《數(shù)值并行計算》課程教學大綱

《數(shù)值并行計算》教學大綱課程名稱：數(shù)值并行計算英文名稱：NumericalParallelComputing課程編號：F035092432學分：2.5總學時/課內(nèi)實踐學時：40/8課程性質(zhì)：選修課程開課單位：數(shù)理科學與工程學院數(shù)學系基層教學組織適應對象：信息與計算科學專業(yè)一、課程簡介并行處理是實現(xiàn)高性能、高可用計算機系統(tǒng)的主要途徑。本課程以數(shù)值并行計算為主題，主要介紹了并行計算機系統(tǒng)及其結(jié)構(gòu)模型，并行算法設(shè)計與并行程序的設(shè)計原理方法，強調(diào)并行機結(jié)構(gòu)、并行算法和并行變成為一體，力圖反映本學科的最新成就和發(fā)展趨勢。通過本課程的學習，使學生從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、算法、程序設(shè)計三個方面，初步了解并行處理的基本概念和涉及的各種學術(shù)和技術(shù)問題，能夠把握并行處理技術(shù)的最新成就和發(fā)展趨勢，掌握并行計算技術(shù)和方法。根據(jù)課程內(nèi)容，結(jié)合現(xiàn)實中的各種案例，給學生教授知識的同時也教育學生要加強民族自豪感，為國家科技發(fā)展做出貢獻。Parallelprocessingisthemainwaytorealizehighperformanceandhighavailabilitycomputersystem.Takingnumericalparallelcomputingasthetheme,thiscoursemainlyintroducestheparallelcomputersystemanditsstructuralmodel,theparallelalgorithmdesignanddesignprincipleandmethodofparallelprogram.Thiscourseemphasizestheparallelmachinestructure,parallelalgorithmandparalleltransformationintoone,andtriestoreflectthelatestachievementsanddevelopmenttrendofthisdiscipline.Throughthestudyofthiscourse,studentswillhaveapreliminaryunderstandingofthebasicconceptsofparallelprocessingandvariousacademicandtechnicalissuesinvolvedfromthethreeaspectsofsystemstructure,algorithmandprogramdesign,andbeabletograspthelatestachievementsanddevelopmenttrendsofparallelprocessingtechnologyandmasterparallelcomputingtechnologyandmethods.Accordingtothecontentofthecourse,combinedwithvariouscasesinreality,thestudentscanstudyknowledgeandstrengthennationalprideandmakecontributionstothedevelopmentofnationalscienceandtechnology.二、課程目標1.思政目標：注重科學思維方法訓練和科學精神的培養(yǎng)，提高學生分析問題解決問題的能力，提高學生運用所學為社會國家做貢獻的覺悟與能力，為祖國培養(yǎng)科技人才。2．通過本課程的學習，使學生掌握數(shù)值并行計算的基本理論知識，熟練并行算法和并行程序的設(shè)計。3．通過課程學習，提高學生結(jié)合所學與實踐的能力，可以運用并行算法設(shè)計和并行程序設(shè)計解決實際中的問題。1.Ideologicalandpoliticalgoals:Thiscourseshouldpayattentiontothetrainingofscientificthinkingmethodsandthecultivationofscientificspirit.Itshouldimprovestudents'abilitytoanalyzeandsolveproblems.Itshouldimprovestudents'consciousnessandabilitytomakecontributionstothesocietyandthecountrywithwhattheyhavelearned,andtrainscientificandtechnologicaltalentsforthemotherland.2.Throughthestudyofthiscourse,studentscanmasterthebasictheoreticalknowledgeofnumericalparallelcomputingandbeproficientinthedesignofparallelalgorithmsandparallelprograms.3.Throughcourselearning,studentscanimprovetheirabilitytocombinewhattheyhavelearnedwithpractice,andtheycanuseparallelalgorithmdesignandparallelprogramdesigntosolvepracticalproblems.