Методы, алгоритмы и инструменты для параллельных вычислений (стр. 2 )

Таблица 3

№ п/п	Наименование модулей, разделов и тем	Содержание обучения (по темам в дидактических единицах), наименование и тематика лабораторных работ, практических занятий (семинаров), самостоятельной работы, используемых образовательных технологий и рекомендуемой литературы
1	2	3
1	Модуль 1 «Области применения высокопроизводительных систем. Опыт преподавания суперкомпьютерных технологий в ведущих университетах России»»
	Тема 1 «Области применения суперкомпьютерных технологий»	Современная концепция математического моделирования, еѐ существо. Важнейшие составляющие математического моделирования.
	Тема 2 «Проект «Суперкомпьютерное образование»»	Общая характеристика проекта. Национальная Система Научно-образовательных центров суперкомпьютерных технологий. Национальная Система Научно-образовательных центров суперкомпьютерных технологий. системы конференций и молодежных школ в области суперкомпьютерных технологий. Профессиональная сертификация уровня знаний в области параллельных вычислений и суперкомпьютерных технологий.
	Тема 3 «Опыт преподавания технологий в ведущих университетах России суперкомпьютерных. Перспективы развития суперкомпьютерных технологий»	Подготовка кадров в области суперкомпьютерных технологий. Опыт ведущих университетов России.
Продолжение таблицы 3
№ п/п	Наименование модулей, разделов и тем	Содержание обучения (по темам в дидактических единицах), наименование и тематика лабораторных работ, практических занятий (семинаров), самостоятельной работы, используемых образовательных технологий и рекомендуемой литературы
1	2	3
	Тема 4 «Архитектура параллельных вычислительных систем»	Параллелизм как основа высокопроизводительных вычислений. Классификация вычислительных систем. Компьютеры с общей памятью. Компьютеры с распределенной памятью. Архитектура NUMA и ccNUMA. Многоядерность. Ускорители вычислений. Графические процессоры. Персональные мини-кластеры. Облачные вычисления: модель использования распределенной инфраструктуры. Распределенная вычислительная среда.
	Самостоятельная работа	Изучение литературных источников к модулю 1.
	Используемые образовательные технологии	Мультимедийная презентация лекционного материала; анализ нормативных документов; групповая дискуссия.
	Перечень рекомендуемых учебных изданий, Интернет-ресурсов, дополнительной литературы	1. Воеводин Вл. В., Жуматий дело и кластерные системы. – М.: Изд-во МГУ, 20с. 2. «Мини-кластер в одном корпусе: 96 процессоров и 192 Гб RAM» – [http://www. /staticnews/04/12/67.html] 3. Будущие процессоры и технологии Intel: прорыв на новый уровень – [http://www. /cd/corporate/pressroom/emea/ rus/archive/2008/386850.htm]. 4. Портал «Top 500 Supercomputers Sites» – [http://www. top500.org]. 5. Центр компьютерных технологий. Нижегородский государственный университет им. . [http://www. software. *****/ccam/]/ 6. Суперкомпьютерное образование[http://*****/]. 7. Информационно-аналитический центр по параллельным вычислениям [http://*****/]
Продолжение таблицы 3
№ п/п	Наименование модулей, разделов и тем	Содержание обучения (по темам в дидактических единицах), наименование и тематика лабораторных работ, практических занятий (семинаров), самостоятельной работы, используемых образовательных технологий и рекомендуемой литературы
1	2	3
2	Модуль 2 «Основы параллельных вычислений»
	Тема1 «Графовые модели программ»	Модель вычислений в виде графа «операции–операнды». Описание схемы параллельного выполнения алгоритма. Определение времени выполнения параллельного алгоритма. Показатели эффективности параллельного алгоритма. Пример вычисления частных сумм последовательности числовых значений. Оценка максимально достижимого параллелизма. Анализ масштабируемости параллельных вычислений.
	Тема 2 «Виды параллелизма. Эквивалентные преобразования программ»	Конечный параллелизм. Массовый параллелизм. Координатный параллелизм. Скошенный параллелизм. Эквивалентные преобразования программ. Элементарные преобразования циклов. Перестановка циклов. Распределение циклов. Расщепление циклов.
