Уровень алгоритма

Быстрое дискретное преобразование Фурье (БПФ): различия между версиями

Материал из Алговики
Перейти к навигации Перейти к поиску
[непроверенная версия][непроверенная версия]
Нет описания правки
 
(не показано 30 промежуточных версий 6 участников)
Строка 1: Строка 1:
Авторы: [[Участник:Chachba.A|Чачба А.Н.]], [[Участник:Weasel|Костоев Р.С.]]
{{Assignment|IgorS|Kronberg}}
Авторы: [[Участник:Chachba.A|Чачба А.Н.]], [[Участник:Weasel|Костоев Р.С.]]  
 
[[Участник:Chachba.A|Чачба А.Н.]] заполнил половину всех заполненных пунктов (а именно 1.1, 1.2, 1.6, 1.8, 1.9) и построил информационный граф алгоритма, [[Участник:Weasel|Костоев Р.С.]] написал программу и провел серию запусков на суперкомпьютере и заполнил вторую половину пунктов. Оба после заполнения исправляли найденные ошибки во всех пунктах.


{{algorithm
{{algorithm
Строка 13: Строка 16:


== Общее описание алгоритма ==
== Общее описание алгоритма ==
Преобразование Фурье - взаимно однозначное отображение одной функции вещественной, называемой таргетным сигналом, с другой функцией вещественной переменной, называемой образом Фурье или спектром исходной функции по формуле:
Преобразование Фурье - взаимно однозначное отображение одной функции <math>f</math> вещественной переменной, называемой таргетным сигналом, с другой функцией <math>\hat{f}</math> вещественной переменной, называемой образом Фурье, или спектром исходной функции, по формуле:


:<math>
:<math>
\hat{f}(\omega)=\frac{1}{\sqrt{2\pi}}\int\limits_{-\infty}^{\infty}f(x)e^{-ix\omega}\,dx
\hat{f}(\omega)=\frac{1}{\sqrt{2\pi}}\int\limits_{-\infty}^{\infty}f(x)e^{-ix\omega}\,dx
</math>
</math>
Дискретное преобразование Фурье, в свою очередь, если аналог непрерывного преобразования Фурье, но для дискретного сигнала содержащего <math>N</math> отсчетов.
Дискретное преобразование Фурье, в свою очередь, есть аналог непрерывного преобразования Фурье, но для дискретного сигнала, содержащего <math>N</math> отсчетов.
Широко применяет в цифровой обработке сигналов, теории вероятностей, криптографии и акустике.
Широко применяется в цифровой обработке сигналов, теории вероятностей, криптографии и акустике.
Преобразование Фурье обратимо, причем обратное преобразование имеет практически ту же форму, что и прямое.
Преобразование Фурье обратимо, причем обратное преобразование имеет практически ту же форму, что и прямое.
Преобразование Фурье имеет сложность <math>O(N^2)</math>, но существует быстрый вариант преобразование Фурье со сложностью <math>O(N\log{N})</math>.
Преобразование Фурье имеет сложность <math>O(N^2)</math>, но существует быстрый вариант преобразование Фурье со сложностью <math>O(N\log{N})</math>.
Такая скорость достигается благодаря применению схемы «разделяй и властвуй». Общий вид преобразования позволяет разделить массив на несколько частей таким образом, что, применяя преобразование Фурье к отдельным его частям и объединяя специальным образом результаты (при помощи поворотных множителей и повторного применения преобразования), получать на выходе образ исходного вектора. Но благодаря разделению массива исходного размера на части суммарная асимптотическая сложность алгоритма уменьшается.


== Математическое описание алгоритма ==
== Математическое описание алгоритма ==
Строка 32: Строка 36:
\bar X = A\bar x
\bar X = A\bar x
</math>
</math>
где матрица <math>A = \{e^{-\frac{2\pi i}{N}(i - 1)(j - 1)}\}_{i,j=1}^{N}</math>
где матрица <math>A = \{\varepsilon_{N}^{(i - 1)(j - 1)}\}_{i,j=1}^{N}</math>
== Вычислительное ядро алгоритма ==
== Вычислительное ядро алгоритма ==
Пусть, для простоты <math> N = km</math>, тогда рекурсивная реализация преобразования Фурье, за счет <math>O(N{k})</math> уровней рекурсии, имеет суммарную сложность <math>O(Nk + Nm + km) = O(N(k + m))</math>.  
Пусть, для простоты <math> N = km</math>, тогда рекурсивная реализация преобразования Фурье, за счет <math>{k}</math> рекурсий на первом этапе и <math>m</math> на последнем этапе, имеет суммарную сложность <math>O(Nk + Nm + km) = O(N(k + m))</math>.  


