Nazwa przedmiotu: PROGRAMOWANIE APLIKACJI RÓWNOLEGŁYCH I ROZPROSZONYCH Programming parallel and distributed applications Kierunek: Informatyka Rodzaj przedmiotu: obowiązkowy w ramach specjalności: Inżynieria o Rodzaj zajęć: wykład, laboratorium Forma studiów: Stacjonarne Poziom kwalifikacji: II stopnia Liczba godzin/tydzień: W E, L Kod przedmiotu: IO_06 Rok: I Semestr: II Liczba punktów: 5 ECTS I KARTA PRZEDMIOTU CEL PRZEDMIOTU PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE C1. Zapoznanie studentów z aktualnymi trendami i rozwiązaniami stosowanych we współczesnych systemach architekturach wieloprocesorowych i wielordzeniowych, jak również metod i sposobów realizacji równoległej przydatnych dla różnych typów i rodzajów algorytmów i aplikacji. C. Nabycie przez studentów praktycznych umiejętności w zakresie tworzenia, uruchamiania i analizy aplikacji rozproszonych dla różnych typów architektur oraz różnych modeli równoległego. Zapoznanie studentów z podstawowymi metodami i technikami cyfrowego przetwarzania sygnałów akustycznych i wizyjnych z wykorzystaniem wiedzy o teorii sygnałów i technice cyfrowej. WYMAGANIA WSTĘPNE W ZAKRESIE WIEDZY, UMIEJĘTNOŚCI I INNYCH KOMPETENCJI Podstawowa wiedza z zakresu architektur rozproszonych. Podstawowa wiedza z metod numerycznych. Umiejętność w języku C/C++. Podstawowa umiejętność z wykorzystaniem standardu MPI. Umiejętność korzystania z różnych źródeł informacji w tym z instrukcji i dokumentacji technicznej. Umiejętności pracy samodzielnej i w grupie. Umiejętności prawidłowej interpretacji i prezentacji własnych działań. EFEKTY KSZTAŁCENIA EK 1 Posiada wiedzę dotyczącą tendencji i kierunków rozwoju współczesnych architektur zna modele ich, EK posiada wiedzę o technologiach i sposobach zrównoleglania aplikacji na architektury z pamięcią współdzieloną w tym standardy Pthreads, OpenMP oraz technologie Intel TBB EK 3 posiada wiedzę związaną z kierunkami rozwoju standardu MPI oraz mechanizmami
wprowadzonymi w wersji tego standardu, EK 4 zna mechanizmy komunikacji międzyprocesowej oraz aspekty ich wykorzystania w programach równoległych, EK 5 posiada wiedzę dotyczącą systemów klient-serwer oraz aspektów ich wykorzystania w programach równoległych, EK 6 posiada wiedzę dotyczącą architektur gridowych i chmurowych, EK 7 zna architektury układów GPU i sposoby ich wykorzystania do uruchamiania programów ogólnego przeznaczenia, EK 8 zna problemy związane z architekturami hybrydowymi oraz sposoby ich wykorzystania, EK 9 posiada wiedzę dotyczącą budowy modeli wydajnościowych programów równoległych, EK 10 zna narzędzia wspierające tworzenie programów równoległych, EK 11 umie korzystać z klastrów obliczeniowych i uruchamiać na nich zadania z wykorzystaniem systemu kolejkowego, EK 1 posiada umiejętność zrównoleglania aplikacji dla architektur z pamięcią wspólną przy wykorzystaniu standardów Pthreads i OpenMP, EK 13 posiada umiejętność przeprowadzania równoległych eksperymentów numerycznych oraz analizy wydajnościowej programów równoległych, EK 14 umie wykorzystać w programach mechanizmy komunikacji międzyprocesowej, EK 15 posiada umiejętność tworzenia aplikacji klient-serwer, EK 16 umie tworzyć programy uruchamiane na układach GPU, EK 17 posiada umiejętność wykorzystywania architektur hybrydowych do uruchamiania zadań równoległych, EK 18 umie korzystać z narzędzi wspierających tworzenie programów równoległych.
