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下載提高英特爾® 至強(qiáng)® 處理器 5500 系列的醫(yī)療成像性能 [PDF 488KB]

摘要

醫(yī)療成像領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)激烈，那些占據(jù)市場(chǎng)的產(chǎn)品可在最短時(shí)間內(nèi)提供最好的圖像以保證患者診斷與治療的準(zhǔn)確性，從而最大程度提高了醫(yī)療質(zhì)量及醫(yī)務(wù)人員和醫(yī)療設(shè)備的效率。醫(yī)療成像技術(shù)的演進(jìn)導(dǎo)致數(shù)據(jù)集越來(lái)越大，算法也越來(lái)越復(fù)雜，從而不斷推高了對(duì)處理能力的要求，并為性能優(yōu)化拓展了許多機(jī)會(huì)。本簡(jiǎn)介介紹了為優(yōu)化英特爾® 至強(qiáng)® 處理器 5500 系列圖像重建算法所做的工作。與原始代碼相比，該工作將速度提高了 50 倍。內(nèi)容包括應(yīng)用特性描述（計(jì)算與數(shù)據(jù)訪問(wèn)）、性能增強(qiáng)工作（線程與高速緩存優(yōu)化）及性能問(wèn)題（線程開(kāi)銷與數(shù)據(jù)訪問(wèn)模式）。

簡(jiǎn)介

醫(yī)療成像掃描儀種類繁多，但大多數(shù)有一些共性：它們會(huì)產(chǎn)生巨大的數(shù)據(jù)流，而這些數(shù)據(jù)流需要進(jìn)行處理以生成有利于診斷的圖像。一些常見(jiàn)的成像系統(tǒng)（或所謂的醫(yī)療器械）有計(jì)算機(jī)斷層掃描 (CT)、磁共振成象 (MRI)、正電子發(fā)射斷層顯像 (PET)、及單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層成像術(shù) (SPECT)。

如你所想，圖像質(zhì)量對(duì)于診斷的準(zhǔn)確性極為關(guān)鍵。在許多情況下，獲取圖像所需的時(shí)間在向患者提供恰當(dāng)護(hù)理的過(guò)程中具有十分重要的作用。掃描儀收集數(shù)據(jù)的時(shí)間與其將數(shù)據(jù)處理成圖像的時(shí)間相比顯得非常短，但是，在允許患者離開(kāi)之前，常常有必要看到圖像，以確定獲得了正確的圖像。顯然，這一處理時(shí)間限制了成像研究的次數(shù)，成像研究可在隨時(shí)進(jìn)行，并會(huì)影響醫(yī)務(wù)人員和設(shè)備的效率（及投資回報(bào)）。從多個(gè)方面來(lái)說(shuō)性能都很關(guān)鍵。

所需的處理量取決于具體的醫(yī)療器械，但一般會(huì)需要服務(wù)器集群或者甚至專用硬件在合理的時(shí)間內(nèi)提供圖像。最近，英特爾® 至強(qiáng)處理器 5500 系列幫助我們裁剪了一半的服務(wù)器（與前代服務(wù)器相比），但隨著掃描儀分辨率的提高，對(duì)處理速度的要求會(huì)繼續(xù)增加。

醫(yī)療成像設(shè)備介紹

醫(yī)療成像掃描儀（被稱為醫(yī)療行業(yè)的醫(yī)療設(shè)備）并不會(huì)生成圖像，而是產(chǎn)生巨大的數(shù)據(jù)流，工作人員需要對(duì)處理這些數(shù)據(jù)流以重建對(duì)診斷有用的圖像。所需重建處理的詳情依不同的醫(yī)療設(shè)備而有所不同。

CT （即計(jì)算機(jī)斷層掃描）掃描儀當(dāng)這個(gè)環(huán)形物旋轉(zhuǎn)，人體會(huì)穿過(guò)環(huán)形物的小孔。檢測(cè)器的檢測(cè)數(shù)據(jù)表示 x 射線能量的數(shù)量，該能量使其沿著檢測(cè)器和 x 射線源之間的一系列射線穿過(guò)身體。檢測(cè)器的數(shù)據(jù)用于重建表示人體內(nèi)部結(jié)果的圖像（立體切面圖）。CT 對(duì)于骨骼尤其靈敏。圖 1 向我們展示了橫截面，其中有肋骨、脊柱和一些內(nèi)臟。

