📘 NVSHMEM 科学计算 30章 · 实战落地

🚀 从入门到大规模部署

1

NVSHMEM 概述与背景

为什么需要NVSHMEM？从MPI到NVSHMEM的演进，科学计算定位

2

NVSHMEM 核心概念

对称内存、PE、Team、操作语义 (PUT/GET/AMO)

3

环境搭建与编译

NVSHMEM安装、CUDA配置、nvcc编译、链接

4

Hello World 与第一个程序

初始化/终止、PE查询、PUT/GET、数据一致性

5

对称内存管理

nvshmem_malloc/释放、映射关系

6

点对点通信 (P2P)

putmem/getmem、阻塞非阻塞、带宽测试

7

集合通信 (Collective)

Barrier、Broadcast、Reduce、Alltoall

8

原子操作 (AMO)

原子加/交换/CAS，科学计算应用

9

Team 管理与通信域

Team创建/销毁、Split、多Team并行

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流式与异步操作

CUDA Stream结合、异步PUT/GET、重叠计算通信

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内存模型与一致性

一致性模型、fence/quiet、CUDA内存交互

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多GPU通信拓扑

NVLink/NVSwitch感知、节点内/间优化

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性能调优基础

延迟/带宽、通信模式、同步开销、profiler

14

大规模矩阵乘法

分布式矩阵乘法、分块、计算通信重叠

15

FFT (快速傅里叶变换)

一维分布式FFT、转置通信、vs cuFFT+MPI

16

分子动力学模拟

粒子分解、力计算、邻居列表、NVSHMEM加速

17

CFD (计算流体力学)

结构化网格分布式求解、边界交换、多GPU

18

深度学习训练中的NVSHMEM

分布式数据并行、梯度AllReduce、vs NCCL

19

图计算

大规模图分布式存储、BFS的NVSHMEM实现

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稀疏线性代数

SpMV、分布式稀疏格式、通信优化

21

混合编程

NVSHMEM+MPI, +OpenMP, +CUDA Graphs

22

故障恢复与容错

容错机制、检查点恢复、超算实践

23

调试与诊断

段错误/死锁/数据竞争、调试工具、日志

24

高级内存管理

动态对称内存、内存池、对齐与性能

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NVSHMEM 与 NCCL 对比

适用场景、性能差异、选型建议

26

多节点集群部署

Slurm脚本、MPI启动NVSHMEM、跨节点配置

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案例分析：气象模拟

全球大气模型、通信模式、性能收益

28

案例分析：地震波模拟

弹性波方程、域分解、NVSHMEM加速

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案例分析：量子化学计算

电子结构计算、大规模并行效率

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未来展望与总结

NVSHMEM路线图、CUDA 12.x集成、社区生态