Dot product

Основные авторы описания: А.В.Фролов, Вад.В.Воеводин (раздел 2.2), А.М.Теплов (раздел 2.4)

1 Описание свойств и структуры алгоритма

1.1 Общее описание алгоритма

Скалярное произведение векторов используется в качестве одной из базовых операций в широком круге методов. При этом используется как в версии скалярного произведения собственно [math]n[/math]-мерных векторов (одномерных массивов размера [math]n[/math]), так и в версии скалярного произведения строк, столбцов и других линейных подмножеств массивов большей размерности. Последняя отличается от первой тем, что соответствующая подпрограмма получает, кроме стартовых адресов векторов, также и параметры смещения следующих элементов относительно предыдущих (в первой версии эти смещения равны 1). Разные формулы существуют для скалярных произведений в вещественной арифметике и для комплексных векторов. Здесь мы рассматриваем только вещественную арифметику и последовательно-параллельную реализацию.

1.2 Математическое описание

Исходные данные: два одномерных массива n чисел.

Вычисляемые данные: сумма попарных произведений элементов массива.

Формулы метода: число [math]n[/math] разлагается в выражение типа [math]n = (p - 1) k + q[/math], где [math]p[/math] — количество процессоров, [math]k = \lceil \frac{n}{p} \rceil[/math], [math]q = n - k (p - 1)[/math]. После этого на [math]i[/math]-м процессоре ([math]i \lt p[/math]) последовательно вычисляется «частичное» скалярное произведение подмассивов, начиная с [math](i - 1) k + 1[/math]-го номера элемента, до [math]ik[/math]-го номера.

[math]S_i = \sum_{j = 1}^k a_{k (i - 1) + j} b_{k (i - 1) + j}[/math]

На [math]p[/math]-м процессоре последовательно вычисляется «частичное» скалярное произведение подмассивов, начиная с [math](p - 1) k + 1[/math]-го номера элемента до [math](p - 1) k + q[/math]-го номера.

[math]S_p = \sum_{j = 1}^q a_{k (p - 1) + j} b_{k (p - 1) + j}[/math]

По окончании этого процесса процессоры обмениваются данными и на одном из них (либо на всех одновременно, если результат нужен далее на всех процессорах) получившиеся суммы суммируются последовательно друг с другом.

[math]\sum_{i = 1}^p S_i[/math]

При этом в последовательно-параллельном варианте при вычислений сумм из формул используется последовательный порядок суммирования (обычно от меньших индексов к большим).

1.3 Вычислительное ядро алгоритма

Вычислительное ядро скалярного произведения в последовательно-параллельном варианте можно представить как [math]p[/math] вычислений «частных» скалярных произведений c последующим последовательным суммированием получившихся [math]p[/math] чисел.

1.4 Макроструктура алгоритма

Как уже записано в описании ядра алгоритма, основную часть вычисления скалярного произведения составляют параллельное вычисление скалярных произведений меньшей размерности последовательным методом и последовательное вычисление суммы получившихся «частных» скалярных произведений подмассивов.

1.5 Описание схемы реализации последовательного алгоритма

Формулы метода описаны выше. Последовательность исполнения суммирования может быть разная — как по возрастанию, так и по убыванию индексов. Обычно без особых причин порядок не меняют, используя естественный (возрастание индексов).

1.6 Последовательная сложность алгоритма

Для вычисления скалярного произведения массивов, состоящих из [math]n[/math] элементов, при любых разложениях количество операций умножения неизменно и равно [math]n[/math], а количество операций сложения равно [math]n - 1[/math]. Поэтому алгоритм должен быть отнесён к алгоритмам линейной сложности по количеству последовательных операций.

1.7 Информационный граф

Опишем граф алгоритма в виде рисунка. Однако следует отметить, что в большинстве случаев программисты не экономят на одном вызове операции сложения, а инициализируют начальное значение переменной нулём. В этом случае граф становится таким, как на втором рисунке (n=24).

Последовательно-параллельное вычисление скалярного произведения с экономией операций сложения

Последовательно-параллельное вычисление скалярного произведения без экономии операций сложения

1.8 Описание ресурса параллелизма алгоритма

Для вычисления скалярного произведения массивов порядка [math]n[/math] последовательно-параллельным методом в параллельном варианте требуется последовательно выполнить следующие ярусы:

• 1 ярус вычисления произведений,
• [math]k - 1[/math] ярусов суммирования по частям массивов ([math]p[/math] ветвей),
• [math]p - 1[/math] ярусов суммирования (одна последовательная ветвь).

Таким образом, в параллельном варианте критический путь алгоритма (и соответствующая ему высота ЯПФ) будет зависеть от произведённого разбиения массива на части. В оптимальном случае ([math]p = \sqrt{n}[/math]) высота ЯПФ будет равна [math] 2 \sqrt{n} - 1[/math]. При классификации по высоте ЯПФ, таким образом, последовательно-параллельный метод относится к алгоритмам со сложностью «корень квадратный». При классификации по ширине ЯПФ его сложность также будет «корень квадратный».

1.9 Описание входных и выходных данных

Входные данные: массивы [math]a[/math] (элементы [math]a_i[/math]), [math]b[/math] (элементы [math]b_i[/math]).

Дополнительные ограничения: отсутствуют.

Объём входных данных: [math]2 n[/math].

Выходные данные: сумма попарных произведений элементов массивов.

Объём выходных данных: один скаляр.

1.10 Свойства алгоритма

Соотношение последовательной и параллельной сложности в случае неограниченных ресурсов, как хорошо видно, является корнем квадратным (отношение линейной к корню квадратному). При этом вычислительная мощность алгоритма, как отношение числа операций к суммарному объему входных и выходных данных — всего-навсего 1 (входных и выходных данных почти столько же, сколько операций; если точнее - даже больше на 2). При этом алгоритм полностью детерминирован при заданном разложении [math]n[/math]. Дуги информационного графа локальны. Для уменьшения ошибок округления режимом накопления в ряде алгоритмов, использующих скалярное произведение одинарной точности, оно вычисляется с двойной точностью. Впрочем, у последовательно-параллельного способа вычисления скалярного произведения и без режима накопления влияние ошибок округления «в среднем» меньше в [math]\sqrt{n}[/math] раз.