Образовательный комплекс "Теория и практика параллельного программирования" Гергель В.П., профессор, д.т.н. Декан факультета ВМК ННГУ Мастер - классы " - презентация

1 Образовательный комплекс "Теория и практика параллельного программирования" Гергель В.П., профессор, д.т.н. Декан факультета ВМК ННГУ Мастер - классы " Современные учебные курсы и пособия " III Международная научно-практическая конференция "Современные информационные технологии и ИТ-образование"

2 Москва, 8 декабря 2008 г. Образовательный комплекс "Теория и практика параллельного программирования" 2 из 28 Анализ ситуации – Значимость образования в области суперкомпьютинга и высокопроизводительных вычислений Проблема 1 – Оборудование –Создание сети суперкомпьютерных центров –Применение персональных мини-кластеров –Использование аппаратных ускорителей –Разработка учебно-исследовательских систем Проблема 2 – Образовательные ресурсы –Учебный комплекс "Теория и практика параллельного программирования" Проблема 3 – Взаимодействие вузов –Проект "Интернет-университет суперкомпьютерных технологий" Содержание

3 Москва, 8 декабря 2008 г. Образовательный комплекс "Теория и практика параллельного программирования" 3 из 28 Анализ ситуации… Принятие обоснованных решений практически в любой сфере человеческой деятельности с необходимостью предполагает проведение расширенного математического моделирования с тщательным исследованием возможных вариантов деятельности с помощью вычислительных экспериментов При этом, появление столь радикально возросших возможностей суперкомпьютерных технологий позволяет разрабатывать углубленные математические модели, максимально точно описывающих объекты реального мира, и требующие для своего анализа проведения масштабных вычислений

4 Москва, 8 декабря 2008 г. Образовательный комплекс "Теория и практика параллельного программирования" 4 из 28 Доклад PITAC (The Presidents Information Technology Advisory Committee) Вычислительные науки: обеспечение превосходства (конкурентоспособности) Америки «With technology, talent and capital now available globally, the U.S. is facing unprecedented economic competition from abroad. Тhe country that wants to out compete must out-compute» Анализ ситуации… "Страна, которая хочет достичь превосходства в конкурентной борьбе, должна превосходить конкурентов в области вычислений"

5 Москва, 8 декабря 2008 г. Образовательный комплекс "Теория и практика параллельного программирования" 5 из 28 Конкурентоспособность страны в современных условиях во многом определяется уровнем развития суперкомпьютерных вычислительных технологий Суперкомпьютерные технологии становятся одним из решающих факторов научно-технического прогресса и могут служить точно таким стимулом развития страны, как ранее были авиация, атом, ракетная техника и космос Анализ ситуации…

6 Москва, 8 декабря 2008 г. Образовательный комплекс "Теория и практика параллельного программирования" 6 из 28 Анализ ситуации Динамика изменения ситуации и острота проблемы ставит сложную задачу оперативной подготовки высококвалифицированных кадров в области высокопроизводительных вычислений, что представляет собой определенный вызов для системы высшего университетского образования

7 Москва, 8 декабря 2008 г. Образовательный комплекс "Теория и практика параллельного программирования" 7 из 28 Проблема 1 – Оборудование… RoadRunner – позиция 1 в списке TOP 500 – Пиковая производительность 1.7 Pflops = 1700 Tflops !!! – 12,960 IBM PowerXCell 8i CPUs, 6,480 AMD Opteron двухядерных процессоров – Электропитание – 2.35 Мватт, Площадь – 560 кв. м. – Стоимость 133 млн. $

8 Москва, 8 декабря 2008 г. Образовательный комплекс "Теория и практика параллельного программирования" 8 из 28 Проблема 1 – Оборудование… Решение 1: Создание ряда российских крупных суперкомпьютерных центров и организация их коллективного использования Пример: Грид-полигон распределенной сети суперкомпьютерных центров России в рамках программы СКИФ-ГРИД НТП Союзного государства России и Белоруссии (МГУ, ННГУ, ЮУрГУ, ТГУ и др.)

9 Москва, 8 декабря 2008 г. Образовательный комплекс "Теория и практика параллельного программирования" 9 из 28 Проблема 1 – Оборудование… Решение 2: Активное развитие направления, связанное с персональными высоко- производительными мини-кластерами Пример: TEdge-Mini – 5 серверов, на каждом два четырехядерных процессора Quad Core 2 Intel Xeon (1,86 GHz) – Количество ядер – 40, пиковая производительность – 240 GFlops – Стоимость ~ 20 тыс. $ "Суперкомпьютер" кафедры, лаборатории… Экономичность первого шага в суперкомпьютинг

10 Москва, 8 декабря 2008 г. Образовательный комплекс "Теория и практика параллельного программирования" 10 из 28 Проблема 1 – Оборудование… Решение 3: Интенсивное выполнение работ в области аппаратных средств-ускорителей вычислений Пример: – Ускоритель ClearSpeed Advance X620, два процессора CSX600, 96 ядер, производительность более 70 GFlops – Ускоритель Nvidia Tesla D870, 2 процессора (128 ядер каждый), производительность 1 TFlops !!! (32 бит) "Настольный суперкомпьютер" Опережающая подготовка к существенно многоядерным процессорам