В случае, например <math>N = 2^n</math> сложность БПФ составляет <math>O(N\log{N})</math>.
В случае, например <math>N = 2^n</math> сложность БПФ составляет <math>O(N\log{N})</math>.


В общем же случае, когда <math>N = \prod_{i=1}^np_i</math> сложность БПФ составляет <math> O(N(\sum_{i=1}^np_i))</math>.
В общем же случае, когда <math>N = \prod_{i=1}^np_i</math> сложность БПФ составляет <math> O(N(\sum_{i=1}^np_i))</math>. Так как рекурсия применяется каждый раз при отщеплении одного множителя, то можно заключить, что глубина рекурсии алгоритма составляет <math>O(n)</math>, где <math>n</math> — число множителей в факторизации <math>N</math>.
 
В свою очередь, если число <math>N</math> не факторизуется в произведение простых множителей (то есть <math>N</math> — простое число), то данный алгоритм напрямую не применим. На замену ему приходит алгоритм Радера, который в некотором смысле сводит задачу размерности <math>N</math> к подзадаче задаче размерности <math>N\pm 1</math> вычисления свертки, в которой допустимо и увеличение размерности до составных в том числе.


== Макроструктура алгоритма ==
== Макроструктура алгоритма ==
Строка 80: Строка 86:
}
}
</nowiki>
</nowiki>
В последовательном варианте можно бороться за улучшение константы сложности, предподсчитав значения соответствующих коэффициентов.
== Последовательная сложность алгоритма ==
== Последовательная сложность алгоритма ==
Алгоритм состоит из трех этапов, следовательно если <math>N = \prod_{i = 1}^np_i</math>, то общая сложность составляет порядка <math>O(N\sum_{i=1}^np_i)</math> операций.
Алгоритм состоит из трех этапов, следовательно если <math>N = \prod_{i = 1}^np_i</math>, то общая сложность составляет порядка <math>O(N\sum_{i=1}^np_i)</math> операций.
Строка 93: Строка 101:


== Ресурс параллелизма алгоритма ==
== Ресурс параллелизма алгоритма ==
Пусть имеется неограниченное число процессоров, тогда учитывая схему алгоритма БПФ, максимальное число одновременно работающих процессоров может составлять <math>N</math>, тогда сложность алгоритма на <math>N</math> процессорах составит <math>\log{N}</math>.
В силу независимости всех рекурсивных вызовов и того факта, что путь максимальной длины в графе (так называемый критический путь) имеет порядок <math>O(\log{N})</math>, можно утверждать, что параллельная сложность алгоритма составит <math>O(\log{N})</math>.
 
''Замечание'': формально основание логарифма на каждом рекурсивном шаге зависит от множителя в факторизации <math>N</math>, потому использована О-символика.
 
При условии ограниченности количества доступных вычислительных узлов рекомендуется выбирать множители в разложении числа <math>N</math> близкими к числу доступных узлов, таким образом доступные ресурсы будут использованы максимально эффективно.
 
Итого алгоритм относится к логарифмическому классу алгоритмов по параллельной сложности.


== Входные и выходные данные алгоритма ==
== Входные и выходные данные алгоритма ==
'''Входные данные''':
'''Входные данные''':
Чаще всего для обработки сигналов в качестве входных данных для БПФ подается вектор размерности <math>N</math> вещественных элементов. Но БПФ работает и для случая элементов над комплексым полем. Таким образом, например, можно экономить на количестве применений БПФ в некоторой конкретной задаче путем приведения двух векторов вещественных чисел к одному вектору комплексных чисел с вещественной частью равной первому вектору и комплексной частью равной второму вектору.
Чаще всего для обработки сигналов в качестве входных данных для БПФ подается вектор размерности <math>N</math> вещественных элементов. Но БПФ работает и для случая элементов над комплексным полем. Таким образом, например, можно экономить на количестве применений БПФ в некоторой конкретной задаче путем приведения двух векторов вещественных чисел к одному вектору комплексных чисел с вещественной частью равной первому вектору и комплексной частью равной второму вектору:
<math>x, y</math> - исходные сигналы. Обозначим <math>z = x + iy</math>, а <math>F(k, x)</math> - это <math>k</math>-ый коэффициент образа Фурье вектора <math>x</math>. Тогда:
 
:<math>F(k, x) = \frac{F(k, z) + F(k, \bar z)}{2}</math>
:<math>F(k, y) = -i\frac{F(k, z) - F(k, \bar z)}{2}</math>
 
Учитывая, что <math>F(k, \bar z) = \overline{F(N - k, z)}</math>, получаем:
 
:<math>F(k, x) = \frac{F(k, z) + \overline{F(N-k, z)}}{2}</math>
:<math>F(k, y) = -i\frac{F(k, z) - \overline{F(N-k,z)}}{2}</math>
 
Такой способ позволяет приблизительно в два раза уменьшить количество вычислений.
 
