性能极限，充分利用每一个 CPU 周期、每一点内存和磁盘空间来运行数据采集、模拟、重建和分析程序。

在这样的背景下，利用一组 CPU 或计算机并行运行，以增加程序可用的 CPU、内存和磁盘资源，是很自然的想法。而且，HEP 中的数据处理事件（即探测器记录的粒子碰撞）相互独立，可轻松并行处理。这种能大规模并行的问题被称为“极度并行问题”，大多数 HEP 处理都属于此类。然而，理论上在多台机器上运行极度并行程序看似简单，但实际操作却复杂得多。

2. 阿姆达尔定律

阿姆达尔定律由计算机架构师吉恩·阿姆达尔提出，它描述了算法并行实现相对于串行算法的预期加速比之间的关系。例如，若一个算法的并行实现能让 15% 的操作任意快速执行，而其余 85% 的操作无法并行，那么该并行版本的最大加速比为：
[
Speedup = \frac{1}{1 - 0.15} = 1.18
]
即比非并行版本快 1.18 倍。这可以写成通用公式：
[
Speedup = \frac{1}{1 - P}
]
其中，若代码完全无法并行（P = 0），则加速比为 1（无加速）；若代码完全并行（P = 1），理论上加速比趋于无穷大；若 50% 的代码可并行，最大加速比为 2，即代码运行速度翻倍。

在并行化情况下，若 P 是程序中可并行部分的比例，(1 - P) = S 是不可并行（串行）部分的比例，那么使用 N 个处理器可实现的最大加速比为：