Титульный лист

Федеральное агентство по образованию Российской Федерации

Санкт-Петербургский государственный университет

Математико-механический факультет

Регистрационный номер
рабочей программы учебной дисциплины:

код года утверждения

/

код факультета

/

порядковый номер учебной дисциплины

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ

«Теория распараллеливания над общей памятью»

основной образовательной программы высшего профессионального образования

подготовки по специальности

010503

Математическое обеспечение и администрирование информационных систем

по профилю

По всем профилям ООП

для получения квалификации (степени)

специалист

Рабочая программа учебной дисциплины может использоваться при совпадении значения трудоёмкости в зачётных единицах в одной или нескольких основных и дополнительных образовательных программах, характеристики которых указываются на титульном листе

код дисциплины

Б32(?)

по учебному плану

?? /?? /??

форма обучения

очная

виды промежуточной аттестации:

зачётов

экзаменов

1

Рабочая программа учебной дисциплины может соответствовать одному или нескольким учебным планам образовательных программ, в том числе по различным формам обучения, в этом случае все соответствующие коды, виды и количество процедур промежуточной аттестации указываются на титульном листе

Трудоёмкость учебной дисциплины

 3

зачётных единиц

Санкт-Петербург

2009

Раздел 1. Характеристики, структура и содержание учебной дисциплины

 

 

1.1. Цели и результаты изучения дисциплины

 

Дисциплина «Теория распараллеливания над общей памятью» является одной из важных дисциплин цикла (Б3), формирующего подготовку специалиста в области высокоэффективных вычислений на современных вычислительных системах. Она представляет собой комплекс знаний, умений и навыков, позволяющих овладеть основами параллельных вычислений на современных многоядерных компьютерах, а также углубить знания о влиянии структуры алгоритма на погрешность вычислений, на устойчивость вычислений относительно погрешностей округления.

Отдельные параметры курса могут варьироваться по степени сложности в зависимости от уровня подготовки студентов. Курс должен быть построен на принципах компетентностного, деятельностного подхода к вычислениям как средству обоснованного проведения различных расчетов, с применением высокопроизводительных компьютеров с общей памятью, что предполагает распределение содержания обучения по следующим видам деятельности: изучение основных концепций параллельного программирования, изучение средств распараллеливания, изучение элементов программирования, составление алгоритмов, проведение простейших вычислений, анализ ошибок, связанных с различными погрешностями, в том числе, с алгебраически допустимым изменением порядка вычислений.

Основным методологическим принципом построения программы курса, равно как и всей концепции обучения основам распараллеливания в целом, является принцип поэтапного системного накопления знаний и формирования необходимых компетенций по модели: от простого и/или знакомого - к сложному и/или незнакомому, а основной методологической стратегией прохождения отдельных разделов программы является ступенчатость и цикличность, предусматривающие постепенный возврат к ранее усвоенному материалу на более высоком языковом и концептуальном уровне.

Цель изучения дисциплины: обучение студентов методам распараллеливания вычислений с использованием мощных вычислительных систем с общей памятью, развитие у студентов доказательного, логического мышления; знакомство с различными языками, применяемыми на упомянутых системах, подготовка к самостоятельному решению различных алгоритмических задач с использованием этих систем.

 

1.2. Язык(и) обучения

 

Русский

 

1.3. Требования к подготовленности обучающегося к освоению содержания учебной дисциплины (пререквизиты)

 

Программа курса предназначена для студентов 3 курса и рассчитана на студентов, изучавших численные методы и программирование в объеме первых двух курсов обучения и владеющих базовыми навыками работы с компьютером.

Максимальная эффективность программы будет обеспечена при условии, что студент:

-  Владеет основами численных методов.

-  Владеет основами программирования, достаточными для составления простейших программ.

 

1.4. Перечень компетенций, формируемых при изучении дисциплины (с указанием кодов)

 

ОК-1, ОК-11- быть способным приобретать новые знания, используя современные образовательные и информационные технологии; ПК-12 – понимать значение фундаментальных знаний при изучении компьютерных дисциплин; ПК-22 - иметь способность к эффективному применению и реализации математически сложных алгоритмов в современных программных комплексах.

 

1.5. Знания, умения, навыки, осваиваемые обучающимся при изучении дисциплины

 

Основной целью курса является овладение студентами теоретических основ техники распараллеливания вычислений и применение полученных знаний, а именно:

-  знание содержания дисциплины "Теория распараллеливания над общей памятью" и обладание достаточно полным представлением о возможностях применения разделов курса в различных прикладных областях науки и техники;

-  умение проводить вычисления на современных высокопроизводительных вычислительных системах с общей памятью в соответствии с программой курса.