	Тема 3 «Типовые информационные структуры»	Перемножение матриц. Решение треугольных систем. Система с блочно-двухдиагональной матрицей. Макро - и микрореализация.
	Тема 4 «Компьютерная арифметика»	Ошибки округления. Представление и свойства чисел с плавающей запятой. Типы с плавающей запятой. Нормальные и субнормальные числа. Представление бесконечностей. Определение класса числа по представлению. Требования к точности. Округление и точность
	Лабораторные работы	1. «Элементарные расчетные алгоритмы. Проблемы, ошибки, пути их устранения». (2 часа). 2. «Уменьшение погрешности вычисления сумм чисел с плавающей запятой» (2 часа).
	Самостоятельная работа	Изучение литературных источников к модулю 2.
	Используемые образовательные технологии	Мультимедийная презентация лекционного материала.
Продолжение таблицы 3
№ п/п	Наименование модулей, разделов и тем	Содержание обучения (по темам в дидактических единицах), наименование и тематика лабораторных работ, практических занятий (семинаров), самостоятельной работы, используемых образовательных технологий и рекомендуемой литературы
1	2	3
	Перечень рекомендуемых учебных изданий, Интернет-ресурсов, дополнительной литературы	1. , Воеводин Вл. В. Параллельные вычисления. – СПб.: БХВ-Петербург, 2002. 2. Гергель и практика параллельных вычислений. – М.: Интернет-Университет Информационных технологий; БИНОМ. Лаборатория знаний, 2007. 3. Параллельное программирование для многопроцессорных вычислительных систем. – СПб.: БХВ-Петербург, 2002. 4. Курс «Параллельные численные методы»: [http://hpcc.unn.ru/?doc=491]
3	Модуль 3 «Операционные системы: аспекты параллелизма»
	Тема 1 «Процессы и потоки»	Понятие объект исполнения в операционной системе. Понятия процесс, поток. Многопоточная программа. Состояния потока в однозадачной и многозадачной ОС. Управление процессами, потоками. Потоки ядра и пользовательские потоки. Операции над процессами и потоками.
	Тема 2 «Планирование центрального процессора»	Понятие «планирование». График выполнения потоков. Критерии оценки алгоритмов планирования. Основные моменты планирования. Невытесняющие алгоритмы планирования. Вытесняющие алгоритмы планирования. Приоритетное планирование. Планирование в Windows.
	Тема 3 «Вопросы синхронизации»	Необходимость синхронизации. Проблема синхронизации. Критическая секция. Задача взаимного исключения. Аппаратная поддержка задачи взаимного исключения. Использование разделяемых переменных. Использование специальных команд процессора. Семафоры и мониторы. Задача «потребитель - производитель».
Продолжение таблицы 3
№ п/п	Наименование модулей, разделов и тем	Содержание обучения (по темам в дидактических единицах), наименование и тематика лабораторных работ, практических занятий (семинаров), самостоятельной работы, используемых образовательных технологий и рекомендуемой литературы
1	2	3
	Тема 4 «Взаимоблокировка»	Взаимоблокировка (тупик). Необходимые условия. Граф «процесс-ресурс». Подходы к решению проблемы взаимоблокировки. Предотвращение тупиков. Избегание тупиков. Восстановление после тупика. Обнаружение тупика.
	Самостоятельная работа	Изучение литературных источников к модулю 3.
	Используемые образовательные технологии	Мультимедийная презентация лекционного материала.
	Перечень рекомендуемых учебных изданий, Интернет-ресурсов, дополнительной литературы	1. Современные операционные системы. 2-е изд. – СПб.: Питер, 2002. 2. Рихтер Дж. Windows для профессионалов (Создание эффективных Win32-приложений с учетом специфики 64-разрядной версии Windows). 4-е изд. – М.: Русская Редакция; пер. с англ. – СПб.: Питер, 2001. 3. Робачевский система UNIX. – СПб.: BHV - Санкт-Петербург, 1998. 4. , Коньков в операционные системы. Курс лекций. 2-е изд. - М.: ИНТУИТ. РУ, 2005.