11 Москва, 8 декабря 2008 г. Образовательный комплекс "Теория и практика параллельного программирования" 11 из 28 Проблема 1 – Оборудование Решение 4: Применение учебно-исследовательских систем для изучения и исследования параллельных алгоритмов и программ Пример: ПараЛаб (Параллельная Лаборатория), ННГУ – Моделирование вычислительной системы – Выбор задачи и метода решения – Проведение вычислительных экспериментов – Визуализация процесса решения – Сбор и анализ результатов экспериментов («журнал экспериментов») Поддержка концепции вычислительного эксперимента "Предсказательная" разработка алгоритма "Визуальное" изучение параллельных вычислений

12 Москва, 8 декабря 2008 г. Образовательный комплекс "Теория и практика параллельного программирования" 12 из 28 Характеристика необходимых знаний и умений Архитектуры параллельных вычислительных систем Модели вычислений и методы анализа сложности вычислений Параллельные вычислительные методы Параллельное программирование (языки, библиотеки, среды разработки) Необходим интегрированный курс "Многопроцессорные вычислительные системы и параллельное программирование" Проблема 2 – Образовательные ресурсы…

13 Москва, 8 декабря 2008 г. Образовательный комплекс "Теория и практика параллельного программирования" 13 из 28 Учебный курс "Многопроцессорные вычислительные системы и параллельное программирование" (ННГУ): изучение моделей параллельных вычислений, овладение параллельными алгоритмами, получение опыта параллельного программирования. Курс позволяет слушателям получить знания во многих областях параллельного программирования (модели, методы, технологии, программы). Лекционные занятия дополнены расширенным лабораторным практикумом. Проблема 2 – Образовательные ресурсы…

14 Москва, 8 декабря 2008 г. Образовательный комплекс "Теория и практика параллельного программирования" 14 из 28 Состав учебных материалов: Описание курса, Описание лабораторного практикума, Электронные учебные материалы к курсу, Программная система для проведения лабораторных работ, Руководство пользователя программной системы, Библиотека параллельных алгоритмов, Описание библиотеки параллельных алгоритмов, Презентации лекций и лабораторных работ Проблема 2 – Образовательные ресурсы…

15 Москва, 8 декабря 2008 г. Образовательный комплекс "Теория и практика параллельного программирования" 15 из 28 Краткий обзор курса: Принципы построения параллельных вычислительных систем (3 часа) Модели вычислений и методы анализа эффективности (4 часа) Анализ коммуникационной трудоемкости (4 часа) Технология разработки параллельных программ для многопроцессорных систем с распределенной памятью (стандарт передачи сообщений MPI) (6 часов) Технология разработки параллельных программ для многопроцессорных систем с общей памятью (стандарт OpenMP) (4 часа) Принципы разработки параллельных методов (2 часа) Параллельные численные алгоритмы для решения типовых задач вычислительной математики (8 часа) Модели функционирования параллельных программ (4 часа) Проблема 2 – Образовательные ресурсы…

16 Москва, 8 декабря 2008 г. Образовательный комплекс "Теория и практика параллельного программирования" 16 из 28 Отличительные особенности курса: Всестороннее изучение целого спектра составляющих параллельного программирования (моделей, методов, технологий, программ) Высокая готовность для тиражирования !!! Проблема 2 – Образовательные ресурсы Гергель В.П. Теория и практика параллельных вычислений. – М.: Интуит; Бином. Лаборатория Знаний, Имеется видеозапись всех лекций курса

17 Москва, 8 декабря 2008 г. Образовательный комплекс "Теория и практика параллельного программирования" 17 из 28 Проект "Интернет-университет суперкомпьютерных технологий": Цель проекта Организация массовой подготовки специалистов в области суперкомпьютерных вычислительных технологий с активным использованием возможностей современных ИТ-технологий Проблема 3 – Взаимодействие вузов…

18 Москва, 8 декабря 2008 г. Образовательный комплекс "Теория и практика параллельного программирования" 18 из 28 Проект "Интернет-университет суперкомпьютерных технологий": Основы подхода… Активное использование методики, используемой Интернет- Университетом Информационных Технологий ( –Широкое привлечение известных специалистов России для разработки образовательных материалов (более 100 учебных курсов на 2008 г.), –Открытое представление разработанных материалов в сети Интернет для свободного использования, –Организация дистанционного обучения (модульное представление учебного материала, автоматизированное тестирование), –Формирование целевых образовательных программ в ряде ведущих университетов России Более 300 тыс. зарегистрированных пользователей Проблема 3 – Взаимодействие вузов…

19 Москва, 8 декабря 2008 г. Образовательный комплекс "Теория и практика параллельного программирования" 19 из 28 Проект "Интернет-университет суперкомпьютерных технологий": Основы подхода Широкое использование видео-лекций Организация лекционных и практических занятий в виде видео-конференций (Web-трансляций) Регулярное проведение очных занятий (например, в виде семинаров в рамках конференций близкой тематики) Возможность использования вычислительных ресурсов суперкомпьютерных центров России для проведения вычислительных экспериментов В ходе развития проекта может быть предусмотрено создание опорных образовательных центров в составе университетов-участников проекта для организации очного (углубленного) обучения слушателей Проблема 3 – Взаимодействие вузов…