MRI（磁共振成像）包括在強(qiáng)烈的磁場(chǎng)及脈沖射頻場(chǎng)中，對(duì)組織中能量狀態(tài)變化的測(cè)量。一系列傳感器可檢測(cè)到這些能量變化及內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)圖像中的后處理結(jié)果。MRI 非常易于區(qū)分不同的組織類型。圖 2 所示為人體頭骨的橫截面，詳細(xì)展示了大腦、眼睛、鼻子、嘴巴及其它構(gòu)造。

PET 及 SPECT 為核成像技術(shù)，需要將放射性藥物注入人體中，并會(huì)生成圖像，顯示組織和肌肉中的新陳代謝過(guò)程是如何消耗這些藥物的。這兩種設(shè)備的具體構(gòu)造各不相同，但都可生成反應(yīng)新陳代謝活動(dòng)和非活動(dòng)器官的圖像。圖 3b 對(duì)正常人體及（患有帕金森癥）患者的頭部 PET 圖像進(jìn)行比較。圖 4b 所示為心臟的 SPECT“立體切片圖”，其中的“明亮”部位表示心肌正在接收代表活體心臟組織的放射性示蹤劑并使其進(jìn)行新陳代謝。由于數(shù)據(jù)的嘈雜本質(zhì)，PET 和 SPECT 圖像比 CT 和 MRI 顯示的內(nèi)容要少，但可在計(jì)算密集型重建計(jì)算的幫助下處理這些噪音。 #p#page_title#e#

圖像重建代碼

與常規(guī)重建相比，新算法初步的單線程實(shí)施多耗費(fèi)了很多時(shí)間。該代碼針對(duì)英特爾® 架構(gòu)進(jìn)行了分析和優(yōu)化。所有的工作都是在配備了 2 個(gè) 英特爾® 至強(qiáng)® 處理器 X5560 的服務(wù)器平臺(tái)上進(jìn)行的，其中處理器的運(yùn)行速度為 2.8GHz，內(nèi)存為 12GB。操作系統(tǒng)為 64 為 Linux*。

代碼分析

代碼檢驗(yàn)顯示，代碼被整合到在較大數(shù)據(jù)集（若干千兆字節(jié)）的許多小子集上執(zhí)行各種運(yùn)算的序列片段中。根據(jù)一些復(fù)雜的計(jì)算結(jié)果，從大數(shù)據(jù)集中以非均勻的方式提取子集。代碼段只在數(shù)據(jù)子集上進(jìn)行了幾項(xiàng)簡(jiǎn)單的算術(shù)運(yùn)算。鑒于非均勻的尋址（非預(yù)取或高速緩存友好型），我們預(yù)計(jì)內(nèi)存訪問(wèn)會(huì)成為一種限制因素，且檢驗(yàn)無(wú)法明確高速緩存的效率。

采用英特爾® VTune™ 性能分析器，我們斷定主代碼段大約占了 90% 的執(zhí)行時(shí)間（總時(shí)鐘周期）。在這些“熱點(diǎn)”中，CPI（每條指令時(shí)鐘周期）非常高。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步仔細(xì)研究高速緩存的性能，我們發(fā)現(xiàn)二級(jí)高速緩存缺失是合理的。那么，是什么導(dǎo)致了高 CPI 呢？經(jīng)過(guò)深入研究，我們發(fā)現(xiàn)多了一半的頁(yè)面查詢工作。這是有道理的，因?yàn)槲覀兊墓ぷ骷劝?4kB 頁(yè)面的數(shù)據(jù) TLB 的容量大許多。英特爾至強(qiáng)處理器 X5560 支持 2MB 的大頁(yè)面，有助于在每次 DTLB 輸入時(shí)處理 500 倍的數(shù)據(jù)，從而大大減少了處理大型數(shù)據(jù)集所需進(jìn)行的頁(yè)面查看。實(shí)施 2MB 的大頁(yè)面使頁(yè)面瀏覽不再大不了。

