高性能計(jì)算與并行計(jì)算教學(xué)計(jì)劃

高性能計(jì)算與并行計(jì)算教學(xué)計(jì)劃匯報(bào)人：XX2024-01-13目錄contents課程介紹與目標(biāo)高性能計(jì)算基礎(chǔ)并行算法設(shè)計(jì)并行編程技術(shù)高性能計(jì)算應(yīng)用實(shí)例高性能計(jì)算資源與使用課程總結(jié)與展望01課程介紹與目標(biāo)并行計(jì)算概念將大型計(jì)算任務(wù)分解成若干小任務(wù)，在多個(gè)處理器上同時(shí)執(zhí)行，以加快計(jì)算速度。高性能計(jì)算與并行計(jì)算關(guān)系高性能計(jì)算通常采用并行計(jì)算技術(shù)，以提高計(jì)算效率。高性能計(jì)算定義利用高性能計(jì)算機(jī)進(jìn)行大規(guī)模科學(xué)計(jì)算和數(shù)據(jù)處理的技術(shù)。高性能計(jì)算與并行計(jì)算概述知識(shí)目標(biāo)掌握高性能計(jì)算與并行計(jì)算的基本原理、算法和技術(shù)。能力目標(biāo)能夠運(yùn)用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行高性能計(jì)算和并行計(jì)算程序設(shè)計(jì)和優(yōu)化。素質(zhì)目標(biāo)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，提高解決實(shí)際問(wèn)題的能力。課程目標(biāo)與要求課程實(shí)驗(yàn)與項(xiàng)目安排實(shí)驗(yàn)課程和項(xiàng)目實(shí)踐，讓學(xué)生親身參與高性能計(jì)算和并行計(jì)算的實(shí)踐過(guò)程。高性能計(jì)算應(yīng)用探討高性能計(jì)算在科學(xué)計(jì)算、工程模擬、大數(shù)據(jù)分析等領(lǐng)域的應(yīng)用案例。并行編程技術(shù)介紹MPI、OpenMP等并行編程框架，以及CUDA等GPU編程技術(shù)。高性能計(jì)算基礎(chǔ)介紹高性能計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)、存儲(chǔ)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等基礎(chǔ)知識(shí)。并行計(jì)算原理講解并行計(jì)算模型、并行算法設(shè)計(jì)、并行程序性能評(píng)價(jià)等內(nèi)容。課程內(nèi)容與安排02高性能計(jì)算基礎(chǔ)指令集體系結(jié)構(gòu)介紹計(jì)算機(jī)指令集的基本概念、分類和特點(diǎn)，以及不同指令集對(duì)高性能計(jì)算的影響。存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)詳細(xì)闡述計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)，包括寄存器、高速緩存、主存和磁盤等，以及它們對(duì)高性能計(jì)算性能的影響?；ミB網(wǎng)絡(luò)介紹計(jì)算機(jī)內(nèi)部的互連網(wǎng)絡(luò)，如總線、交叉開(kāi)關(guān)和多級(jí)互連網(wǎng)絡(luò)等，以及它們對(duì)并行計(jì)算通信性能的影響。計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)Flynn分類法01闡述Flynn分類法的基本思想，包括SISD、SIMD、MISD和MIMD等四類計(jì)算模型的特點(diǎn)和適用場(chǎng)景。進(jìn)程與線程02介紹進(jìn)程與線程的基本概念、區(qū)別和聯(lián)系，以及它們?cè)诓⑿杏?jì)算中的角色和作用。并行編程模型03詳細(xì)闡述常見(jiàn)的并行編程模型，如消息傳遞模型（MPI）、共享內(nèi)存模型（OpenMP）和數(shù)據(jù)并行模型（CUDA）等，以及它們的編程原理和實(shí)現(xiàn)方法。并行計(jì)算模型高性能計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)介紹高性能計(jì)算中常用的性能指標(biāo)，如執(zhí)行時(shí)間、吞吐量、加速比和效率等，以及它們的計(jì)算方法和評(píng)價(jià)意義?；鶞?zhǔn)測(cè)試程序闡述基準(zhǔn)測(cè)試程序的概念、作用和設(shè)計(jì)原則，以及常見(jiàn)的基準(zhǔn)測(cè)試程序，如LINPACK、HPL和PARSEC等。性能優(yōu)化技術(shù)詳細(xì)闡述高性能計(jì)算中常用的性能優(yōu)化技術(shù)，如任務(wù)劃分、負(fù)載均衡、數(shù)據(jù)局部性和并行I/O等，以及它們的實(shí)現(xiàn)方法和效果評(píng)估。性能指標(biāo)03并行算法設(shè)計(jì)03數(shù)據(jù)依賴與通信開(kāi)銷分析數(shù)據(jù)依賴對(duì)并行計(jì)算的影響，以及減少通信開(kāi)銷的策略和方法。01并行計(jì)算模型介紹常見(jiàn)的并行計(jì)算模型，如SIMD、MIMD、SPMD等，并分析其特點(diǎn)和適用場(chǎng)景。