Detail předmětu

Architektury výpočetních systémů

FIT-AVSAk. rok: 2025/2026

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 termínu.
  • Pro udělení zápočtu je nutné získat min 20b ze 40b a minimálně 1b z každého projektu.

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.

Zařazení předmětu ve studijních plánech

  • Program MITAI magisterský navazující

    specializace NSEC , 0 ročník, zimní semestr, povinný
    specializace NISY do 2020/21 , 0 ročník, zimní semestr, povinný
    specializace NNET , 1 ročník, zimní semestr, povinný
    specializace NMAL , 1 ročník, zimní semestr, povinný
    specializace NCPS , 1 ročník, zimní semestr, povinný
    specializace NHPC , 1 ročník, zimní semestr, povinný
    specializace NVER , 0 ročník, zimní semestr, povinný
    specializace NIDE , 1 ročník, zimní semestr, povinný
    specializace NISY , 0 ročník, zimní semestr, povinný
    specializace NEMB do 2023/24 , 1 ročník, zimní semestr, povinný
    specializace NSPE , 1 ročník, zimní semestr, povinný
    specializace NEMB , 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

Typ (způsob) výuky

 

Přednáška

26 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

doc. Ing. Jiří Jaroš, 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., nepovinná

Vyučující / Lektor

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

Osnova

  1. Měření výkonnosti sekvenčních kódů, představení Intel Tools (4. týden).
  2. Efektivní využití cache, přehazování a rozbalování smyček (5. týden).
  3. Vektorizace kódu pomocí OpenMP (6. týden).
  4. Paralelizace smyček pomocí OpenMP (9. týden).
  5. Funkční paralelizace pomocí OpenMP  tasků (10. týden).
  6. Sekce a vzájemné vyloučení pomocí OpenMP (11. týden).

Projekt

14 hod., povinná

Vyučující / Lektor

Ing. Marta Jaroš, Ph.D.

Osnova

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