20 Москва, 8 декабря 2008 г. Образовательный комплекс "Теория и практика параллельного программирования" 20 из 28 Проект "Интернет-университет суперкомпьютерных технологий": Преимущества Возможность привлечения для организации обучения известных преподавателей и специалистов в области суперкомпьютерных вычислительных технологий и параллельного программирования Возможность организации массовой базовой подготовки специалистов в данной области и обеспечение на этой основе широкого практического применения возможностей суперкомпьютерных вычислений Использование возможностей современных ИТ-технологий для обеспечения качества подготовки Обеспечение доступности образования в области суперкомпьютерных технологий Проблема 3 – Взаимодействие вузов…

21 Москва, 8 декабря 2008 г. Образовательный комплекс "Теория и практика параллельного программирования" 21 из 28 Проект "Интернет-университет суперкомпьютерных технологий": Направления подготовки Системное и прикладное параллельное программирование Повышение квалификации преподавателей вузов, проводящих обучение по различным аспектам параллельного программирования Повышение квалификации специалистов различных предметных областей, для решения задач которых могут быть использованы суперкомпьютерные технологии Проектирование, разработка и эксплуатация суперкомпьютерных вычислительных систем Администрирование суперкомпьютерных вычислительных систем Проблема 3 – Взаимодействие вузов…

22 Москва, 8 декабря 2008 г. Образовательный комплекс "Теория и практика параллельного программирования" 22 из 28 Проект "Интернет-университет суперкомпьютерных технологий": Категории обучаемых Студенты вузов (физико-математические, технические, естественно-научные специальности) ИТ-специалисты Специалисты разных предметных областей Школьники Проблема 3 – Взаимодействие вузов…

23 Москва, 8 декабря 2008 г. Образовательный комплекс "Теория и практика параллельного программирования" 23 из 28 Проект "Интернет-университет суперкомпьютерных технологий": Учебный план семестра 1 (осень 2008) Введение в специальность (избранные лекции ведущих ученых и специалистов) Основы параллельного программирования (Гергель В.П., ННГУ) Параллельное программирование с MPI (Немнюгин А.А., СПбГУ) Параллельное программирование с OpenMP (Крюков В.А., ИПМ РАН) Введение в параллельные алгоритмы (Якобовский М.В., ИММ РАН) Проблема 3 – Взаимодействие вузов…

24 Москва, 8 декабря 2008 г. Образовательный комплекс "Теория и практика параллельного программирования" 24 из 28 Проект "Интернет-университет суперкомпьютерных технологий": Тематическая характеристика учебного плана… Математические основы Системное программирование Архитектура, ОС, Компьютерные сети, Базы данных, Оптимизация программ Технологии параллельного программирования Технологии (MPI, OpenMP, DVM,…), Параллельное программирование в математических пакетах (Matlab, Mathematica,…), Инструменты, Библиотеки, Отладка параллельных программ Параллельные алгоритмы Матричные вычисления, Сортировка, Алгоритмы для графов, Решение дифференциальных уравнений, Алгоритмы Монте-Карло, Алгоритмы машинной графики, Обработка изображений и видео Проблема 3 – Взаимодействие вузов…

25 Москва, 8 декабря 2008 г. Образовательный комплекс "Теория и практика параллельного программирования" 25 из 28 Проект "Интернет-университет суперкомпьютерных технологий": Тематическая характеристика учебного плана Научная визуализация Построение и использование кластерных систем Построение и использование кластеров под управлением Unix/Windows, Системы управления кластерами, Оценка производительности Технологии Грид Проблема 3– Взаимодействие вузов…

26 Москва, 8 декабря 2008 г. Образовательный комплекс "Теория и практика параллельного программирования" 26 из 28 Проект "Интернет-университет суперкомпьютерных технологий": Планирование работ Этап 1 – Начало проекта – 4 кв Подготовка первой очереди учебных курсов. Начало обучения Этап 2 – Развитие проекта – 1-2 кв Подготовка второй очереди учебных курсов. Расширение состава обучаемых Этап 3 – Завершение пилотной стадии проекта – 3-4 кв Подготовка третьей очереди учебных курсов. Анализ результатов пилотной стадии проекта. Определение стратегии развития проекта Проблема 3 – Взаимодействие вузов

27 Москва, 8 декабря 2008 г. Образовательный комплекс "Теория и практика параллельного программирования" 27 из 28 Контакты Гергель В.П., д.т.н., проф., декан факультета вычислительной математики и кибернетики Нижегородский университет , Нижний Новгород, пр. Гагарина, 23 р.т.: 7 (831)

28 Москва, 8 декабря 2008 г. Образовательный комплекс "Теория и практика параллельного программирования" 28 из 28 Спасибо за внимание. Вопросы ?