460-4040/01 – Programování paralelních aplikací I (PPA I)
| Garantující katedra | Katedra informatiky | Kredity | 4 |
| Garant předmětu | prof. Ing. Pavel Krömer, Ph.D. | Garant verze předmětu | prof. Ing. Pavel Krömer, Ph.D. |
| Úroveň studia | pregraduální nebo graduální | Povinnost | volitelný odborný |
| Ročník | 1 | Semestr | zimní |
| | Jazyk výuky | čeština |
| Rok zavedení | 2010/2011 | Rok zrušení | 2015/2016 |
| Určeno pro fakulty | FEI | Určeno pro typy studia | navazující magisterské |
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
Výskyt ve studijních plánech
Výskyt ve speciálních blocích
Hodnocení Výuky