460-4040/01 – Programování paralelních aplikací I (PPA I)

Garantující katedraKatedra informatikyKredity4
Garant předmětudoc. Ing. Pavel Krömer, Ph.D.Garant verze předmětudoc. Ing. Pavel Krömer, Ph.D.
Úroveň studiapregraduální nebo graduálníPovinnostvolitelný odborný
Ročník1Semestrzimní
Jazyk výukyčeština
Rok zavedení2010/2011Rok zrušení2015/2016
Určeno pro fakultyFEIUrčeno pro typy studianavazující magisterské
Výuku zajišťuje
Os. čís.JménoCvičícíPřednášející
KRO080 doc. Ing. Pavel Krömer, Ph.D.
PLA06 prof. Ing. Jan Platoš, Ph.D.
Rozsah výuky pro formy studia
Forma studiaZp.zak.Rozsah
prezenční Zápočet a zkouška 2+2
kombinovaná Zápočet a zkouška 18+18

Cíle předmětu vyjádřené dosaženými dovednostmi a kompetencemi

Přehled v oblasti návrhu, realizace a hodnocení paralelních algoritmů. Praktické osvojení paralelních programovacích technik pro vybrané víceprocesorové počítačové systémy. Pracovní znalosti v oblasti paralelních systémů a jejich programování, zejména: Samostatný návrh paralelních algoritmů, resp. paralelizace sekvenčních algoritmů. Praktická realizace paralelního algoritmu na bázi modelu předávání zpráv. Analýza algoritmu a vyhodnocení implementace. Optimalizace a zvyšování efektivity.

Vyučovací metody

Přednášky
Individuální konzultace
Cvičení (v učebně)
Projekt
Ostatní aktivity

Anotace

Kurz poskytne posluchačům základy pro aktivní práci v oblasti paralelních systémů, algoritmů a programování, přičemž se zaměřuje na praktickou tvorbu programů, aby byli s to využít dnešní výkonnou výpočetní techniku, od paralelních superpočítačů až po vícejádrové notebooky, pro výpočetně náročné aplikace z různých aplikačních oblastí. Důraz je kladen na práci s tzv. multipočítači, kde kooperace procesů je řešena na bázi předávání zpráv, diskutována však budou i specifika systémů se sdílenou pamětí (symetrických multiprocesorů). Toto řekněme klasické programování paralelních aplikací je doplněno úvodem do speciálnějších technik v souladu s aktuální vývojem v oblasti paralelního programování, jako je paralelizace prostřednictvím grafických akcelerátorů nebo paralelního Matlabu. Cvičení jsou vesměs věnována praktickému návrhu paralelních algoritmů a jejich implementaci v prostředí MPI či PVM, OpenMP nebo třeba v paralelním Matlabu , a to na nejvýkonnější výpočetní technice VŠB-TUO (ve správě Centra výpočetní techniky), t.č. na síti pracovních stanic Ultra se vzdáleným přístupem na 32-procesorový klastr Teri (128 jader) a na čtyřprocesorový symetrický multiprocesor Quad.

Povinná literatura:

Sylabus I. Foster: Designing and building of parallel programs. Addison-Wesley, 1995 Al Geist et al.: PVM: Parallel Virtual Machine. A User's Guide and Tutorial for Networked Parallel Computing. The MIT Press, 1994. MPI: A Message-Passing Interface Standard. Message Passing Interface Forum, University of Tennessee, June 1995.

Doporučená literatura:

K. Ježek et al.: Paralelní architektury a programy. ZČU Plzeň, 1997. B. Wilkinson, M. Allen: Parallel Programming. Prentice Hall, 1999. R. Chandra et al.: Parallel Programming in OpenMP. Morgan Kaufmann Publishers, 2001.

Forma způsobu ověření studijních výsledků a další požadavky na studenta

E-learning

Další požadavky na studenta

Další požadavky na studenta nejsou kladeny.

Prerekvizity

Předmět nemá žádné prerekvizity.

Korekvizity

Předmět nemá žádné korekvizity.