-  Развитие способности дальнейшего освоения методов распараллеливания вычислений, способами и средствами организации параллельных потоков на вычислительных системах с распределенной и общей памятью, развития навыков работы с компьютером как средством управления информацией

 

1.6. Перечень и объём активных форм учебной работы по дисциплине

 

Аудиторная учебная работа: теоретические занятия в объеме 2 часов в неделю, (при наличии в Университете компьютерных классов) и текущее тестирование, текущие тесты контрольные работы (комплексное тестирование) в конце семестра.

Самостоятельная работа:

а) под руководством преподавателя

проведение экспериментов по распараллеливанию вычислений

проведение экспериментов по влиянию погрешностей, связанных с округлением чисел и особенностями машинной арифметики, на результаты вычислений

б) в присутствии преподавателя (работа студента в компьютерном классе открытого доступа при выполнении контрольных заданий)

в) без участия преподавателя (индивидуальная работа с доступными информационными и образовательными ресурсами, имеющимися в библиотеке, в открытом доступе в сети Интернет и локальной сети Университета с целью преодоления индивидуальных трудностей в освоении отдельных разделов курса, а также удовлетворения личных познавательных потребностей.

 

1.7. Организация изучения дисциплины, текущего контроля успеваемости
и промежуточной аттестации

Объёмы учебной работы и трудоёмкость по ООП 010503

 

Модули учебной дисциплины

Аудиторная учебная работа обучающихся

Самостоятельная работа)

Объём активных форм учебной работы (часов)

Трудоёмкость

(в зачётных единиц.)

лекции

семинары

консультации

практические
занятия

лабораторные
работы

контрольные
работы

коллоквиумы

под руководством
преподавателя

в присутствии
преподавателя

без участия
преподавателя

Пятый семестр

1-й модуль: Концепции распараллеливания

10

1

5

3

1

10

10

10

2-й модуль: Алгоритмы и вычислительные системы

10

1

5

3

1

10

10

10

3-й модуль: Реализация вычислений

14

1

9

4

1

10

10

10

ИТОГО ЧАСОВ:

34

3

19

10

3 з. е.

 

 

Виды, формы и сроки текущего контроля успеваемости и промежуточной аттестации

 

Периоды обучения

Промежуточная аттестация

Текущий контроль

Сроки

Вид и количество аттестаций

Модули учебной

дисциплины

Формы текущего контроля

Сроки текущего контроля

по ООП 010503

С5

18-21 неделя

экзамен - 1

1-й модуль: Концепции распараллеливания

Текущий контроль (по завершении каждой темы) - тест

2-й модуль: Алгоритмы и вычислительные системы

Выполнение теста на понимание курса лекций

3-й модуль: Реализация вычислений

Итоговый контроль (в конце семестра) - беседа на одну из пройденных тем.

 

1.8. Структура и содержание учебной дисциплины

 

Модуль 1 «Концепции распараллеливания»

1. О постановке задачи распараллеливания

1. Введение. О некоторых вычислительных задачах.

2. Численный эксперимент и его целесообразность.

3. О параллельных вычислительных системах (ВС).

4. Однопроцессорные, многопроцессорные ВС и трудности их использования. Идея конвейерных
вычислений.

5. О классификации многопроцесорных ВС. Параллельная форма алгоритма.

6. Примеры распараллеливания. Понятие о концепции неограниченного параллелизма.

7. О схеме сдваивания. О вычислении степени на параллельной системе.

2. О некоторых методах линейной алгебры в концепции неограниченного параллелизма

1. Распараллеливание умножения матрицы на вектор. О распараллеливании перемножения матриц.

2. Распараллеливание одного рекуррентного процесса.

3. Об LU-разложении. Распараллеливание LU-разложения трехдиагональной матрицы.

4. О распараллеливании процесса отыскания обратной матрицы.

 

Модуль 2 «Программные средства»

3. Некоторые сведения о графах в связи с распараллеливанием

1. О понятии графа. Ориентированный граф.

2. Топологическая сортировка. Примеры графов параллельных форм.

3. Изоморфизм графов. Операции гомоморфизма.

4. Построение параллельных форм. Направленный граф.

4. Функциональные устройства (ФУ)

1. Определения: простое ФУ, ковейерное ФУ, длина конвейера, стоимость операции, стоимость
работы.

2. Загруженность, асимптотическая загруженность.

3. Свойства простых и конвейерных ФУ. Номинальная (пиковая) производительность, реальная
производительность.

4. О времени реализации алгоритма. Об ускорении при распараллеливании. Максимально
возможное ускорение, вычислительный алгоритм.

5. Алгоритмы и вычислительные системы

1. О соотношении графов алгоритма и вычислительной системы. О двух задачах реализации
алгоритма.