TREŚCI PROGRAMOWE Forma zajęć WYKŁADY Liczba godzin W 1 Współczesne architektury systemów modele ich W Wykorzystanie modelu z pamięcią współdzieloną do zrównoleglania aplikacji, standardu PThreads W 3 Realizacja równoległa aplikacji numerycznych z wykorzystaniem standardu OpenMP W 4 Tworzenie programów równoległych z wykorzystaniem technologii Intel Threading Building Blocks W 5 Zaawansowane programowanie z wykorzystaniem standardu MPI, standard MPI- W 6 Mechanizmy komunikacji międzyprocesowej W 7 Systemy klient-serwer i ich wykorzystanie w programach rozproszonych W 8 Systemy gridowe W 9 Chmury obliczeniowe W 10 Architektura układów GPU i ich wykorzystanie do uruchamiania obliczeń numerycznych W 11 Technologia CUDA W 1 Standard OpenCL W 13 Architektury hybrydowe i ich wykorzystanie W 14 Modele wydajnościowe programów równoległych W 15 Narzędzia wspierające tworzenie programów równoległych Forma zajęć LABORATORIUM Liczba godzin L 1 Uruchamianie zadań w klastrach z wykorzystaniem systemu kolejkowego L Programowanie z wykorzystaniem standardu POSIX threads L 3 Programowanie z wykorzystaniem standardu OpenMP L 4 Realizacja równoległa o z wykorzystaniem technologii Intel Threading Building Blocks L 5 Wykorzystanie mechanizmów standardu MPI- w programach równoległych L 6 Opracowanie i implementacja wersji sekwencyjnej i równoległej zadanego algorytmu numerycznego przy użyciu różnych technologii L 7 Uruchomienie i zbadanie wydajności zadanego algorytmu numerycznego L 8 Podstawy z wykorzystaniem mechanizmów komunikacji międzyprocesowej L 9 Zaawansowane aspekty wykorzystania mechanizmów komunikacji międzyprocesowej L 10 Tworzenie aplikacji w technologii klient-serwer L 11 Wykorzystanie kart graficznych do wykonywania algorytmów ogólnego przeznaczenia L 1 Realizacja obliczeń na kartach graficznych w technologii CUDA L 13 Wykorzystanie standardu OpenCL do zrównoleglania aplikacji L 14 Tworzenie i uruchamianie aplikacji na architekturach hybrydowych L 15 Wykorzystanie narzędzi wspierających tworzenie programów równoległych NARZĘDZIA DYDAKTYCZNE 3
1. wykład z wykorzystaniem prezentacji multimedialnych. ćwiczenia laboratoryjne 3. system równoległy z pamięcią wspólną i rozproszoną (klaster obliczeniowy) wraz z niezbędnym oprogramowaniem umożliwiającym tworzenie i uruchamianie programów równoległych 4. materiały do realizacji laboratorium 5. narzędzia programistyczne wspierające tworzenie programów oraz ich zrównoleglanie 6. dokumentacja techniczna SPOSOBY OCENY ( F FORMUJĄCA, P PODSUMOWUJĄCA). ocena przygotowania do ćwiczeń laboratoryjnych F. ocena umiejętności stosowania zdobytej wiedzy podczas wykonywania ćwiczeń. ocena sprawozdań z realizacji ćwiczeń objętych programem nauczania. ocena aktywności podczas zajęć. ocena umiejętności rozwiązywania postawionych problemów oraz sposobu prezentacji uzyskanych wyników zaliczenie na ocenę P. ocena opanowania materiału nauczania będącego przedmiotem wykładu zaliczenie wykładu (lub egzamin) *) warunkiem uzyskania zaliczenia jest otrzymanie pozytywnych ocen ze wszystkich ćwiczeń laboratoryjnych, OBCIĄŻENIE PRACĄ STUDENTA Forma aktywności Godziny kontaktowe z prowadzącym Godziny konsultacji z prowadzącym Egzamin Przygotowanie do ćwiczeń laboratoryjnych Wykonanie sprawozdań z realizacji ćwiczeń laboratoryjnych (czas poza zajęciami laboratoryjnymi) Przygotowanie do egzaminu (kolokwium) Średnia liczba godzin na zrealizowanie aktywności 30W 30L 60 h 5 h 3 h 15 h 5 h 17 h Suma 15 h SUMARYCZNA LICZBA PUNKTÓW ECTS DLA PRZEDMIOTU Liczba punktów ECTS, którą student uzyskuje na zajęciach wymagających bezpośredniego udziału prowadzącego Liczba punktów ECTS, którą student uzyskuje w ramach zajęć o charakterze praktycznym, w tym zajęć laboratoryjnych i projektowych 5 ECTS,7 ECTS,8 ECTS LITERATURA PODSTAWOWA I UZUPEŁNIAJĄCA 1. Gropp, E. Lusk, A. Skjellum, Using MPI : Portable parallel programming with the message-passing interface. MIT Press, Cambridge MA, 1995.. Ian Foster, Designing and Building Parallel Programs, Addison-Wesley, 1995, http://www.mcs.anl.gov/~itf/dbpp/text/book.html 4