Osnova předmětu

Přednášky: Úvod do problematiky. Motivace paralelizace, historické poznámky a současné trendy. Souvislost s HPC - High Performance Computing. Vymezení oblastí zájmu. Rekapitulace předpokládaných vědomostí. Paralelní výpočetní systémy. Flynnova klasifikace a dělení z hlediska paměti. Užívaná terminologie. Přehled technických řešení. Příklady superpočítačů. Klastry. Propojovací subsystémy. Technická řešení (sběrnice, hyperkrychle, vícestupňová síť atd.). Důsledky pro návrh paralelních algoritmů. Uvedení do programování paralelních aplikací. Programové modely (přehled): předávání zpráv, sdílení proměnných, datově paralelní přístup. Příklady. Implementační prostředky. Postup při vytváření paralelní aplikace. Model předávání zpráv. Principy a charakteristiky. Druhy komunikace, základní pojmy. Implementační předpoklady. Systémy předávání zpráv, jejich hlavní reprezentanti. Parallel Virtual Machine. Úvod do PVM, historické poznámky. Komponenty a uživatelské rozhraní. Implementace na dostupných platformách (Quad, Ultra). Ilustrativní příklad. Parallel Virtual Machine (pokračování) Přehled konstruktů a knihovních procedur: řízení procesů, získávání informací, předávání zpráv aj. Řešení kolektivní komunikace. Pokročilé techniky. Vývoj paralelních algoritmů. Dekompozice datová, funkční. Komunikační analýza. Aglomerace. Mapovaní na procesory. Techniky vyvažování zátěže. Příklady, perfektně paralelní úlohy. Uplatnění v semestrálních projektech. Message Passing Interface. Vznik standardu MPI a jeho vývoj. Porovnání s PVM, specifika (odvozené datové typy, virtuální topologie apod.) Analýza paralelních algoritmů. Výkonnostní modely, metriky. Kvantifikace doby provádění. Urychlení, účinnost a cena. Superlineární urychlení. Amdahlův zákon. Experimentální studie. Analýza paralelních algoritmů (pokračování). Škálovatelnost, pevná a proměnná velikost problému. Asymptotická analýza. Programování symetrických multiprocesorů. Technické předpoklady. Nízkoúrovňové prostředky, vazby na operační systém. Programování na bázi vláken. Standard OpenMP. Motivační a historické poznámky. Konstrukty (paralelní oblasti, direktivy pro rozdělení výpočetní zátěže, synchronizace a zamykání...). Příklad. Vybrané paralelní algoritmy. Algoritmy numerické matematiky, třídění, grafové algoritmy aj. Shrnutí a trendy. Další prostředky pro vývoj paralelních aplikací (High Performance Fortran, paralelní Matlab apod.). Vývoj v oblasti hardwaru. Paralelní programování na osobních počítačích. Počítačové laboratoře: Organizace cvičení. Úlohy na "paralelní myšlení" Seznámení s pracovním prostředím a výpočetními systémy. Multiprocesor Quad a síť Ultra: podpora paralelního programování, implementace PVM. Vytváření paralelních programů pod PVM. Řízení PVM. Spuštění virtuálního stroje. Kompilace a běh PVM programů. Jednoduché programy pod PVM. Programy typu SPMD. Techniky předávání zpráv. Měření časů. Datová dekompozice. Perfektne paralelni uloha. Paralelizace numerické integrace. Konzultace semestrálních projektů (průběžně na cvičeních). Datová dekompozice (pokr.). Dynamická tvorba procesů. Funkční dekompozice. Simulace technologických procesů. Blokovací a neblokovací příjem. Kolektivní komunikace v PVM. XPVM. Problematika ladění. Vizualizace běhu paralelní aplikace (XPVM). Analýza algoritmů. Výkonnostní model doby běhu Jacobiho metody konečných diferencí v 3D. MPI. Dostupné implementace MPI: MPICH, LAM (Quad, Ultra). Demonstrační příklad. MPI (pokr.). Kolektivni komunikace Pokročilé techniky. Program pro paralelní výpočet teplotního průběhu. Referaty. Prezentace semestrálních projektů.