三、課程目標與畢業(yè)要求對應關(guān)系本課程的課程目標對信息與計算科學專業(yè)畢業(yè)要求指標點的支撐情況如表1所示：表1課程目標與畢業(yè)要求對應關(guān)系畢業(yè)要求指標點課程目標畢業(yè)要求1：知識要求具有扎實的數(shù)學基礎(chǔ)，掌握信息科學、計算科學和計算機科學的基本理論和基本知識。課程目標2畢業(yè)要求2：能力要求通過系統(tǒng)的數(shù)學思維訓練，掌握數(shù)學科學的思想方法，具有扎實的數(shù)學基礎(chǔ)和較強的數(shù)學語言表達能力；能運用所學數(shù)學和計算機知識解決某些科研或生產(chǎn)中的實際問題。課程目標2課程目標3畢業(yè)要求3：素質(zhì)要求具有正確的人生觀、價值觀和道德觀，愛國、誠信、友善、守法，具有高度的社會責任感；具有良好的心理素質(zhì)和積極的人生態(tài)度。課程目標1四、課程教學安排課程共有6項教學內(nèi)容，具體安排如下。表2課程教學安排表序號教學內(nèi)容思政元素課堂教學學時實驗/實踐教學學時學時小計1并行計算概述了解計算機系統(tǒng)中并行性的發(fā)展，了解當代的并行系統(tǒng)以及并行處理技術(shù)的應用，介紹中國在超級計算中的大國地位4042并行計算機的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合當代科學與工程問題的計算需求出發(fā)，討論計算機系統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)4043并行計算性能測評在講述并行計算機體結(jié)構(gòu)性能時，介紹我國計算機科研工作者自主研發(fā)了神威·太湖之光超級計算機，完全使用我國自己研制的CPU6284并行算法的分析對算法分析需要從多角度進行分析，教育學生在生活中分析問題也同樣需要多角度多方面考慮問題6285并行算法的設(shè)計并行算法設(shè)計的一個重要原則是負載平衡，即各部分要服從整體，這樣才能提高并行算法的性能。教育學生在國家整體發(fā)展戰(zhàn)略中，個人利益要服從國家和集體利益6286并行程序設(shè)計在講述并行程序設(shè)計方法時，介紹并行程序設(shè)計方法嚴謹性、踏實性和規(guī)范性。教育學生科學研究的嚴謹性、踏實性、規(guī)范性，讓學生真切感受到科學研究嚴謹性、踏實性、規(guī)范性。理解科學研究者對科學研究的態(tài)度觀念，技術(shù)使用的價值和倫理關(guān)系628合計32840教學安排1.并行計算概述教學要求：介紹并行性、并行計算相關(guān)概念、并行計算研究的內(nèi)容和并行計算模型，了解計算機系統(tǒng)中并行性的發(fā)展，了解當代的并行系統(tǒng)以及并行處理技術(shù)的應用。教學內(nèi)容：1.1并行計算概念了解并行計算的基本概念，以及并行技術(shù)在各個領(lǐng)域中的應用，比如計算生物學、計算氣象學、計算材料學等等。1.2并行計算研究的內(nèi)容了解到并行計算模型、并行計算性能測評、并行算法的設(shè)計以及并行程序的設(shè)計等內(nèi)容，利用一些算法技術(shù)解決實際中的問題。1.3并行計算模型主要學習并行計算結(jié)構(gòu)模型。重點難點：并行計算模型的各種類型。思政元素：介紹我國在超級計算機領(lǐng)域取得領(lǐng)先世界的偉大成就，增強同學們的民族自豪感。教學方法：講授法、啟發(fā)法2.并行計算機的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)教學要求：掌握互聯(lián)函數(shù)及其表示方法，集中基本的互聯(lián)函數(shù)，互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和傳輸性能參數(shù)，靜態(tài)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)以及動態(tài)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)。教學內(nèi)容：2.1互聯(lián)函數(shù)了解互聯(lián)函數(shù)的基本概念及其表示方法，掌握幾種基本的互聯(lián)函數(shù)2.2靜態(tài)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)了解靜態(tài)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的基本概念、重要特性以及基本結(jié)構(gòu)2.3動態(tài)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)了解動態(tài)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的基本概念、重要特性以及基本結(jié)構(gòu)重點難點：靜態(tài)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和動態(tài)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)思政元素：結(jié)合當代科學與工程問題的計算需求出發(fā)，討論計算機系統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。