2. Базовая вычислительная система. Понятие о временной развертке.

3. Достоинства и недостатки базовой вычислительной системы.

4. О построении графа вычислительной системы.

 

Модуль 3 «Передача сообщений. Анализ эффективности»

6. О технологии программирования Open MP

1. Трудности перехода от последовательных программ к параллельным.

2. Последовательные и параллельные области (секции). Основная нить (нить-мастер). Схема
FORK/JOIN.

3. Общие и локальные переменные.

4. Общая идея Open MP. Директивы Open MP.

5. Описание параллельных областей.

Параллельные секции и их вложенность.

6. Распределение работы. Програмирование на низком уровне.

7. Выполнение операторов цикла.

Параллелизм независимых фрагментов.

8. Классы переменных. Критическая секция.

9. Другие возможности Open MP.

10.Привлекательные черты технологии Open MP.

7. Технология программирования DVM

1. Основные принципы. Распределение массивов.

2. Выравнивание массивов. Параллельное выполнение циклов

3. Отображение задач на вычислительную систему

4. Удаленные данные. Редукционные данные.

5. Пересеченные (across) данные

6. Пример программы. Отладка программы.

7. Заключительные замечания.

 

Раздел 2. Обеспечение учебной дисциплины

 

 

2.1. Методическое обеспечение учебной дисциплины

 

2.1.1.

Методическое обеспечение аудиторной работы

 

Методические материалы включают в себя следующие типы материалов — учебники, учебные пособия, методические указания для студентов, Интернет-ресурсы, электронные учебные пособия, с опорой на которые проводится аудиторная работа.

 

2.1.2.

Методическое обеспечение самостоятельной работы

 

Самостоятельная работа студента, как вид деятельности, стимулирующий активность, самостоятельность, познавательный интерес с целью поиска необходимой информации, приобретения знаний, использования этих знаний для решения учебных, научных и профессиональных задач, представляет собой важную составляющую учебного процесса, которой отводится не менее половины учебного времени при очной форме обучения. Время, отводимое на самостоятельную работу, должно использоваться студентами для наиболее полного освоения учебной дисциплины. Следовательно, организация эффективной внеаудиторной самостоятельной работы в процессе обучения требует, с одной стороны, создание условий, призванных обеспечить рациональное и планомерное управление учебной деятельностью, протекающей в отсутствие преподавателя, и тщательной подготовки целого ряда учебных пособий, снабженных методическими указаниями, с другой стороны.

К числу методических пособий относятся:

-  общие методические рекомендации и указания по самостоятельной работе;

-  фонд контрольных заданий и тестов для самоконтроля, которые позволяют оценить уровень знаний, навыков и умений студентов согласно требованиям курса, государственным стандартам и европейским компетенциям.

Роль преподавателя в организации самостоятельной работы

Роль преподавателя в организации самостоятельной работы состоит в координации действий обучающихся в освоении дисциплины, в методическом и организационном обеспечении учебного процесса. Взаимодействие между преподавателем и студентом осуществляется в форме консультаций. Преподаватели также оказывают помощь студентам по планированию и организации самостоятельной работы.

Контроль за самостоятельной работой

Контроль за самостоятельной работой может осуществляться в форме коротких опросов и тестов, углубленных вопросов по темам занятий, дополнительных вопросов, и т. д.

Перечень примерных контрольных вопросов и заданий для самостоятельной работы студентов по всем модулям:

1. Особенности перехода от последовательного к параллельному алгоритму с учетом характеристик параллельной системы.

2. Роль общей памяти вычислительной системы для эффективного распараллеливания.

3. Способы реализации вычислений. Характерные черты Open MP. Возможности, предоставляемые интерфейсом DVM.

 

2.1.3.

Методические материалы для проведения текущего контроля
успеваемости и промежуточной аттестации по дисциплине (контрольно-измерительные материалы)

 

Аппарат контроля за усвоением материала включает в себя задания, тесты, контрольные работы, необходимые для эффективного контроля за усвоением учебного материала. Этот раздел состоит из тестов, завершающих каждую тему, тестов для самопроверки и итогового теста.

 

2.2. Кадровое обеспечение учебной дисциплины

 

2.2.1.

Требования к образованию и (или) квалификации штатных преподавателей и иных лиц, допущенных к преподаванию дисциплины

 

К преподаванию дисциплины могут быть допущены преподаватели, имеющие диплом о высшем образовании по соответствующему направлению.

 

2.2.2.

Требования к обеспеченности учебно-вспомогательным и (или) иным
персоналом

 

специальных требований нет.

 

2.2.3.

