Detail předmětu

Architektury výpočetních systémů

FIT-AVSAk. rok: 2023/2024

Předmět pokrývá architekturu současných výpočetních systémů složených z univerzálních i specializovaných procesorů a jejich paměťové subsystémy. Paralelismus na úrovni instrukcí  je studován na skalárních a superskalárních procesorech. Dále jsou probrány procesory s vláknovým paralelismem. Datový paralelismus je ilustrován na SIMD instrukcích a na grafických procesorech. Následuje výklad programování víceprocesorových systémů se sdílenou pamětí v prostředí OpenMP a popis nejrozšířenějších vícejádrových multiprocesorů i pokročilých systémů NUMA. V závěru se probírá generická architektura grafických karet a základní techniky akcelerace výpočtů na GPU pomocí OpenMP. Jsou vysvětleny i techniky použité při nízkopříkonových procesorů a aplikací. 

Jazyk výuky

čeština

Počet kreditů

5

Garant předmětu

doc. Ing. Jiří Jaroš, Ph.D.

Zajišťuje ústav

Ústav počítačových systémů (UPSY)

Vstupní znalosti

Architektura počítače typu von Neumann, hierarchická organizace paměťového systému, programování v jazyce symbolických instrukcí a jazyce C/C++, činnost a funkce kompilátoru.

Pravidla hodnocení a ukončení předmětu

Vyhodnocení dvou projektů v celkovém rozsahu 14 hodin a půlsemestrální písemky.

  • Zameškaná cvičení je možné nahradit v alternativní termín.
  • V poslední týdnu semestru budou probíhat náhradní cvičení.

Učební cíle

Seznámit se s architekturou moderních výpočetních systémů založených na vícejádrových procesorech architektury x86, RISC-V nebo ARM v konfiguracích se sdílenou (UMA) i distribuovanou sdílenou (NUMA) pamětí, často doplněných o akcelerátor ve formě GPU. Pochopit hardwarové aspekty výpočetních systémů, které mají vliv na výkon dané aplikace a příkon systému. Umět posoudit možnosti konkrétní architektury a predikovat výkonnost aplikací. Ujasnit si úlohu překladače a jeho spolupráci s procesorem. Získat schopnost orientovat se v nabídce jednotlivých komponent výpočetních systémů, dovést je hodnotit a porovnávat.

Přehled architektur současných výpočetních systémů, jejich možností a budoucích trendů. Schopnost vyhodnotit efektivitu softwarových aplikací na daném výpočetním systému, identifikovat výkonnostní problémy a navrhnout jejich nápravu. Praktické zkušenosti s prací na superpočítačích Barbora a Karolina.
Pochopení důsledků hardwarových omezení na efektivitu softwarových řešení.

Základní literatura

Baer, J.L.: Microprocessor Architecture. Cambridge University Press, 2010, 367 s., ISBN 978-0-521-76992-1. (EN)
Hennessy, J.L., Patterson, D.A.: Computer Architecture - A Quantitative Approach. 5. vydání, Morgan Kaufman Publishers, Inc., 2012, 1136 s., ISBN 1-55860-596-7. (EN)
van der Pas, R., Stotzer, E., and Terboven, T.: Using OpenMP-The Next Step, MIT Press Ltd, ISBN 9780262534789, 2017. (EN)

Doporučená literatura

Agner Fog: Software optimization resources.
Aktuální PPT prezentace přednášek v Elearningu.
Baer, J.L.: Microprocessor Architecture. Cambridge University Press, 2010, 367 s., ISBN 978-0-521-76992-1. info.
Hennessy, J.L., Patterson, D.A.: Computer Architecture - A Quantitative Approach. 5. vydání, Morgan Kaufman Publishers, Inc., 2012, 1136 s., ISBN 1-55860-596-7. download.
Materiály ke kurzu Computer Science 152: Computer Architecture and Engineering. http://inst.eecs.berkeley.edu/~cs152/sp13/
van der Pas, R., Stotzer, E., and Terboven, T.: Using OpenMP-The Next Step, MIT Press Ltd, ISBN 9780262534789, 2017. info.

