Detail předmětu

Praktické paralelní programování

PPP Ak. rok 2024/2025 letní semestr 5 kreditů

Aktuální akademický rok

Předmět pokrývá architekturu i programování distribuovaných paralelních systémů s funkčním a datovým paralelismem. Nejdříve je pojednáno o teorii paralelních systémů a paralelizaci programů. Následně je detailně rozebrána architektura současných superpočítačových systémů, topologií propojovacích síta  směrovacích algoritmů. Dále jsou studovány paralelní a distribuované souborové systémy. Pokračuje výklad programování pro systémy se zasíláním zpráv ve standardizovaném rozhraní MPI. Následují ukázky základních profilovacích nástrojů pro paralelní aplikace a vyhodnocení získaných výkonnostních metrik. Předmět se dále věnuje základním programovým vzorům pro tvorbu paralelních aplikací a případovým studií z oblasti lineární algebry, řešení problémů popsaných parciálními diferenciálními rovnicemi, N-Body systémům, a Monte-Carlo metodám. 

Garant předmětu

Jaroš Jiří, doc. Ing., Ph.D. (UPSY)

Koordinátor předmětu

Kořenek Jan, doc. Ing., Ph.D. (UPSY)

Jazyk výuky

česky

Zakončení

klasifikovaný zápočet (písemná)

Rozsah

  • 26 hod. přednášky
  • 16 hod. pc laboratoře
  • 10 hod. projekty

Bodové hodnocení

  • 60 bodů závěrečná zkouška (písemná část)
  • 10 bodů půlsemestrální test (8 bodů písemná část, 2 bodů testová část)
  • 30 bodů projekty

Zajišťuje ústav

Ústav počítačových systémů (UPSY)

Přednášející

Jaroš Jiří, doc. Ing., Ph.D. (UPSY)

Cvičící

Jaroš Jiří, doc. Ing., Ph.D. (UPSY)
Olšák Ondřej, Ing. (UPSY)

Cíle předmětu

Seznámit se s architekturou distribuovaných superpočítačových systémů, jejich propojovacími sítěmi a úložištěm dat. Orientovat se v nabídce paralelních systémů, umět posoudit komunikační a výpočetní možnosti konkrétní architektury a predikovat výkonnost paralelních aplikací. Naučit se psát přenositelné programy pomocí standardizovaných rozhraní, jazyků a knihoven, zapisovat paralelismus a komunikaci procesů. Naučit se je prakticky používat a řešit problémy s využitím superpočítačů.
Přehled architektur současných superpočítačových systémů, jejich možností a budoucích trendů. Schopnost vyhodnotit efektivitu softwarových aplikací na daném výpočetním systému, identifikovat výkonnostní problémy a navrhnout jejich nápravu. Znalosti základních programových vzorů vysoce náročných aplikací. 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.

Požadované prerekvizitní znalosti a dovednosti

Von Neumannova architektura počítače, paměťová hierarchie, paměti cache a jejich organizace, programování v JSI a v C/C++. Dále znalosti z kurzů PRL a AVS.

Literatura studijní

Literatura referenční

  • Aktuální PPT prezentace přednášek v systému Moodle
  • Pacecho, P.: Introduction to Parallel Programming. Morgan Kaufman Publishers, 2011, 392 s., ISBN: 9780123742605 URL: download
  • Ananth Grama, Anshul Gupta, George Karypis, Vipin Kumar: Introduction to Parallel Computing, Addison-Wesley, 2003, 978-0201648652.Slides: download
  • Victor Eijkhout: Parallel Programming in MPI and OpenMP Full book: download web version: https://theartofhpc.com/pcse/
  • William Gropp, Ewing Lusk, Anthony Skjellum: Using MPI - 2nd Edition: Portable Parallel Programming with the Message Passing InterfaceUsing MPI - 2nd Edition: Portable Parallel Programming with the Message Passing Interface, MIT Press, 978-0262571326
  • 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.

Osnova přednášek

  1. Ukazatele a zákony paralelního zpracování.
  2. Architektury se zasíláním zpráv, současné superpočítačové systémy.
  3. Topologie propojovacích sítí, směrovací algoritmy, přepínání, řízení toku.
  4. Technologie HPC sítí (Infiniband).
  5. Distribuované souborové systémy (Lustre, HPFS).
  6. Zasílání zpráv MPI, párové komunikace, datové typy.
  7. MPI kolektivní komunikace a komunikátory.
  8. Hybridní programování OpenMP/MPI a jednostranné komunikace.
  9. Knihovny pro paralelní výpočty, nástroje pro profilování a trasování aplikací.
  10. Programovací vzory pro paralelní programování.
  11. Případové studie: maticové výpočty, řešení systémů lin. rovnic (Gauss, Jordan, Jaccobi).
  12. Případové studie: řešení diferenciálních rovnic (FDTD, spektrální metody, FEM/BEM).
  13. Případové studie: Dynamika kapalin (Lattice-Boltzmann), N-Body simulace, Monte-Carlo.

Osnova počítačových cvičení

  1. MPI: Point-to-point komunikace.
  2. MPI: Kolektivní komunikace.
  3. MPI: Komunikátory.
  4. MPI: Datové typy, redukce.
  5. MPI: Paralelní vstup výstup.
  6. Profilování a trasování paralelních aplikací.
  7. Maticové výpočty (Transpozice, Gaussova eliminace).
  8. Metody konečných diferencí

Osnova ostatní - projekty, práce

  • Vývoj paralelní program v MPI superpočítači.

Průběžná kontrola studia

Vyhodnocení projektu v celkovém rozsahu 10 hodin, půlsemestrální písemka.

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

Zařazení předmětu ve studijních plánech

Nahoru