'''Выходные данные''':
'''Выходные данные''':
Вектор размерности <math>N</math> комплексных чисел.
Вектор размерности <math>N</math> комплексных чисел - спектр исходного сигнала.


== Свойства алгоритма ==
== Свойства алгоритма ==
Строка 118: Строка 144:


== Масштабируемость алгоритма и его реализации ==
== Масштабируемость алгоритма и его реализации ==
Все запуски программы[http://pastebin.com/raw/xajKb9JN] проводились на с/к Blue Gene/P с использованием библиотеки Intel MKL.
IBM Blue Gene/P — массивно-параллельная вычислительная система, которая состоит из двух стоек, включающих 2048 четырехъядерных вычислительных узлов, с пиковой производительностью 27,9 терафлопс.
Характеристики системы:
* две стойки с вычислительными узлами и узлами ввода-вывода
* 1024 четырехъядерных вычислительных узла в каждой из стоек
* 16 узлов ввода-вывода в стойке (в текущей конфигурации активны 8, т.е. одна I/O-карта на 128 вычислительных узлов)
* программирование с использованием MPI, OpenMP/pthreads, POSIX I/O
* высокая энергоэффективность: ∼ 372 MFlops/W
Вычислительный узел включает в себя четырехъядерный процессор, 2 ГБ общей памяти и сетевые интерфейсы.
Вычислительной узел:
* четыре микропроцессорных ядра PowerPC 450 (4-way SMP)
* пиковая производительность: 4 ядра x 3,4 GFlop/sec на ядро = 13,6 GFlop/sec
* пропускная способность памяти: 13,6 GB/sec
* 2 ГБ общей памяти
* 2 x 4 МБ кэш-памяти 2-го уровня (в документации по BG/P носит название L3)
* легковесное ядро (compute node kernel, CNK), представляющее собой Linux-подобную операционную систему, поддерживающую значительное подмножество Linux-совместимых системных вызовов
* асинхронные операции межпроцессорных обменов (выполняются параллельно с вычислениями)
* операции ввода-вывода перенаправляются I/O-картам через сеть коллективных операций
[[Файл:Time.PNG|center|thumb|640px|'''Рисунок 2.''' Время выполнения параллельной реализации БПФ в секундах. Size - число элементов массива. Р - число использованных процессоров.]]
[[Файл:Efff.PNG|center|thumb|640px|'''Рисунок 3.''' Эффективность параллельной реализации БПФ. Size - число элементов массива. Р - число использованных процессоров. Эффективность в пределах от 0 до 1.]]
Как видно из графика, эффективность параллельной реализации резко падает с ростом количества используемых процессоров, связано это с увеличением количества накладных расходов.


== Динамические характеристики и эффективность реализации алгоритма ==
== Динамические характеристики и эффективность реализации алгоритма ==
Строка 129: Строка 183:


= Литература =
= Литература =
* Бахвалов Н. С.,  Жидков Н. П., Кобельков. Г. М. — 6-е изд. — М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2008. — 636 с.
* Описание алгоритма на Википедии: [https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%91%D1%8B%D1%81%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%B5_%D0%BF%D1%80%D0%B5%D0%BE%D0%B1%D1%80%D0%B0%D0%B7%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D0%B5_%D0%A4%D1%83%D1%80%D1%8C%D0%B5 Быстрое преобразование Фурье]
* Материалы лекций по "Алгоритмам и структурам данных" Школы Анализа Данных Яндекса

Текущая версия от 07:52, 12 декабря 2016

Файл:Symbol confirmed.svgЭта работа успешно выполнена
Преподавателю: в основное пространство, в подстраницу

Данное задание было проверено и зачтено.
Проверено Kronberg и IgorS.

Авторы: Чачба А.Н., Костоев Р.С.