Методические материалы для оценки обучающимися содержания и
качества учебного процесса

 

Анкета-отзыв на дисциплину «Теория распараллеливания над общей памятью»

Просим Вас заполнить анкету-отзыв по прочитанной дисциплине «Теория распараллеливания над общей памятью». Обобщенные данные анкет будут использованы для ее совершенствования. По каждому вопросу проставьте соответствующие оценки по шкале от 1 до 10 баллов (обведите выбранный Вами балл). В случае необходимости впишите свои комментарии.

1.  Насколько Вы удовлетворены содержанием дисциплины в целом?

9 10

Комментарий_________________________________________________

2.  Насколько Вы удовлетворены общим стилем преподавания?

9 10

Комментарий_________________________________________________

3.  Как Вы оцениваете качество подготовки предложенных методических материалов?

9 10

Комментарий_________________________________________________

4.  Насколько Вы удовлетворены использованием преподавателями активных методов обучения?

9 10

Комментарий_________________________________________________

5.  Какой из модулей дисциплины Вы считаете наиболее полезным, ценным с точки зрения дальнейшего обучения и/или применения в последующей практической деятельности?

6.  Что бы Вы предложили изменить в методическом и содержательном плане для совершенствования преподавания данной дисциплины?

СПАСИБО!

 

 

2.3. Материально-техническое обеспечение учебной дисциплины

 

2.3.1.

Требования к аудиториям (помещениям, местам) для проведения занятий

 

В аудиториях, где проводятся занятия, необходимо наличие досок и средств письма на них.

 

2.3.2.

Требования к аудиторному оборудованию, в том числе к неспециализированному компьютерному оборудованию и программному обеспечению общего пользования

 

Аудитории для проведения практических занятий должны быть оснащены проекционной техникой и компьютером.

 

2.3.3.

Требования к специализированному оборудованию

 

Необходимо наличие компьютерных классов с высокопроизводительными многопроцессорными компьютерами/параллельными кластерами

 

2.3.4.

Требования к специализированному программному обеспечению

 

Специализированное программное обеспечение для компьютерных классов, пакет Maple, система MPICH, Visual Studio, Parallel Studio (по возможности)

 

2.3.5.

Требования к перечню и объёму расходных материалов

 

Подходящие средства для хранения электронной информации (CD, DVD-диски, флэш-память и др.)

 

2.4. Информационное обеспечение учебной дисциплины

 

2.4.1.

Список обязательной литературы

 

1.  , Демьянович параллельных вычислений. 2010.

2.  Воеводин модели и методы в параллельных процессах. М., 19с.

3.  , Воеводин Вл. В. Параллельные вычисления. СПб., 20с.

4.  Корнеев вычислительные системы. М., 19с.

5.  , Евдокимова распараллеливания и синхронизация. СПб.20с.

 

2.4.2.

Список дополнительной литературы

 
Эндрюс. Основы многопоточного, параллельного и распределенного программирования. М. 20с.

 

2.4.3.

Перечень иных информационных источников

 

Ресурсы сети Интернет.

 

Раздел 3. Процедура разработки и утверждение

 

рабочей программы учебной дисциплины

 

 

Разработчик(и) рабочей программы учебной дисциплины

 

Фамилия, имя, отчество

Учёная
степень

Учёное
звание

Должность

Контактная информация
(служебный адрес электронной почты, служебный телефон)

 

.

доктор
ф-м. н.

проф.

профессор, заведующий кафедры параллельных алгоритмов

Yuri. *****@***edu; 4286998 

 

 

 

В соответствии с порядком организации внутренней и внешней экспертизы

 

образовательных программ, установленных приказом первого проректора

 

по учебной работе /1, проведена двухуровневая экспертиза:

 

первый уровень
(оценка качества содержания программы и применяемых педагогических технологий)

 

Наименование кафедры

Дата заседания

№ протокола

 

 Кафедра параллельных алгоритмов

 г.

 Протокол №

 

 

второй уровень
(соответствие целям подготовки и учебному плану образовательной программы)

 

Экспертиза второго уровня выполнена в порядке, установленном приказом

 

должностное лицо

дата приказа

№ приказа

 

Уполномоченный орган (должностное лицо)

Дата принятия решения

№ документа

 

 Методическая комиссия факультета

 г.

 Выписка из протокола заседания М. К.от
г.

 

Иные документы об оценке качества рабочей программы учебной дисциплины

 

Документ об оценке качества

Дата документа

№ документа

 

 

 

 

 

Утверждение рабочей программы учебной дисциплины

 

Уполномоченный орган (должностное лицо)

Дата принятия решения

№ документа

 

 Заместитель декана …………………

г. 

Приказ по факультету от
г. 

 

Внесение изменений в рабочую программу учебной дисциплины

 

Уполномоченный орган (должностное лицо)

Дата принятия решения

№ документа