高性能計(jì)算與云計(jì)算—教學(xué)大綱.doc

高性能計(jì)算與云計(jì)算教學(xué)大綱總學(xué)時(shí)： 48 理論課學(xué)時(shí)：32 實(shí)驗(yàn)課學(xué)時(shí)：16一、 課程的性質(zhì)高性能計(jì)算與云計(jì)算是計(jì)算機(jī)專業(yè)的專業(yè)領(lǐng)域課程。高性能計(jì)算技術(shù)是計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展中的一項(xiàng)重要技術(shù)。通過該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)該學(xué)習(xí)和掌握高性能計(jì)算的基礎(chǔ)理論知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，并為后續(xù)課程打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。二、 課程的目的與教學(xué)基本要求本課程以高性能計(jì)算和云計(jì)算為主題，分為三大部分，第一部分是高性能計(jì)算的基礎(chǔ)知識(shí)，第二部分是云計(jì)算的概念及核心技術(shù)，第三部分是高性能計(jì)算與云計(jì)算的軟件支持并行程序的設(shè)計(jì)原理與方法。主要課程內(nèi)容包括高性能計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，對(duì)稱多處理機(jī)（SMP）、大規(guī)模并行處理機(jī)（MPP）、集群系統(tǒng)（Cluster）和并行計(jì)算的性能評(píng)測(cè)并行算法的一般設(shè)計(jì)策略、基本設(shè)計(jì)技術(shù)和一般設(shè)計(jì)過程；云計(jì)算的分布式大規(guī)模數(shù)據(jù)處理和云存儲(chǔ)技術(shù)；共享存儲(chǔ)編程、分布存儲(chǔ)編程和Map/Reduce編程等面向高性能計(jì)算與云計(jì)算應(yīng)用的并行程序設(shè)計(jì)環(huán)境與工具。課程強(qiáng)調(diào)融合高性能計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)、云計(jì)算技術(shù)、并行算法和并行編程為一體，力圖反映高性能計(jì)算和云計(jì)算領(lǐng)域的最新成就和發(fā)展趨勢(shì)。學(xué)生除完成基本理論課程學(xué)習(xí)外，課程將通過在高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上的實(shí)踐，學(xué)習(xí)和掌握高性能計(jì)算和云計(jì)算的基礎(chǔ)知識(shí)。三、 課程適用專業(yè)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、軟件技術(shù)、信息安全、網(wǎng)絡(luò)工程四、 課程的教學(xué)內(nèi)容、要求與學(xué)時(shí)分配1 理論教學(xué)部分：按各章節(jié)列出主要內(nèi)容，注明課程教學(xué)的難點(diǎn)和重點(diǎn)，對(duì)學(xué)生掌握知識(shí)的要求，以及學(xué)時(shí)的分配。主要章節(jié)及其學(xué)時(shí)分配：第一章 緒論 （3學(xué)時(shí)）重點(diǎn)：高性能計(jì)算和云計(jì)算的概念、基礎(chǔ)架構(gòu)、現(xiàn)狀及發(fā)展、應(yīng)用前景難點(diǎn)：云計(jì)算的架構(gòu)、高性能計(jì)算技術(shù)的發(fā)展以及和云計(jì)算技術(shù)的銜接要求：了解基本概念，基礎(chǔ)架構(gòu)，以及相關(guān)的技術(shù)和應(yīng)用第二章 并行計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)（3學(xué)時(shí)）重點(diǎn)：系統(tǒng)互聯(lián)技術(shù)；存儲(chǔ)存取模型及層次結(jié)構(gòu)；對(duì)稱多處理機(jī)（SMP）、大規(guī)模并行處理機(jī)（MPP）、集群系統(tǒng)（Cluster）難點(diǎn)：靜態(tài)和動(dòng)態(tài)互聯(lián)，存儲(chǔ)存取層次結(jié)構(gòu)要求：熟悉各種并行計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)以及實(shí)際應(yīng)用例子，掌握系統(tǒng)互聯(lián)的基本原理和方法，了解存儲(chǔ)存取模型和層次結(jié)構(gòu)第三章 并行計(jì)算模型及性能評(píng)估（3學(xué)時(shí)）重點(diǎn)：并行計(jì)算模型PRAM、BSP和LogP；工作負(fù)載、加速比和可擴(kuò)展性，負(fù)載受限加速比、時(shí)間受限加速比、存儲(chǔ)受限加速比，難點(diǎn)：并行計(jì)算模型，可擴(kuò)展性要求：了解并行計(jì)算模型及它們之間的異同點(diǎn)，掌握應(yīng)用計(jì)算模型進(jìn)行并行計(jì)算構(gòu)模的基本方法，了解并行計(jì)算的性能評(píng)估方法，掌握加速比的計(jì)算方法第四章 