Execução eficiente do padrão de propagação de ondas irregulares na arquitetura Many Integrated Core

Abstract

A execução eficiente de algoritmos de processamento de imagens é uma área ativa da Bioinformática. Uma das classes de algoritmos em processamento de imagens ou de padrão de computação comum nessa área é a Irregular Wavefront Propagation Pattern (IWPP). Nessa classe, elementos propagam informações para seus vizinhos em forma de ondas de propagação. Esse padrão de propagação resulta em acessos a dados e expansões irregulares. Por essa característica irregular, implementações paralelas atuais dessa classe de algoritmos necessitam de operações atômicas, o que acaba sendo muito custoso e também inviabiliza a implementação por meio de instruções Single Instruction, Multiple Data (SIMD) na arquitetura Many Integrated Core (MIC), que são fundamentais para atingir alto desempenho nessa arquitetura. O objetivo deste trabalho é reprojetar o algoritmo Irregular Wavefront Propagation Pattern, de forma a possibilitar sua eficiente execução em processadores com arquitetura Many Integrated Core que utilizem instruções SIMD. Neste trabalho, utilizando o Intel® Xeon Phi™, foram implementadas uma versão vetorizada, apresentando ganhos de até 5:63 em relação à versão não-vetorizada; uma versão paralela utilizando fila First In, First Out (FIFO) cuja escalabilidade demonstrou-se boa com speedups em torno de 55 em relação à um núcleo do coprocessador; uma versão utilizando fila de prioridades cuja velocidade foi de 1:62 mais veloz que a versão mais rápida em GPU conhecida na literatura, e uma versão cooperativa entre processadores heterogêneos que permitem processar imagens que ultrapassem a capacidade de memória do Intel® Xeon Phi™, e também possibilita a utilização de múltiplos dispositivos na execução do algoritmo.