Podmínky absolvování předmětu

Kombinovaná forma (platnost od: 2012/2013 zimní semestr, platnost do: 2015/2016 letní semestr)
Název úlohyTyp úlohyMax. počet bodů
(akt. za podúlohy)
Min. počet bodů
Zápočet a zkouška Zápočet a zkouška 100 (100) 51
        Zápočet Zápočet 45  20
        Zkouška Zkouška 55 (55) 31
                Referát Jiný typ úlohy 15  0
                Ústní zkouška Ústní zkouška 40  0
Rozsah povinné účasti:

Zobrazit historii

Výskyt ve studijních plánech

Akademický rokProgramObor/spec.Spec.ZaměřeníFormaJazyk výuky Konz. stř.RočníkZLTyp povinnosti
2014/2015 (N2647) Informační a komunikační technologie (1103T031) Výpočetní matematika P čeština Ostrava 1 volitelný odborný stu. plán
2014/2015 (N2647) Informační a komunikační technologie (2612T025) Informatika a výpočetní technika P čeština Ostrava 1 volitelný odborný stu. plán
2014/2015 (N2647) Informační a komunikační technologie (1103T031) Výpočetní matematika K čeština Ostrava 1 volitelný odborný stu. plán
2014/2015 (N2647) Informační a komunikační technologie (2612T025) Informatika a výpočetní technika K čeština Ostrava 1 volitelný odborný stu. plán
2013/2014 (N2647) Informační a komunikační technologie (1103T031) Výpočetní matematika P čeština Ostrava 1 volitelný odborný stu. plán
2013/2014 (N2647) Informační a komunikační technologie (1103T031) Výpočetní matematika K čeština Ostrava 1 volitelný odborný stu. plán
2013/2014 (N2647) Informační a komunikační technologie (2612T025) Informatika a výpočetní technika P čeština Ostrava 1 volitelný odborný stu. plán
2013/2014 (N2647) Informační a komunikační technologie (2612T025) Informatika a výpočetní technika K čeština Ostrava 1 volitelný odborný stu. plán
2012/2013 (N2647) Informační a komunikační technologie (1103T031) Výpočetní matematika P čeština Ostrava 1 volitelný odborný stu. plán
2012/2013 (N2647) Informační a komunikační technologie (2612T025) Informatika a výpočetní technika P čeština Ostrava 1 volitelný odborný stu. plán
2012/2013 (N2647) Informační a komunikační technologie (2612T025) Informatika a výpočetní technika K čeština Ostrava 1 volitelný odborný stu. plán
2012/2013 (N2647) Informační a komunikační technologie (1103T031) Výpočetní matematika K čeština Ostrava 1 volitelný odborný stu. plán
2011/2012 (N2647) Informační a komunikační technologie (1103T031) Výpočetní matematika P čeština Ostrava 1 volitelný odborný stu. plán
2011/2012 (N2647) Informační a komunikační technologie (2612T025) Informatika a výpočetní technika P čeština Ostrava 2 volitelný odborný stu. plán
2011/2012 (N2647) Informační a komunikační technologie (2612T025) Informatika a výpočetní technika K čeština Ostrava 2 volitelný odborný stu. plán
2011/2012 (N2647) Informační a komunikační technologie (1103T031) Výpočetní matematika K čeština Ostrava 1 volitelný odborný stu. plán
2010/2011 (N2647) Informační a komunikační technologie (1103T031) Výpočetní matematika P čeština Ostrava 1 volitelný odborný stu. plán
2010/2011 (N2647) Informační a komunikační technologie (1103T031) Výpočetní matematika K čeština Ostrava 1 volitelný odborný stu. plán
2010/2011 (N2647) Informační a komunikační technologie (2612T025) Informatika a výpočetní technika P čeština Ostrava 2 volitelný odborný stu. plán
2010/2011 (N2647) Informační a komunikační technologie (2612T025) Informatika a výpočetní technika K čeština Ostrava 2 volitelný odborný stu. plán

Výskyt ve speciálních blocích

Název blokuAkademický rokForma studiaJazyk výuky RočníkZLTyp blokuVlastník bloku