Чачба А.Н. заполнил половину всех заполненных пунктов (а именно 1.1, 1.2, 1.6, 1.8, 1.9) и построил информационный граф алгоритма, Костоев Р.С. написал программу и провел серию запусков на суперкомпьютере и заполнил вторую половину пунктов. Оба после заполнения исправляли найденные ошибки во всех пунктах.



Быстрое преобразование Фурье (БПФ)
Последовательный алгоритм
Последовательная сложность [math]\displaystyle{ O(N \log N) }[/math]
Объём входных данных [math]\displaystyle{ N }[/math]
Объём выходных данных [math]\displaystyle{ N }[/math]
Параллельный алгоритм
Высота ярусно-параллельной формы [math]\displaystyle{ O(\log N) }[/math]
Ширина ярусно-параллельной формы [math]\displaystyle{ O(N) }[/math]


ЧАСТЬ. Свойства и структура алгоритмов

Общее описание алгоритма

Преобразование Фурье - взаимно однозначное отображение одной функции [math]\displaystyle{ f }[/math] вещественной переменной, называемой таргетным сигналом, с другой функцией [math]\displaystyle{ \hat{f} }[/math] вещественной переменной, называемой образом Фурье, или спектром исходной функции, по формуле:

[math]\displaystyle{ \hat{f}(\omega)=\frac{1}{\sqrt{2\pi}}\int\limits_{-\infty}^{\infty}f(x)e^{-ix\omega}\,dx }[/math]

Дискретное преобразование Фурье, в свою очередь, есть аналог непрерывного преобразования Фурье, но для дискретного сигнала, содержащего [math]\displaystyle{ N }[/math] отсчетов. Широко применяется в цифровой обработке сигналов, теории вероятностей, криптографии и акустике. Преобразование Фурье обратимо, причем обратное преобразование имеет практически ту же форму, что и прямое. Преобразование Фурье имеет сложность [math]\displaystyle{ O(N^2) }[/math], но существует быстрый вариант преобразование Фурье со сложностью [math]\displaystyle{ O(N\log{N}) }[/math]. Такая скорость достигается благодаря применению схемы «разделяй и властвуй». Общий вид преобразования позволяет разделить массив на несколько частей таким образом, что, применяя преобразование Фурье к отдельным его частям и объединяя специальным образом результаты (при помощи поворотных множителей и повторного применения преобразования), получать на выходе образ исходного вектора. Но благодаря разделению массива исходного размера на части суммарная асимптотическая сложность алгоритма уменьшается.

Математическое описание алгоритма

Пусть исходный сигнал имеет значения [math]\displaystyle{ x_n,\quad n = 0,\dots,N-1 }[/math], тогда дискретное прямое преобразование Фурье (ДПФ) имеет вид:

[math]\displaystyle{ X_k = \sum_{n=0}^{N-1}x_ne^{-\frac{2\pi i}{N}kn},\quad k = 0, \dots, N-1 }[/math]

Обозначим [math]\displaystyle{ \varepsilon_{N} = e^{-\frac{2\pi i}{N}} }[/math], тогда ДПФ можно перезаписать в матричной форме:

[math]\displaystyle{ \bar X = A\bar x }[/math]

где матрица [math]\displaystyle{ A = \{\varepsilon_{N}^{(i - 1)(j - 1)}\}_{i,j=1}^{N} }[/math]

Вычислительное ядро алгоритма

Пусть, для простоты [math]\displaystyle{ N = km }[/math], тогда рекурсивная реализация преобразования Фурье, за счет [math]\displaystyle{ {k} }[/math] рекурсий на первом этапе и [math]\displaystyle{ m }[/math] на последнем этапе, имеет суммарную сложность [math]\displaystyle{ O(Nk + Nm + km) = O(N(k + m)) }[/math].

В случае, например [math]\displaystyle{ N = 2^n }[/math] сложность БПФ составляет [math]\displaystyle{ O(N\log{N}) }[/math].

В общем же случае, когда [math]\displaystyle{ N = \prod_{i=1}^np_i }[/math] сложность БПФ составляет [math]\displaystyle{ O(N(\sum_{i=1}^np_i)) }[/math]. Так как рекурсия применяется каждый раз при отщеплении одного множителя, то можно заключить, что глубина рекурсии алгоритма составляет [math]\displaystyle{ O(n) }[/math], где [math]\displaystyle{ n }[/math] — число множителей в факторизации [math]\displaystyle{ N }[/math].