02并行度與粒度闡述并行度和粒度的概念，討論如何選擇合適的并行度和粒度以實(shí)現(xiàn)高效的并行計(jì)算。并行算法基本概念將問(wèn)題分解為多個(gè)獨(dú)立的子任務(wù)，并行執(zhí)行這些子任務(wù)以加快計(jì)算速度。任務(wù)并行化對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分塊處理，并行地對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)塊執(zhí)行相同的操作。數(shù)據(jù)并行化將計(jì)算過(guò)程劃分為多個(gè)階段，每個(gè)階段處理一部分?jǐn)?shù)據(jù)，并行執(zhí)行不同階段的操作。流水線并行化常見(jiàn)并行算法設(shè)計(jì)策略并行化策略分析分析矩陣乘法的并行化策略，如分塊乘法、Strassen算法等，并比較其優(yōu)缺點(diǎn)。并行算法實(shí)現(xiàn)與性能評(píng)估詳細(xì)闡述并行算法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，包括數(shù)據(jù)劃分、任務(wù)調(diào)度、通信優(yōu)化等，并對(duì)算法的性能進(jìn)行評(píng)估和分析。矩陣乘法問(wèn)題描述介紹矩陣乘法的基本概念和計(jì)算方法。實(shí)例分析：矩陣乘法并行化04并行編程技術(shù)介紹MPI（MessagePassingInterface）的基本概念、發(fā)展歷程和應(yīng)用領(lǐng)域。MPI概述講解如何安裝和配置MPI環(huán)境，以及常見(jiàn)的MPI實(shí)現(xiàn)庫(kù)（如MPICH、OpenMPI等）。MPI環(huán)境配置詳細(xì)闡述MPI中的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信、集合通信等基本通信方式，以及相應(yīng)的函數(shù)接口和使用方法。MPI基本通信介紹MPI的高級(jí)特性，如非阻塞通信、組通信、進(jìn)程拓?fù)涞龋约叭绾卫眠@些特性編寫高效的并行程序。MPI高級(jí)特性MPI編程基礎(chǔ)OpenMP編程基礎(chǔ)OpenMP概述介紹OpenMP的基本概念、發(fā)展歷程和應(yīng)用領(lǐng)域，以及OpenMP與MPI的區(qū)別和聯(lián)系。OpenMP并行編程模型詳細(xì)闡述OpenMP的并行編程模型，包括并行區(qū)域、工作共享、任務(wù)并行等核心概念。OpenMP常用指令介紹OpenMP中常用的指令，如并行化指令、同步指令、數(shù)據(jù)共享和私有指令等，以及這些指令的使用方法和注意事項(xiàng)。OpenMP性能優(yōu)化講解如何針對(duì)OpenMP程序進(jìn)行性能優(yōu)化，包括減少同步開(kāi)銷、優(yōu)化內(nèi)存訪問(wèn)模式、利用向量化等技術(shù)手段。CUDA概述介紹CUDA（ComputeUnifiedDeviceArchitecture）的基本概念、發(fā)展歷程和應(yīng)用領(lǐng)域，以及CUDA與OpenMP、MPI的區(qū)別和聯(lián)系。CUDA常用API介紹CUDA中常用的API函數(shù)，如內(nèi)存管理函數(shù)、核函數(shù)調(diào)用函數(shù)、同步函數(shù)等，以及這些函數(shù)的使用方法和注意事項(xiàng)。CUDA性能優(yōu)化講解如何針對(duì)CUDA程序進(jìn)行性能優(yōu)化，包括優(yōu)化內(nèi)存訪問(wèn)模式、利用并行化指令、減少數(shù)據(jù)傳輸開(kāi)銷等技術(shù)手段。同時(shí)介紹一些常用的CUDA性能分析工具和使用方法。CUDA編程模型詳細(xì)闡述CUDA的編程模型，包括主機(jī)和設(shè)備之間的交互方式、線程層次結(jié)構(gòu)、內(nèi)存層次結(jié)構(gòu)等核心概念。CUDA編程基礎(chǔ)05高性能計(jì)算應(yīng)用實(shí)例氣候模型使用高性能計(jì)算機(jī)進(jìn)行全球氣候模擬，以預(yù)測(cè)長(zhǎng)期氣候變化趨勢(shì)。天氣預(yù)報(bào)通過(guò)高性能計(jì)算對(duì)大氣、海洋等環(huán)境因素進(jìn)行實(shí)時(shí)模擬和數(shù)據(jù)分析，提高天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性和時(shí)效性。災(zāi)害預(yù)警借助高性能計(jì)算對(duì)極端天氣事件進(jìn)行模擬和預(yù)測(cè)，為災(zāi)害預(yù)警和應(yīng)急響應(yīng)提供科學(xué)依據(jù)。氣象模擬與預(yù)測(cè)基因測(cè)序利用高性能計(jì)算處理大規(guī)模的基因數(shù)據(jù)，加速基因測(cè)序和分析過(guò)程。蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)通過(guò)高性能計(jì)算模擬蛋白質(zhì)折疊過(guò)程，以預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)。