Elearning

eLearning: aktuální otevřený kurz

Zařazení předmětu ve studijních plánech

  • Program IT-MGR-2 magisterský navazující

    obor MBS , 0 ročník, zimní semestr, povinně volitelný
    obor MSK , 2 ročník, zimní semestr, povinně volitelný
    obor MPV , 2 ročník, zimní semestr, povinný
    obor MIS , 0 ročník, zimní semestr, volitelný
    obor MIN , 0 ročník, zimní semestr, volitelný
    obor MGM , 2 ročník, zimní semestr, volitelný
    obor MBI , 0 ročník, zimní semestr, volitelný
    obor MMM , 0 ročník, zimní semestr, volitelný

  • Program MITAI magisterský navazující

    specializace NSPE , 1 ročník, zimní semestr, povinný
    specializace NBIO , 1 ročník, zimní semestr, povinný
    specializace NSEN , 1 ročník, zimní semestr, povinný
    specializace NVIZ , 1 ročník, zimní semestr, povinný
    specializace NGRI , 0 ročník, zimní semestr, povinný
    specializace NADE , 1 ročník, zimní semestr, povinný
    specializace NISD , 0 ročník, zimní semestr, povinný
    specializace NMAT , 0 ročník, zimní semestr, povinný
    specializace NSEC , 0 ročník, zimní semestr, povinný
    specializace NISY do 2020/21 , 0 ročník, zimní semestr, povinný
    specializace NCPS , 1 ročník, zimní semestr, povinný
    specializace NHPC , 1 ročník, zimní semestr, povinný
    specializace NNET , 1 ročník, zimní semestr, povinný
    specializace NMAL , 1 ročník, zimní semestr, povinný
    specializace NVER , 0 ročník, zimní semestr, povinný
    specializace NIDE , 1 ročník, zimní semestr, povinný
    specializace NEMB , 1 ročník, zimní semestr, povinný
    specializace NISY , 0 ročník, zimní semestr, povinný
    specializace NEMB do 2021/22 , 1 ročník, zimní semestr, povinný

Typ (způsob) výuky

 

Přednáška

26 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

doc. Ing. Jiří Jaroš, Ph.D.
Ing. Vojtěch Mrázek, Ph.D.

Osnova

  1. Skalární procesory, zřetězené zpracování instrukcí, asistence kompilátoru.
  2. Superskalární procesory, dynamické plánování instrukcí.
  3. Optimalizace toku dat v hierarchii pamětí cache.
  4. Predikce skoků, optimalizace načítání instrukcí a dat. 
  5. Procesory s podporou datového paralelismu a vektorizace.
  6. Procesory s podporou vláken a vícejádrové procesory.
  7. Paralelizace a vektorizace smyček.
  8. Funkční paralelismus a akcelerace rekurzivních algoritmů.
  9. Synchronizace na systémech se sdílenou pamětí. 
  10. Algoritmy koherence pamětí cache.
  11. Architektury s distribuovanou sdílenou pamětí.
  12. Architektura a programování grafických karet.
  13. Nízkopříkonové procesory a techniky pro snižování příkonu.

Cvičení na počítači

12 hod., povinná

Vyučující / Lektor

Ing. Ondřej Olšák
Ing. Jakub Chlebík
Ing. Michal Piňos
Ing. Marta Jaroš, Ph.D.
doc. Ing. Jiří Jaroš, Ph.D.

Osnova

  1. Měření výkonnosti sekvenčních kódů, představení Intel Tools (3. týden).
  2. Efektivní využití cache, přehazování a rozbalování smyček (5. týden).
  3. Vektorizace kódu pomocí OpenMP (6. týden).
  4. Paralelizace smyček pomocí OpenMP (8. týden).
  5. Funkční paralelizace pomocí OpenMP  tasků (9. týden).
  6. Sekce a vzájemné vyloučení pomocí OpenMP (10. týden).

Projekt

14 hod., povinná

Vyučující / Lektor

Ing. Marta Jaroš, Ph.D.
Ing. Ondřej Olšák

Osnova

  • Optimalizace jednovláknové aplikace pomocí pomocí cache blockingu, vektoriace a restrukturalizace kódu.
  • Vývoj paralelní aplikace pomocí OpenMP.

Elearning

eLearning: aktuální otevřený kurz