4	Модуль 4 «Технология параллельного программирования MPI»
	Тема 1 «MPI: основные понятия и определения»	Понятие параллельной программы. Операции передачи данных. Понятие коммуникаторов. Типы данных. Виртуальные топологии.
	Тема 2 «Введение в разработку параллельных программ с использованием MPI»	Основы MPI. Инициализация и завершения MPI программ. Определение количества и ранга процессов. Передача сообщений. Прием сообщений. Пример параллельной программы с использованием MPI.
	Тема 3 «Операции передачи данных между двумя процессами»	Режимы передачи данных. Организация неблокирующих обменов данными между процессорами. Одновременное выполнение передачи и приема. Коллективные операции передачи данных.
Продолжение таблицы 3
№ п/п	Наименование модулей, разделов и тем	Содержание обучения (по темам в дидактических единицах), наименование и тематика лабораторных работ, практических занятий (семинаров), самостоятельной работы, используемых образовательных технологий и рекомендуемой литературы
1	2	3
	Лабораторные работы	1. Знакомство со структурой MPI-программы и процедурами блокирующего двухточечного обмена MPI (2часа). 2. Знакомство с процедурами коллективного обмена MPI (4 часа) 3. Производные типы в MPI (2 часа).
	Самостоятельная работа	Изучение литературных источников к модулю 4.
	Используемые образовательные технологии	Мультимедийная презентация лекционного материала.
	Перечень рекомендуемых учебных изданий, Интернет-ресурсов, дополнительной литературы	1. С. Немнюгин, О. Стесик, Параллельное программирование для многопроцессорных вычислительных систем. "БХВ", Санкт-Петербург, 2002 г., 396 с. 2. , Вл. В. Воеводин, Параллельные вычисления. "БХВ", Санкт-Петербург., 599 с. 3. Практикум по MPI И OpenMP[http://*****/?q=node/99#2]. 4. Официальный форум MPI – www. mpi-forum. org.
5	Модуль 5 «Технология параллельного программирования OpenMP»
	Тема 1. «Обзор технологии OpenMP»	Динамика развития стандарта. Характеристики технологии OpenMP.
	Тема 2. «Директивы OpenMP»	Формат записи директив. Типы директив. Определение параллельной области. Формат директивы parallel. Пример использования директивы parallel. Управление областью видимости данных. Распределение вычислений между потоками. Операция редукции. Синхронизация. Совместимость директив и их параметров.
	Тема 3. «Библиотека функций OpenMP»	Обзор основных функций библиотеки OpenMP. Функции синхронизации. Переменные окружения.
Продолжение таблицы 3
№ п/п	Наименование модулей, разделов и тем	Содержание обучения (по темам в дидактических единицах), наименование и тематика лабораторных работ, практических занятий (семинаров), самостоятельной работы, используемых образовательных технологий и рекомендуемой литературы
1	2	3
	Лабораторные работы	1. Распараллеливание программы вычисления определенного интеграла с помощью OpenMP (4 часа). 2. Распараллеливание программы решения систем линейных алгебраических уравнений методом Гаусса с помощью OpenMP (4 часа).
	Самостоятельная работа	Изучение литературных источников к модулю 5.
	Используемые образовательные технологии	Мультимедийная презентация лекционного материала.
	Перечень рекомендуемых учебных изданий, Интернет-ресурсов, дополнительной литературы	1. , Воеводин Вл. В. Параллельные вычисления. –С-Пб.: БХВ-Петербург, 2002. 2. НемнюгинС., Параллельное программирование для многопроцессорных вычислительных систем –С-Пб.: БХВ-Петербург, 2002. 3. "Параллельное программирование с использованием технологии OpenMP: Учебное пособие".-М.: Изд-во МГУ, 2009. 5. Сайт Лаборатории параллельных информационных технологий НИВЦ МГУ – http://www. *****. 6. Официальный сайт OpenMP – www. openmp. org.
6	Модуль 6 «Инструменты Intel для параллельных вычислений»
	Тема1 «Отладка парал-лельной программы с использованием Intel Thread Checker»	Введение в отладку параллельных программ в системах с общей памятью. Назначение Intel Thread Checker. Возможности Intel Thread Checker . Принцип сбора информации. Подготовка программы для анализа. Пример использования Intel Thread Checker.