并行算法設(shè)計(jì)（6學(xué)時(shí)）重點(diǎn)：并行算法設(shè)計(jì)技術(shù)包括平衡樹方法、倍增技術(shù)、分治策略、劃分原理和流水線技術(shù)等；并行算法設(shè)計(jì)方法論P(yáng)CAM：劃分，通信，組合、映射難點(diǎn)：分治策略、劃分原理；矩陣乘法并行算法的設(shè)計(jì)和性能比較要求：了解并能應(yīng)用并行算法設(shè)計(jì)的基本技術(shù)進(jìn)行并行算法的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，掌握最短路徑、排序、字符串匹配、矩陣乘法等經(jīng)典并行算法的設(shè)計(jì)思想，了解并行算法設(shè)計(jì)的方法論第五章 分布式大規(guī)模數(shù)據(jù)處理（6學(xué)時(shí)）重點(diǎn)：分布式大規(guī)模數(shù)據(jù)處理的概念、編程模型；Map/Reduce的原理和工作機(jī)制、基于的Map/Reduce的并行算法設(shè)計(jì)難點(diǎn)：Map/Reduce的負(fù)載均衡和容錯(cuò)機(jī)制，最短路徑算法的Map/Reduce實(shí)現(xiàn)要求：熟練掌握Map/Reduce的原理和工作機(jī)制、掌握詞頻統(tǒng)計(jì)、排序、字符串匹配、最短路徑等并行算法的Map/Reduce實(shí)現(xiàn)第六章 云存儲(chǔ)（3學(xué)時(shí)）重點(diǎn)：云存儲(chǔ)的概念，分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)、容錯(cuò)機(jī)制和系統(tǒng)管理技術(shù)；分布式文件HDFS的系統(tǒng)架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)：分布式文件系統(tǒng)的讀寫操作流程要求：了解云存儲(chǔ)系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)和容錯(cuò)機(jī)制，掌握分布式文件系統(tǒng)HDFS的存取方法第七章 共享存儲(chǔ)編程（3學(xué)時(shí)）重點(diǎn)：并行編程風(fēng)范，共享存儲(chǔ)編程原理；OpenMP編程模型，制導(dǎo)語句、控制結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)子句難點(diǎn)：并行域和共享任務(wù)結(jié)構(gòu)，共享對(duì)象存取要求：熟悉 OpenMP的編程模型以及基本概念，掌握OpenMP的主要制導(dǎo)語句、控制結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)子句第八章 消息傳遞編程（3學(xué)時(shí)）重點(diǎn)：消息傳遞編程原理，進(jìn)程交互方式；MPI編程模型，通信函數(shù)難點(diǎn)：通信模式，非阻塞操作要求：熟練掌握MPI編程的工作原理及相關(guān)技術(shù)，熟悉其核心函數(shù)以及運(yùn)行環(huán)境等，掌握矩陣乘法的MPI實(shí)現(xiàn)第九章 高性能計(jì)算平臺(tái)（2學(xué)時(shí)）重點(diǎn)：高性能計(jì)算集群體系結(jié)構(gòu)， hadoop云計(jì)算平臺(tái)及編程環(huán)境難點(diǎn)：要求：熟悉高性能計(jì)算集群的工作原理及關(guān)鍵技術(shù)，掌握構(gòu)建集群系統(tǒng)和并行編程環(huán)境的基本方法2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)部分高性能計(jì)算與云計(jì)算是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，除了系統(tǒng)的課堂理論學(xué)習(xí)外，還配有足夠數(shù)量的實(shí)踐內(nèi)容，以鞏固和加深學(xué)生對(duì)課程知識(shí)的整體理解。課程將通過在高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上的實(shí)踐，學(xué)習(xí)和掌握高性能計(jì)算和云計(jì)算的基礎(chǔ)知識(shí)，為在這領(lǐng)域的深入研究和應(yīng)用開發(fā)打下基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)一（4學(xué)時(shí)）：共享存儲(chǔ)編程實(shí)踐。通過OpenMP的實(shí)例編程，使得學(xué)生掌握高性能計(jì)算環(huán)境下的基于共享存儲(chǔ)的并行程序編程方法。實(shí)驗(yàn)二（4學(xué)時(shí)）：分布存儲(chǔ)編程實(shí)踐。通過MPI的實(shí)例編程，使得學(xué)生掌握高性能計(jì)算環(huán)境下的基于分布存儲(chǔ)的并行程序編程方法實(shí)驗(yàn)三（8學(xué)時(shí)）：Hadoop平臺(tái)和Map/Reduce編程實(shí)踐。通過在Hadoop環(huán)境下的Map/Reduce的實(shí)例編程，使得學(xué)生熟悉Hadoop的編程環(huán)境，掌握用Map/Reduce編寫并行計(jì)算程序的基本步驟，并了解Map/Reduce計(jì)算程序在Hadoop下的運(yùn)行和調(diào)試機(jī)制。五、 教材和主要參考資料1. 陳國(guó)良，并行計(jì)算結(jié)構(gòu)算法編程（修訂版），高等教育出版社，20032. Kai Hwang等著，陸鑫達(dá)等譯，可擴(kuò)展并行計(jì)算技術(shù)、結(jié)構(gòu)與編程，機(jī)械工業(yè)出版社，20023. 劉鵬主編，云計(jì)算（第二版）