教學方法：講授法、啟發(fā)法3.并行計算性能測評教學要求：了解并行計算的性能的測評的重要性，以及如何進行并行計算性能測評，主要掌握Amdahl定律和Gustafson定律兩大加速比性能定律，掌握可擴放性評測標準，了解基準測試程序。教學內(nèi)容：3.1并行計算機的基本性能指標了解基本的性能指標，主要包括CPU和存儲器的某些性能指標；通信開銷以及機器成本、價格與性價比等。3.2Amdahl定律了解Amdahl定律的基本出發(fā)點，掌握Amdahl定律適用的場景及其幾何意義。3.3Gustafson定律了解Gustafson定律的基本出發(fā)點，掌握Gustafson定律適用的場景及其幾何意義。3.4可擴放性評測標準了解除了加速比之外并行計算的可擴放性也是主要性能指標之一，了解可擴放性的主要研究目的，掌握三種典型的可擴放性度量方法：等效率、等速度和平均延遲方法。3.5基準測試測評了解基準測試程序的基本分類。重點難點：兩大加速比性能比率的基本內(nèi)容和幾何意義，三種可擴放性度量方法的基本內(nèi)容與應用。思政元素：介紹我國計算機科研工作者自主研發(fā)了神威·太湖之光超級計算機，完全使用我國自己研制的CPU。教育學生“不忘初心，牢記使命”，堅持自主研發(fā)，掌握核心技術(shù)，才能打破西方國家對我國的技術(shù)封鎖，引導學生努力與自我發(fā)展和民族復興聯(lián)系起來。教學方法：講授法、啟發(fā)法4.并行算法分析教學要求：了解數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法概述，掌握如何進行算法的時間復雜性分析，重點掌握并行計算模型：PRAM模型、異步PRAM模型、BSP模型、logP模型。教學內(nèi)容：4.1并行算法的基礎(chǔ)知識了解并行算法的定義和分類，在對算法進行分析的時候，需要通過運行時間、處理器書、并行算法成本等角度來分析并行算法的復雜性。4.2并行計算模型了解計算模型設(shè)定的目的，首先需要掌握PRAM模型的基本描述和優(yōu)缺點，然后需要掌握另外三種模型各自的特點以及論證。重點難點：如何對算法進行分析，四種計算模型各自的特點以及論證。思政元素：對于算法的復雜度進行分析，需要多角度多方面，學生在生活中同時也需要多角度思考問題。教學方法：講授法、啟發(fā)法5.并行算法設(shè)計教學要求：了解并行算法的一般設(shè)計方法，熟練掌握并行算法的基本設(shè)計技術(shù)，熟練掌握并行算法的一般設(shè)計過程，了解設(shè)計并行算法應該注意的問題。教學內(nèi)容：5.1并行算法的一般設(shè)計策略掌握三種設(shè)計并行算法的基本策略：檢測和開拓現(xiàn)有串行算法中的固有并行性，直接進行并行化；根據(jù)問題本身的描述，從頭設(shè)計全新算法；借用已有的并行算法求解新一類問題。5.2并行算法的基本設(shè)計技術(shù)了解基本的設(shè)計技術(shù)，主要包括劃分設(shè)計技術(shù)、分治設(shè)計技術(shù)、平衡樹設(shè)計技術(shù)、倍增設(shè)計技術(shù)、流水線設(shè)計技術(shù)，其中需要重點掌握劃分設(shè)計技術(shù)，主要包括均勻劃分技術(shù)、方根劃分技術(shù)、對數(shù)劃分技術(shù)、功能劃分技術(shù)，熟練掌握四個技術(shù)的算法內(nèi)容，并且能夠?qū)嶋H操作。5.3并行算法的一般設(shè)計過程掌握PCAM設(shè)計方法學及其四個階段，熟練掌握四個階段的具體內(nèi)容和目標。第一階段劃分需要掌握其基本方法分類和每個方法的具體操作；第二階段劃分需要掌握其四種模式和每種模式的具體算法；第三階段組合需要掌握所需要堅持的準則和判斷依據(jù)；第四階段映射需要掌握其基本方法和判斷依據(jù)。最后了解設(shè)計算法時需要注意的問題。重點難點：并行算法的基本設(shè)計技術(shù)的掌握與運用，并行算法的設(shè)計過程的四個階段以及其算法的運用。思政元素：通過負載平衡聯(lián)系到各部分要服從整體，這樣才能提高并行算法的性能。教育學生在國家整體發(fā)展戰(zhàn)略中，個人利益要服從國家和集體利益，暫時利益服從長遠利益。教學方法：講授法、啟發(fā)法6.并行程序設(shè)計教學要求：介紹并行程序設(shè)計概述，掌握并行編程模型并且能夠熟練運用，熟練掌握并行程序設(shè)計環(huán)境與工具，最終可以設(shè)計一個簡單的并行程序。教學內(nèi)容：6.1并行程序設(shè)計概述介紹目前并行程序設(shè)計的狀況并了解其原因；從應用的角度比較串行程序設(shè)計和并行程序設(shè)計；了解并行程序設(shè)計環(huán)境和工具；掌握并行程序設(shè)計的基本方法，主要包括庫函數(shù)法、新語言結(jié)構(gòu)法、編譯制導法，掌握三種方法的優(yōu)缺點和具體例子；掌握多種并行編程風范，并且能夠在實際中運用合適的風范。6.2并行程序設(shè)計模型掌握幾種并行程序設(shè)計模型，掌握隱式并行模型中的自動并行化方法與用戶定向法，掌握數(shù)據(jù)并行模型的主要內(nèi)容和具體特點，掌握消息傳遞模型的主要內(nèi)容和具體特點，掌握共享變量模型的具體內(nèi)容和特點，比較三種模型的主要特征，以計算π樣本程序為例掌握三種模型的算法思想和步驟。6.3并行程序設(shè)計環(huán)境和工具介紹一般的軟件工具環(huán)境，重點介紹并行程序設(shè)計語言的并行編譯器以及并行程序的調(diào)試、性能分析和可視化設(shè)計環(huán)境與工具重點難點：并行算法的基本設(shè)計技術(shù)的掌握與運用，并行