對(duì)數(shù)據(jù)索引的進(jìn)一步調(diào)查表明，非均勻的跨度和數(shù)據(jù)訪問(wèn)遍布大型數(shù)據(jù)集。我們對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了重新整理，以便索引一直增加，同時(shí)在子集之間實(shí)現(xiàn)最大化的高速緩存再使用。除了提高高速緩存的再使用率之外，這還有助于處理器的預(yù)取器更好地協(xié)調(diào)工作。大頁(yè)面和數(shù)據(jù)重排序的合力將性能提高了兩倍。

為了讓目標(biāo)平臺(tái)發(fā)揮最大效用，我們用英特爾® C/C++ 編譯器取代了 GNU GCC* 編譯器。這一改變將性能又提高了 1.2 倍。

我們通過(guò)在可用線程間劃分?jǐn)?shù)據(jù)元素的數(shù)量，開(kāi)發(fā)出一種數(shù)據(jù)并行的線程模型。在若干地方的線程間實(shí)現(xiàn)同步是很有必要的。我們希望同步過(guò)程輕便，這樣可以使用非常簡(jiǎn)單的自旋鎖。

英特爾® 至強(qiáng)® 5560 處理器結(jié)果

采取的行動(dòng)	加速1
大頁(yè)面 + 數(shù)據(jù)重排	2倍
英特爾® C/C++ 編譯器	1.2倍
多線程處理（16 條線程）	10倍
性能調(diào)優(yōu)熱點(diǎn)	1.7倍
總計(jì)	~50倍

Table 1


表 1 概述了英特爾至強(qiáng) 5560 處理器的改進(jìn)之處。

• 通過(guò)實(shí)施大頁(yè)面和重排數(shù)據(jù)訪問(wèn)，實(shí)現(xiàn)了 2 倍的加速。
• 將英特爾 C/C++ 編譯器代替 GNU GCC* 又將性能提高了 20%。
• 數(shù)據(jù)并行線程處理擴(kuò)展性良好，并借助配有 16條線程的英特爾至強(qiáng)處理器 X5560 （支持 SMT）實(shí)現(xiàn)了 10 倍的加速。
• 在熱點(diǎn)實(shí)施額外編碼變更再次實(shí)現(xiàn)了 1.7 倍的加速。
• 總體而言，大概實(shí)現(xiàn)了 50 倍的加速。

未來(lái)的性能優(yōu)化

關(guān)于這一工作可用的數(shù)據(jù)集，我們注意到當(dāng)線程的數(shù)量增加至 8-12 條以上，可擴(kuò)展性就趨于平穩(wěn)狀態(tài)。通過(guò)檢查每天線程完成的工作并將其與線程同步開(kāi)銷進(jìn)行對(duì)比，我們順利解釋了這個(gè)問(wèn)題。盡管使用了非常簡(jiǎn)單的自旋鎖對(duì)線程進(jìn)行同步，但每條線程完成的計(jì)算量卻與線程的數(shù)量成比例地降低，而同步時(shí)間則以同樣的比例增加。我們預(yù)計(jì)，同步開(kāi)銷將會(huì)在 20-28 條線程間超過(guò)計(jì)算時(shí)間，從而限制本解決方案對(duì)具有更多線程的系統(tǒng)的效用。對(duì)于這些未來(lái)的系統(tǒng)，或許數(shù)據(jù)和流程并行方法的組合將進(jìn)一步提升性能。 #p#page_title#e#

總結(jié)

雖然改善醫(yī)療圖像質(zhì)量的方法是眾所周知，但這些方法一直有賴于計(jì)算機(jī)行業(yè)提供經(jīng)濟(jì)高效的計(jì)算能力。該工作證明，通過(guò)使用英特爾® 編譯器、英特爾® Vtune™ 性能分析器及性能調(diào)優(yōu)方法為英特爾硬件優(yōu)化它們，我們?cè)谔幚磉@些計(jì)算密集型方法方面取得了巨大的進(jìn)步。

我們認(rèn)為，通過(guò)提供成本合理和有利于準(zhǔn)確及時(shí)診斷的改進(jìn)圖像、改善對(duì)患者的護(hù)理及更有效地使用人員和設(shè)備資源，可為更優(yōu)質(zhì)的醫(yī)療保健服務(wù)創(chuàng)造條件