《数值并行计算》课程教学大纲

《数值并行计算》教学大纲课程名称：数值并行计算英文名称：NumericalParallelComputing课程编号：F035092432学分：2.5总学时/课内实践学时：40/8课程性质：选修课程开课单位：数理科学与工程学院数学系基层教学组织适应对象：信息与计算科学专业一、课程简介并行处理是实现高性能、高可用计算机系统的主要途径。本课程以数值并行计算为主题，主要介绍了并行计算机系统及其结构模型，并行算法设计与并行程序的设计原理方法，强调并行机结构、并行算法和并行变成为一体，力图反映本学科的最新成就和发展趋势。通过本课程的学习，使学生从系统结构、算法、程序设计三个方面，初步了解并行处理的基本概念和涉及的各种学术和技术问题，能够把握并行处理技术的最新成就和发展趋势，掌握并行计算技术和方法。根据课程内容，结合现实中的各种案例，给学生教授知识的同时也教育学生要加强民族自豪感，为国家科技发展做出贡献。Parallelprocessingisthemainwaytorealizehighperformanceandhighavailabilitycomputersystem.Takingnumericalparallelcomputingasthetheme,thiscoursemainlyintroducestheparallelcomputersystemanditsstructuralmodel,theparallelalgorithmdesignanddesignprincipleandmethodofparallelprogram.Thiscourseemphasizestheparallelmachinestructure,parallelalgorithmandparalleltransformationintoone,andtriestoreflectthelatestachievementsanddevelopmenttrendofthisdiscipline.Throughthestudyofthiscourse,studentswillhaveapreliminaryunderstandingofthebasicconceptsofparallelprocessingandvariousacademicandtechnicalissuesinvolvedfromthethreeaspectsofsystemstructure,algorithmandprogramdesign,andbeabletograspthelatestachievementsanddevelopmenttrendsofparallelprocessingtechnologyandmasterparallelcomputingtechnologyandmethods.Accordingtothecontentofthecourse,combinedwithvariouscasesinreality,thestudentscanstudyknowledgeandstrengthennationalprideandmakecontributionstothedevelopmentofnationalscienceandtechnology.二、课程目标1.思政目标：注重科学思维方法训练和科学精神的培养，提高学生分析问题解决问题的能力，提高学生运用所学为社会国家做贡献的觉悟与能力，为祖国培养科技人才。2．通过本课程的学习，使学生掌握数值并行计算的基本理论知识，熟练并行算法和并行程序的设计。3．通过课程学习，提高学生结合所学与实践的能力，可以运用并行算法设计和并行程序设计解决实际中的问题。1.Ideologicalandpoliticalgoals:Thiscourseshouldpayattentiontothetrainingofscientificthinkingmethodsandthecultivationofscientificspirit.Itshouldimprovestudents'abilitytoanalyzeandsolveproblems.Itshouldimprovestudents'consciousnessandabilitytomakecontributionstothesocietyandthecountrywithwhattheyhavelearned,andtrainscientificandtechnologicaltalentsforthemotherland.2.Throughthestudyofthiscourse,studentscanmasterthebasictheoreticalknowledgeofnumericalparallelcomputingandbeproficientinthedesignofparallelalgorithmsandparallelprograms.3.Throughcourselearning,studentscanimprovetheirabilitytocombinewhattheyhavelearnedwithpractice,andtheycanuseparallelalgorithmdesignandparallelprogramdesigntosolvepracticalproblems.三、课程目标与毕业要求对应关系本课程的课程目标对信息与计算科学专业毕业要求指标点的支撑情况如表1所示：表1课程目标与毕业要求对应关系毕业要求指标点课程目标毕业要求1：知识要求具有扎实的数学基础，掌握信息科学、计算科学和计算机科学的基本理论和基本知识。课程目标2毕业要求2：能力要求通过系统的数学思维训练，掌握数学科学的思想方法，具有扎实的数学基础和较强的数学语言表达能力；能运用所学数学和计算机知识解决某些科研或生产中的实际问题。课程目标2课程目标3毕业要求3：素质要求具有正确的人生观、价值观和道德观，爱国、诚信、友善、守法，具有高度的社会责任感；具有良好的心理素质和积极的人生态度。课程目标1四、课程教学安排课程共有6项教学内容，具体安排如下。表2课程教学安排表序号教学内容思政元素课堂教学学时实验/实践教学学时学时小计1并行计算概述了解计算机系统中并行性的发展，了解当代的并行系统以及并行处理技术的应用，介绍中国在超级计算中的大国地位4042并行计算机的互联网络结合当代科学与工程问题的计算需求出发，讨论计算机系统的互联网络4043并行计算性能测评在讲述并行计算机体结构性能时，介绍我国计算机科研工作者自主研发了神威·太湖之光超级计算机，完全使用我国自己研制的CPU6284并行算法的分析对算法分析需要从多角度进行分析，教育学生在生活中分析问题也同样需要多角度多方面考虑问题6285并行算法的设计并行算法设计的一个重要原则是负载平衡，即各部分要服从整体，这样才能提高并行算法的性能。教育学生在国家整体发展战略中，个人利益要服从国家和集体利益6286并行程序设计在讲述并行程序设计方法时，介绍并行程序设计方法严谨性、踏实性和规范性。教育学生科学研究的严谨性、踏实性、规范性，让学生真切感受到科学研究严谨性、踏实性、规范性。理解科学研究者对科学研究的态度观念，技术使用的价值和伦理关系628合计32840教学安排1.并行计算概述教学要求：介绍并行性、并行计算相关概念、并行计算研究的内容和并行计算模型，了解计算机系统中并行性的发展，了解当代的并行系统以及并行处理技术的应用。教学内容：1.1并行计算概念了解并行计算的基本概念，以及并行技术在各个领域中的应用，比如计算生物学、计算气象学、计算材料学等等。1.2并行计算研究的内容了解到并行计算模型、并行计算性能测评、并行算法的设计以及并行程序的设计等内容，利用一些算法技术解决实际中的问题。1.3并行计算模型主要学习并行计算结构模型。重点难点：并行计算模型的各种类型。思政元素：介绍我国在超级计算机领域取得领先世界的伟大成就，增强同学们的民族自豪感。教学方法：讲授法、启发法2.并行计算机的互联网络教学要求：掌握互联函数及其表示方法，集中基本的互联函数，互联网络的结构参数和传输性能参数，静态互联网络以及动态互联网络的基本结构。教学内容：2.1互联函数了解互联函数的基本概念及其表示方法，掌握几种基本的互联函数2.2静态互联网络了解静态互联网络的基本概念、重要特性以及基本结构2.3动态互联网络了解动态互联网络的基本概念、重要特性以及基本结构重点难点：静态互联网络和动态互联网络的基本结构思政元素：结合当代科学与工程问题的计算需求出发，讨论计算机系统的互联网络。教学方法：讲授法、启发法3.并行计算性能测评教学要求：了解并行计算的性能的测评的重要性，以及如何进行并行计算性能测评，主要掌握Amdahl定律和Gustafson定律两大加速比性能定律，掌握可扩放性评测标准，了解基准测试程序。