В свою очередь, если число [math]\displaystyle{ N }[/math] не факторизуется в произведение простых множителей (то есть [math]\displaystyle{ N }[/math] — простое число), то данный алгоритм напрямую не применим. На замену ему приходит алгоритм Радера, который в некотором смысле сводит задачу размерности [math]\displaystyle{ N }[/math] к подзадаче задаче размерности [math]\displaystyle{ N\pm 1 }[/math] вычисления свертки, в которой допустимо и увеличение размерности до составных в том числе.

Макроструктура алгоритма

Макроструктура БПФ для случая [math]\displaystyle{ N = km }[/math] описывается рекурсивно:

  1. [math]\displaystyle{ k }[/math] независимых преобразований векторов меньшей размерности [math]\displaystyle{ m }[/math]
  2. Умножение элементов на поворотные коэффициенты ([math]\displaystyle{ N }[/math] умножений)
  3. [math]\displaystyle{ m }[/math] обратных преобразований векторов размерностей [math]\displaystyle{ k }[/math]

Схема реализации последовательного алгоритма

Рекурсивный метод для случая [math]\displaystyle{ N = 2^k }[/math], без оптимизации на C++:

#include <vector>
#include <complex>

using namespace std;

typedef complex<double> cd;
typedef vector<cd> vcd;

vcd fft(const vcd &as) { 
  int n = as.size();
  if (n == 1) return vcd(1, as[0]);

  vcd w(n); // Calculate roots
  for (int i = 0; i < n; i++) {
    double alpha = 2 * M_PI * i / n;
    w[i] = cd(cos(alpha), sin(alpha));
  }

  vcd A(n / 2), B(n / 2);
  for (int i = 0; i < n / 2; i++) {
    A[i] = as[i * 2];
    B[i] = as[i * 2 + 1];
  }
  vcd Av = fft(A);
  vcd Bv = fft(B);
  vcd res(n);
  for (int i = 0; i < n; i++)
    res[i] =   Av[i % (n / 2)] +
        w[i] * Bv[i % (n / 2)];
  return res;
}

В последовательном варианте можно бороться за улучшение константы сложности, предподсчитав значения соответствующих коэффициентов.

Последовательная сложность алгоритма

Алгоритм состоит из трех этапов, следовательно если [math]\displaystyle{ N = \prod_{i = 1}^np_i }[/math], то общая сложность составляет порядка [math]\displaystyle{ O(N\sum_{i=1}^np_i) }[/math] операций.

Пусть существует некоторое фиксированное число [math]\displaystyle{ P }[/math], такое что:

[math]\displaystyle{ p_i \leq P \quad \forall i = 1...n, }[/math]

тогда, учитывая, что [math]\displaystyle{ n \leq \log_{P}{N} }[/math], сложность алгоритма можно записать в виде [math]\displaystyle{ O(N\log{N}) }[/math].

Информационный граф

Рисунок 1. Информационный граф преобразования Кули-Тьюки для [math]\displaystyle{ N = km = 25, k = 5, m = 5 }[/math]. Желтые вершины - умножение на поворотные множители.

Ресурс параллелизма алгоритма

В силу независимости всех рекурсивных вызовов и того факта, что путь максимальной длины в графе (так называемый критический путь) имеет порядок [math]\displaystyle{ O(\log{N}) }[/math], можно утверждать, что параллельная сложность алгоритма составит [math]\displaystyle{ O(\log{N}) }[/math].

Замечание: формально основание логарифма на каждом рекурсивном шаге зависит от множителя в факторизации [math]\displaystyle{ N }[/math], потому использована О-символика.

При условии ограниченности количества доступных вычислительных узлов рекомендуется выбирать множители в разложении числа [math]\displaystyle{ N }[/math] близкими к числу доступных узлов, таким образом доступные ресурсы будут использованы максимально эффективно.

Итого алгоритм относится к логарифмическому классу алгоритмов по параллельной сложности.