3. M. Baker, Cluster Computing White Paper, 000, http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/summary?doi=10.1.1.3.5679 4. M. Snir, S. Otto, i inni, MPI: The Complete Reference, The MIT Press, Cambridge, 1996, http://www.netlib.org/utk/papers/mpi-book/mpi-book.html. 5. William Gropp, Ewing Lusk, Rajeev Thakur, Using MPI-: Advanced Features of the Message-Passing Interface, MIT Press, 1999, http://www.mcs.anl.gov/research/projects/mpi/usingmpi/ 6. Timothy G. Mattson, Beverly A. Sanders, Berna L. Massingill, Patterns for Parallel Programming, Addison-Wesley, Boston, 005. 7. C. Hughes, T. Hughes, Professional Multicore Programming: Design and Implementation for C++ Developers, Willey Publishing, Inc., Indianapolis, 008. 8. Bradford Nichols, Dick Buttlar, and Jacqueline P. Farrell. Pthreads Programming. O'Reilly, Sebastopol, 1998. 9. R. Chandra, L. Dagum, i inn., Parallel programming in OpenMP, Morgan Kaufmann Publishers Inc., CA, 001. 10. J. S. Gray, Arkana: Komunikacja między procesmi w Unixie, Wydawnictwo RM Sp. z o.o., Warszawa, 1998. 11. Marek Sawerwain, Corba. Programowanie w praktyce, MIKOM, Warszawa, 00. 1. D. B. Kirk, W. H. Wen-mei, Programming Massively Parallel Processors: A Hands-on Approach (Applications of GPU Computing Series), Morgan Kaufmann, 010. PROWADZĄCY PRZEDMIOT ( IMIĘ, NAZWISKO, ADRES E-MAIL) 1. dr inż. Tomasz Olas olas@icis.pcz.pl MACIERZ REALIZACJI EFEKTÓW KSZTAŁCENIA Efekt kształcenia EK1 EK EK3 Odniesienie danego efektu do efektów zdefiniowanych dla całego programu (PEK) KIO_K01 KIO_K01 Cele przedmiotu Treści programowe Narzędzia dydaktyczne Sposób oceny C1 W1, W8-10 1 P C1 W-4 1 P C1 W5 1 P KIO_K01 EK4 C1 W6 1 P EK5 KIO_W0 C1 W7 1 P EK6 C1 W8-9 1 P EK7 KIO_K01 C1 W10-1 1 P EK8 KIO_K01 C1 W13 1 P EK9 C1 W14 1 P EK10 C1 W15 1 P EK11 KIO_U16 C1,C W1,L1,4,5,6 EK1 KIO_U16 C1,C W1-4,L-4-6 F 5
EK13 EK14 EK15 EK16 EK17 EK18 KIO_U16 KIO_U16 KIO_U1 KIO_U16 KIO_W0 KIO_U16 KIO_U16 KIO_U15 C1,C W1-5,L6,L7-6 C1,C W6,L8,L9,4,5,6 C1,C W7,L10,4,5,6 C1,C W10-1, L11-1,4,5,6 C1,C W13,L1-14,4,5,6 C1,C W15,L15,4,5,6 F 6
II. FORMY OCENY - SZCZEGÓŁY Na ocenę Na ocenę 3 Na ocenę 4 Na ocenę 5 Efekt 1-10 Student opanował wiedzę z zakresu architektur Student nie opanował podstawowej wiedzy z zakresu architektur Student częściowo opanował wiedzę z zakresu architektur Student dobrze opanował wiedzę z zakresu architektur Student bardzo dobrze opanował wiedzę z zakresu materiału objętego programem nauczania, samodzielnie zdobywa i poszerza wiedzę przy użyciu różnych źródeł Efekt 11,1,14-18 Student posiada umiejętności stosowania wiedzy w praktycznym rozwiązywaniu problemów związanych z programowaniem aplikacji rozproszonych Student nie potrafi zbudować aplikacji równoległych z wykorzystaniem równoległego utworzyć aplikacje równoległe z wykorzystaniem równoległego, ale są one zaimplementowane wysoce nieoptymalnie utworzyć poprawne i w miarę wydajne aplikacje równoległe z wykorzystaniem równoległego utworzyć wysokowydajne aplikacje równoległe z wykorzystaniem równoległego Efekt 13 efektywnie prezentować i dyskutować wyniki własnych działań Student nie opracował sprawozdania/ Student nie potrafi zaprezentować wyników swoich badań Student poprawnie wykonał sprawozdanie z wykonanego ćwiczenia, ale nie potrafi dokonać interpretacji oraz analizy wyników własnych badań Student dobrze wykonał sprawozdanie z wykonanego ćwiczenia, potrafi prezentować wyniki swojej pracy oraz dokonuje ich analizy Student bardzo dobrze wykonał sprawozdanie z wykonanego ćwiczenia, potrafi w sposób zrozumiały prezentować, oraz dyskutować osiągnięte wyniki Dopuszcza się wystawienie oceny połówkowej o ile student spełniający wszystkie efekty kształcenia wymagane do oceny pełnej spełnia niektóre efekty kształcenia odpowiadające ocenie wyższej III. INNE PRZYDATNE INFORMACJE O PRZEDMIOCIE 1. Wszelkie informacje dla studentów (prezentacje do wykładu, instrukcje do ćwiczeń laboratoryjnych, przykładowe aplikacje) dostępne są na stronie internetowej http://icis.pcz.pl/~olas, w zakładce Dydaktyka.. Informacja na temat konsultacji przekazywana jest studentom podczas pierwszych zajęć danego z przedmiotu. 7