Detail předmětu

Architektura a programování paralelních systémů

FIT-ARCAk. rok: 2017/2018

Předmět pokrývá architekturu i programování paralelních systémů s funkčním a datovým paralelismem. Nejdříve je pojednáno o teorii paralelních systémů a paralelizaci programů. Následuje výklad programování systémů se sdílenou pamětí v prostředí OpenMP a popis nejrozšířenějších mnoho-jádrových multiprocesorů SMP i pokročilých systémů DSM NUMA. Pokračuje výklad programování pro systémy se zasíláním zpráv ve standardizovaném rozhraní MPI. Propojovací sítě jsou probrány samostatně a po té jejich uplatnění ve svazcích, mnoho-jádrových čipech i v nejvýkonnějších systémech.

Jazyk výuky

čeština

Počet kreditů

5

Garant předmětu

doc. Ing. Jiří Jaroš, Ph.D.

Zajišťuje ústav

Ústav počítačových systémů (UPSY)

Výsledky učení předmětu

Přehled principů výstavby paralelních systémů a propojovacích sítí, schopnost odhadnout výkonnost paralelních aplikací. Přehled o možnostech paralelizace základních technických úloh, znalost paralelního programování v MPI a v OpenMP. Praktické zkušenosti s prací na superpočítačích Anselm a Salomon.

Znalost možností a omezení paralelního zpracování, schopnost odhadnout výkonnost paralelních aplikací. Jazyková výbava pro komunikaci a synchronizaci procesů/vláken. Kompetence v technických a programových prostředcích pro náročné vědecké výpočty a simulace.

Prerekvizity

Von Neumannova architektura počítače, paměťová hierarchie, paměti cache a jejich organizace, programování v JSI a v C/C++.

Způsob a kritéria hodnocení

Získání 20 ze 40 bodů za projekty a půlsemestrální písemku.

Osnovy výuky

    Osnova přednášek:
    1. Úvod do paralelního zpracování.
    2. Vzory pro paralelní programování.
    3. Programování se sdílenou pamětí - úvod do OpenMP.
    4. Synchronizace nejen v OpenMP, analýza výkonnosti. 
    5. Sdílená paměť a koherence pamětí cache.
    6. Komponenty symetrických multiprocesorů.
    7. Architektury CC-NUMA DSM.
    8. Rozhraní zasílání zpráv MPI.
    9. Kolektivní komunikace, komunikátory a diskové operace. 
    10. Propojovací sítě: topologie a směrovací algoritmy.
    11. Propojovací sítě: přepínání, řízení toku, zpracování zpráv a výkonnost.
    12. Architektury se zasíláním zpráv, současné super-počítačové systémy. Distribuované souborové systémy.
    13. Datově paralelní architektury a programování.

    Osnova počítačových cvičení:
    1. Práce se superpočítačem Anselm a Salomon
    2. Paralelizace na systémech se sdílenou pamětí: smyčky, sekce
    3. Paralelizace na systémech se sdílenou pamětí: tasky, zámky
    4. Paralelizace na systémech s distribuovanou pamětí: párové komunikace
    5. Paralelizace na systémech s distribuovanou pamětí: Kolektivní komunikace
    6. Paralelní vstup výstup,  debuggery, profilery a tracery

    Osnova ostatní - projekty, práce:
    • Vývoj aplikace na SMP v OpenMP na NUMA uzlu superpočítače.
    • Paralelní program v MPI superpočítači.

Učební cíle

Orientovat se v nabídce paralelních systémů, umět posoudit komunikační a výpočetní možnosti konkrétní architektury a predikovat výkonnost paralelních aplikaci. Seznámit se s nejdůležitějšími prostředky paralelního programování (MPI, OpenMP), naučit se je prakticky používat a řešit problémy paralelně.

Vymezení kontrolované výuky a způsob jejího provádění a formy nahrazování zameškané výuky

  • Zameškaná cvičení je možné nahradit v alternativní termín (pondělí nebo pátek)
  • V poslední týdnu semestru budou probíhat náhradní civčení

Základní literatura

Hennessy, J.L., Patterson, D.A.: Computer Architecture - A Quantitative Approach. 5. vydání, Morgan Kaufman Publishers, Inc., 2012, 912 s., ISBN: 9780123747501  Pacecho, P.: Introduction to Parallel Programming. Morgan Kaufman Publishers, 2011, 392 s., ISBN: 9780123742605 

Doporučená literatura

aktuální PPT prezentace přednášek  http://dolores.sp.cs.cmu.edu/spring2013/ http://www.cs.kent.edu/~jbaker/ParallelProg-Sp11/

Zařazení předmětu ve studijních plánech

  • Program IT-MGR-2 magisterský navazující

    obor MBI , 0 ročník, letní semestr, povinně volitelný
    obor MSK , 1 ročník, letní semestr, povinný
    obor MMM , 0 ročník, letní semestr, volitelný
    obor MBS , 0 ročník, letní semestr, volitelný
    obor MPV , 1 ročník, letní semestr, povinný
    obor MIS , 0 ročník, letní semestr, volitelný
    obor MIN , 0 ročník, letní semestr, volitelný
    obor MGM , 0 ročník, letní semestr, povinně volitelný

Typ (způsob) výuky

 

Přednáška

39 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

doc. Ing. Jiří Jaroš, Ph.D.

Osnova

  1. Úvod do paralelního zpracování.
  2. Vzory pro paralelní programování.
  3. Programování se sdílenou pamětí - úvod do OpenMP.
  4. Synchronizace nejen v OpenMP, analýza výkonnosti. 
  5. Sdílená paměť a koherence pamětí cache.
  6. Komponenty symetrických multiprocesorů.
  7. Architektury CC-NUMA DSM.
  8. Rozhraní zasílání zpráv MPI.
  9. Kolektivní komunikace, komunikátory a diskové operace. 
  10. Propojovací sítě: topologie a směrovací algoritmy.
  11. Propojovací sítě: přepínání, řízení toku, zpracování zpráv a výkonnost.
  12. Architektury se zasíláním zpráv, současné super-počítačové systémy. Distribuované souborové systémy.
  13. Datově paralelní architektury a programování.

Projekt

13 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

doc. Ing. Jiří Jaroš, Ph.D.

Cvičení na počítači

12 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

doc. Ing. Jiří Jaroš, Ph.D.

Osnova

  1. Práce se superpočítačem Anselm a Salomon
  2. Paralelizace na systémech se sdílenou pamětí: smyčky, sekce
  3. Paralelizace na systémech se sdílenou pamětí: tasky, zámky
  4. Paralelizace na systémech s distribuovanou pamětí: párové komunikace
  5. Paralelizace na systémech s distribuovanou pamětí: Kolektivní komunikace
  6. Paralelní vstup výstup,  debuggery, profilery a tracery