Входные и выходные данные алгоритма

Входные данные: Чаще всего для обработки сигналов в качестве входных данных для БПФ подается вектор размерности [math]\displaystyle{ N }[/math] вещественных элементов. Но БПФ работает и для случая элементов над комплексным полем. Таким образом, например, можно экономить на количестве применений БПФ в некоторой конкретной задаче путем приведения двух векторов вещественных чисел к одному вектору комплексных чисел с вещественной частью равной первому вектору и комплексной частью равной второму вектору: [math]\displaystyle{ x, y }[/math] - исходные сигналы. Обозначим [math]\displaystyle{ z = x + iy }[/math], а [math]\displaystyle{ F(k, x) }[/math] - это [math]\displaystyle{ k }[/math]-ый коэффициент образа Фурье вектора [math]\displaystyle{ x }[/math]. Тогда:

[math]\displaystyle{ F(k, x) = \frac{F(k, z) + F(k, \bar z)}{2} }[/math]
[math]\displaystyle{ F(k, y) = -i\frac{F(k, z) - F(k, \bar z)}{2} }[/math]

Учитывая, что [math]\displaystyle{ F(k, \bar z) = \overline{F(N - k, z)} }[/math], получаем:

[math]\displaystyle{ F(k, x) = \frac{F(k, z) + \overline{F(N-k, z)}}{2} }[/math]
[math]\displaystyle{ F(k, y) = -i\frac{F(k, z) - \overline{F(N-k,z)}}{2} }[/math]

Такой способ позволяет приблизительно в два раза уменьшить количество вычислений.

Выходные данные: Вектор размерности [math]\displaystyle{ N }[/math] комплексных чисел - спектр исходного сигнала.

Свойства алгоритма

Матрица Вандермонда преобразования [math]\displaystyle{ A = \{e^{-\frac{2\pi i}{N}(i - 1)(j - 1)}\}_{i,j=1}^{N} }[/math] такая, что:

[math]\displaystyle{ A^{-1} = \frac{1}{N}A^* }[/math]

Таким образом обратное преобразование Фурье с точностью до нормирующего множителя и сопряжения элементов матрицы совпадает с прямым.

ЧАСТЬ. Программная реализация алгоритма

Особенности реализации последовательного алгоритма

Локальность данных и вычислений

Возможные способы и особенности параллельной реализации алгоритма

Масштабируемость алгоритма и его реализации

Все запуски программы[1] проводились на с/к Blue Gene/P с использованием библиотеки Intel MKL.

IBM Blue Gene/P — массивно-параллельная вычислительная система, которая состоит из двух стоек, включающих 2048 четырехъядерных вычислительных узлов, с пиковой производительностью 27,9 терафлопс.

Характеристики системы:

  • две стойки с вычислительными узлами и узлами ввода-вывода
  • 1024 четырехъядерных вычислительных узла в каждой из стоек
  • 16 узлов ввода-вывода в стойке (в текущей конфигурации активны 8, т.е. одна I/O-карта на 128 вычислительных узлов)
  • программирование с использованием MPI, OpenMP/pthreads, POSIX I/O
  • высокая энергоэффективность: ∼ 372 MFlops/W

Вычислительный узел включает в себя четырехъядерный процессор, 2 ГБ общей памяти и сетевые интерфейсы.

Вычислительной узел:

  • четыре микропроцессорных ядра PowerPC 450 (4-way SMP)
  • пиковая производительность: 4 ядра x 3,4 GFlop/sec на ядро = 13,6 GFlop/sec
  • пропускная способность памяти: 13,6 GB/sec
  • 2 ГБ общей памяти
  • 2 x 4 МБ кэш-памяти 2-го уровня (в документации по BG/P носит название L3)
  • легковесное ядро (compute node kernel, CNK), представляющее собой Linux-подобную операционную систему, поддерживающую значительное подмножество Linux-совместимых системных вызовов
  • асинхронные операции межпроцессорных обменов (выполняются параллельно с вычислениями)
  • операции ввода-вывода перенаправляются I/O-картам через сеть коллективных операций
Рисунок 2. Время выполнения параллельной реализации БПФ в секундах. Size - число элементов массива. Р - число использованных процессоров.
Рисунок 3. Эффективность параллельной реализации БПФ. Size - число элементов массива. Р - число использованных процессоров. Эффективность в пределах от 0 до 1.

Как видно из графика, эффективность параллельной реализации резко падает с ростом количества используемых процессоров, связано это с увеличением количества накладных расходов.

Динамические характеристики и эффективность реализации алгоритма

Выводы для классов архитектур

Существующие реализации алгоритма

  • Самая популярная библиотека для работы с преобразованиями Фурье это FFTW
  • Реализация от Intel в рамках Math Kernel Library
  • Реализация ДПФ на графических картах от NVidia - cuFFT

Литература

  • Бахвалов Н. С., Жидков Н. П., Кобельков. Г. М. — 6-е изд. — М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2008. — 636 с.
  • Описание алгоритма на Википедии: Быстрое преобразование Фурье
  • Материалы лекций по "Алгоритмам и структурам данных" Школы Анализа Данных Яндекса