藥物設(shè)計(jì)運(yùn)用高性能計(jì)算進(jìn)行分子對(duì)接和虛擬篩選，輔助新藥設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)。生物信息學(xué)應(yīng)用030201汽車工程運(yùn)用高性能計(jì)算對(duì)汽車流場(chǎng)進(jìn)行模擬，以降低風(fēng)阻、提高燃油經(jīng)濟(jì)性和行駛穩(wěn)定性。能源工程通過(guò)高性能計(jì)算模擬油氣藏開(kāi)發(fā)過(guò)程中的多相流動(dòng)，提高油氣采收率。飛行器設(shè)計(jì)借助高性能計(jì)算對(duì)飛行器氣動(dòng)性能進(jìn)行精確模擬，優(yōu)化飛行器設(shè)計(jì)。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)應(yīng)用06高性能計(jì)算資源與使用國(guó)家超級(jí)計(jì)算中心概述國(guó)家超級(jí)計(jì)算中心是國(guó)家級(jí)的高性能計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施，提供強(qiáng)大的計(jì)算能力和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)，支持科研、工程、教育等領(lǐng)域的高性能計(jì)算和數(shù)據(jù)分析需求。典型國(guó)家超級(jí)計(jì)算中心介紹國(guó)內(nèi)外典型的國(guó)家超級(jí)計(jì)算中心，如中國(guó)的天河系列、美國(guó)的Summit和Sierra等，包括它們的硬件配置、性能指標(biāo)和服務(wù)內(nèi)容。國(guó)家超級(jí)計(jì)算中心介紹校園高性能計(jì)算資源概述校園高性能計(jì)算資源是學(xué)校提供的高性能計(jì)算和數(shù)據(jù)分析服務(wù)，包括計(jì)算機(jī)集群、云計(jì)算平臺(tái)、GPU服務(wù)器等，支持教學(xué)和科研活動(dòng)。典型校園高性能計(jì)算資源介紹國(guó)內(nèi)外典型的高校高性能計(jì)算資源，如清華大學(xué)的“探索100”集群、斯坦福大學(xué)的SCG集群等，包括它們的硬件配置、性能指標(biāo)和服務(wù)內(nèi)容。校園高性能計(jì)算資源介紹高性能計(jì)算資源申請(qǐng)與使用流程提供幾個(gè)高性能計(jì)算資源使用的案例，包括不同學(xué)科領(lǐng)域的科研項(xiàng)目和工程應(yīng)用，幫助學(xué)生了解高性能計(jì)算在實(shí)際問(wèn)題中的應(yīng)用。高性能計(jì)算資源使用案例介紹申請(qǐng)高性能計(jì)算資源的一般流程，包括填寫申請(qǐng)表格、提交項(xiàng)目計(jì)劃書、等待審核結(jié)果等步驟。申請(qǐng)高性能計(jì)算資源的流程說(shuō)明在使用高性能計(jì)算資源時(shí)需要注意的事項(xiàng)，如遵守使用規(guī)定、合理分配計(jì)算資源、保護(hù)數(shù)據(jù)安全等。使用高性能計(jì)算資源的注意事項(xiàng)07課程總結(jié)與展望課程重點(diǎn)內(nèi)容回顧高性能計(jì)算基本概念并行計(jì)算原理與技術(shù)高性能計(jì)算硬件平臺(tái)高性能計(jì)算軟件工具介紹了高性能計(jì)算的定義、特點(diǎn)、應(yīng)用領(lǐng)域以及發(fā)展歷程。詳細(xì)講解了并行計(jì)算的基本原理、并行算法設(shè)計(jì)、并行編程模型以及常用并行計(jì)算框架。介紹了當(dāng)前主流的高性能計(jì)算硬件平臺(tái)，包括CPU、GPU、FPGA等，以及它們的性能特點(diǎn)和適用場(chǎng)景。講解了高性能計(jì)算中常用的軟件工具，如編譯器、調(diào)試器、性能分析工具等，以及它們的使用方法和技巧。123學(xué)生分組完成了一個(gè)基于MPI或OpenMP的并行計(jì)算課程項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大規(guī)模數(shù)據(jù)的處理和分析，取得了顯著的加速效果。并行計(jì)算課程項(xiàng)目學(xué)生結(jié)合實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于高性能計(jì)算的應(yīng)用案例，如氣象模擬、基因測(cè)序、圖像處理等。高性能計(jì)算應(yīng)用案例學(xué)生分享了在高性能計(jì)算與并行計(jì)算課程學(xué)習(xí)過(guò)程中的心得與體會(huì)，包括知識(shí)掌握、技能提升、團(tuán)隊(duì)協(xié)作等方面的收獲。課程學(xué)習(xí)心得與體會(huì)學(xué)生作品展示與點(diǎn)評(píng)高性能計(jì)算技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)隨著摩爾定律的失效和異構(gòu)計(jì)算的興起，未來(lái)高性能計(jì)算技術(shù)將更加注重能效比和可擴(kuò)展性，同時(shí)人工智能、量子計(jì)算等新技術(shù)也將為高性能計(jì)算