教学内容：3.1并行计算机的基本性能指标了解基本的性能指标，主要包括CPU和存储器的某些性能指标；通信开销以及机器成本、价格与性价比等。3.2Amdahl定律了解Amdahl定律的基本出发点，掌握Amdahl定律适用的场景及其几何意义。3.3Gustafson定律了解Gustafson定律的基本出发点，掌握Gustafson定律适用的场景及其几何意义。3.4可扩放性评测标准了解除了加速比之外并行计算的可扩放性也是主要性能指标之一，了解可扩放性的主要研究目的，掌握三种典型的可扩放性度量方法：等效率、等速度和平均延迟方法。3.5基准测试测评了解基准测试程序的基本分类。重点难点：两大加速比性能比率的基本内容和几何意义，三种可扩放性度量方法的基本内容与应用。思政元素：介绍我国计算机科研工作者自主研发了神威·太湖之光超级计算机，完全使用我国自己研制的CPU。教育学生“不忘初心，牢记使命”，坚持自主研发，掌握核心技术，才能打破西方国家对我国的技术封锁，引导学生努力与自我发展和民族复兴联系起来。教学方法：讲授法、启发法4.并行算法分析教学要求：了解数据结构与算法概述，掌握如何进行算法的时间复杂性分析，重点掌握并行计算模型：PRAM模型、异步PRAM模型、BSP模型、logP模型。教学内容：4.1并行算法的基础知识了解并行算法的定义和分类，在对算法进行分析的时候，需要通过运行时间、处理器书、并行算法成本等角度来分析并行算法的复杂性。4.2并行计算模型了解计算模型设定的目的，首先需要掌握PRAM模型的基本描述和优缺点，然后需要掌握另外三种模型各自的特点以及论证。重点难点：如何对算法进行分析，四种计算模型各自的特点以及论证。思政元素：对于算法的复杂度进行分析，需要多角度多方面，学生在生活中同时也需要多角度思考问题。教学方法：讲授法、启发法5.并行算法设计教学要求：了解并行算法的一般设计方法，熟练掌握并行算法的基本设计技术，熟练掌握并行算法的一般设计过程，了解设计并行算法应该注意的问题。教学内容：5.1并行算法的一般设计策略掌握三种设计并行算法的基本策略：检测和开拓现有串行算法中的固有并行性，直接进行并行化；根据问题本身的描述，从头设计全新算法；借用已有的并行算法求解新一类问题。5.2并行算法的基本设计技术了解基本的设计技术，主要包括划分设计技术、分治设计技术、平衡树设计技术、倍增设计技术、流水线设计技术，其中需要重点掌握划分设计技术，主要包括均匀划分技术、方根划分技术、对数划分技术、功能划分技术，熟练掌握四个技术的算法内容，并且能够实际操作。5.3并行算法的一般设计过程掌握PCAM设计方法学及其四个阶段，熟练掌握四个阶段的具体内容和目标。第一阶段划分需要掌握其基本方法分类和每个方法的具体操作；第二阶段划分需要掌握其四种模式和每种模式的具体算法；第三阶段组合需要掌握所需要坚持的准则和判断依据；第四阶段映射需要掌握其基本方法和判断依据。最后了解设计算法时需要注意的问题。重点难点：并行算法的基本设计技术的掌握与运用，并行算法的设计过程的四个阶段以及其算法的运用。思政元素：通过负载平衡联系到各部分要服从整体，这样才能提高并行算法的性能。教育学生在国家整体发展战略中，个人利益要服从国家和集体利益，暂时利益服从长远利益。教学方法：讲授法、启发法6.并行程序设计教学要求：介绍并行程序设计概述，掌握并行编程模型并且能够熟练运用，熟练掌握并行程序设计环境与工具，最终可以设计一个简单的并行程序。教学内容：6.1并行程序设计概述介绍目前并行程序设计的状况并了解其原因；从应用的角度比较串行程序设计和并行程序设计；了解并行程序设计环境和工具；掌握并行程序设计的基本方法，主要包括库函数法、新语言结构法、编译制导法，掌握三种方法的优缺点和具体例子；掌握多种并行编程风范，并且能够在实际中运用合适的风范。6.2并行程序设计模型掌握几种并行程序设计模型，掌握隐式并行模型中的自动并行化方法与用户定向法，掌握数据并行模型的主要内容和具体特点，掌握消息传递模型的主要内容和具体特点，掌握共享变量模型的具体内容和特点，比较三种模型的主要特征，以计算π样本程序为例掌握三种模型的算法思想和步骤。6.3并行程序设计环境和工具介绍一般的软件工具环境，重点介绍并行程序设计语言的并行编译器以及并行程序的调试、性能分析和可视化设计环境与工具重点难点：并行算法的基本设计技术的掌握与运用，并行