Продолжение таблицы 3
№ п/п	Наименование модулей, разделов и тем	Содержание обучения (по темам в дидактических единицах), наименование и тематика лабораторных работ, практических занятий (семинаров), самостоятельной работы, используемых образовательных технологий и рекомендуемой литературы
1	2	3
	Тема2 «Введение в профилировку и оптимизацию по скорости параллельных программ в системах с общей памятью»	Семейство инструментов Intel для поддержки разработки многопоточных приложений. Определение и цели профилирования. Назначение Intel Thread Profiler. Технические характеристики Intel Thread Profiler . Основные концепции и понятия профилирования. Состояния потоков. Понятие категорий времени. Проблемы производительности, определяемые при помощи профилирования. Распределение вычислительной нагрузки. Синхронизация и производительность. Общий порядок работы с инструментом. Пример использования Intel Thread Profiler.
	Лабораторные работы	1. Отладка парал-лельной программы с использованием Intel Thread Checker (2 часа). 2. Профилирование параллельной программы с использованием Intel Thread Profiler. Балансировка нагрузки (2 часа). 3. Профилирование параллельной программы с использованием Intel Thread Profiler. Синхронизация и накладные расходы на поддержку многопоточности (2 часа).
	Самостоятельная работа	Изучение литературных источников к модулю 6.
	Используемые образовательные технологии	Мультимедийная презентация лекционного материала.
Продолжение таблицы 3
№ п/п	Наименование модулей, разделов и тем	Содержание обучения (по темам в дидактических единицах), наименование и тематика лабораторных работ, практических занятий (семинаров), самостоятельной работы, используемых образовательных технологий и рекомендуемой литературы
1	2	3
	Перечень рекомендуемых учебных изданий, Интернет-ресурсов, дополнительной литературы	1. , Воеводин Вл. В. Параллельные вычисления. СПб.: БХВ-Петербург, 2002. 2. Гергель и практика параллельных вычислений. М.: Интер-нет-Университет Информационных технологий; БИНОМ. Лаборатория знаний, 2007. 3. , Стесик программирование для мно-гопроцессорных вычислительных систем. СПб.: БХВ-Петербург, 2002. 4. Intel® Thread Checker for Windows*. Getting Started Guide. Version 3.0. — Intel Corporation, 2006. 5. Intel® Thread Checker Help. Version 3.0. — Intel Corporation, 2006. 6. Intel® Thread Profiler. Getting Started Guide. 7. Intel® Thread Profiler. Guide to Sample Code.

6 ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ОСВОЕНИЯ ПРОГРАММЫ

Таблица 4

Наименование модулей	Основные показатели оценки	Формы и методы контроля и оценки
1	2	3
Модуль 1«Области применения высокопроизводительных систем. Опыт преподавания суперкомпьютерных технологий в ведущих университетах России»	Знание основных областей использования суперкомпьютерных технологий, способов организации преподавания суперкомпьютерных технологий.	Зачет
Модуль2 «Математические основы параллельных вычислений»	Разработка модели и выполнение оценки показателей ускорения и эффективности параллельных вычислений.	Зачет
Продолжение таблицы 4
1	2	3
Модуль 3 «Операционные системы: аспекты параллелизма»	Знание понятий процесса и потока, основных алгоритмов планирования центрального процессора, механизмов синхронизации, средств борьбы с взаимоблокировками.	Зачет
Модуль 4 «Технология параллельного программирования MPI»	Знание основных понятий технологии MPI. Разработка программ на основе MPI.	Зачет
Модуль 5 «Технология параллельного программирования OpenMP»	Знание основных понятий технологии OpenMP. Разработка программ на основе OpenMP.	Зачет
Модуль 6 «Инcтрументы Intel для параллельных вычислений»	Исследование программ с использованием инструментов Intel для параллельных вычислений.	Зачет
Итоговая аттестация	Итоговая аттестационная работа, включающая выполнения заданий по всем разделам.	Тестирование.