《混合架構(gòu)超算并行程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用》教學(xué)大綱課程信息課程名稱：混合架構(gòu)超算并行程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用課程類別：素質(zhì)選修課/專業(yè)基礎(chǔ)課課程性質(zhì)：選修/必修計(jì)劃學(xué)時(shí)：64計(jì)劃學(xué)分：4先修課程：無選用教材：《混合架構(gòu)超算并行程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用》，儲(chǔ)根深、胡長(zhǎng)軍主編，2023年，電子工業(yè)出版社教材。適用專業(yè)：本課程可作為高等院校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、軟件工程等專業(yè)本科生或研究生的課程，也可作為從事高性能計(jì)算和體系結(jié)構(gòu)研究的科研工作者與工程技術(shù)人員的參考課程，同時(shí)也能為關(guān)注高性能計(jì)算與超算技術(shù)發(fā)展的讀者提供有益參考。課程負(fù)責(zé)人：二、課程簡(jiǎn)介該課程面向國產(chǎn)E級(jí)超算的體系結(jié)構(gòu)和高性能計(jì)算領(lǐng)域，關(guān)注近年來出現(xiàn)的新超算硬件和新軟件技術(shù)(如神威E級(jí)超算編程模式、DCU編程模式)。本書涵蓋神威、曙光等超算的硬件架構(gòu)與編程方法，深度結(jié)合國產(chǎn)超算體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以實(shí)例的形式探討異構(gòu)超算上的高性能算法設(shè)計(jì)、優(yōu)化技術(shù)及高性能軟件的開發(fā)和優(yōu)化方法。三、課程教學(xué)要求序號(hào)專業(yè)畢業(yè)要求課程教學(xué)要求關(guān)聯(lián)程度1工程知識(shí)本課程共9章，第1~3章介紹超算相關(guān)背景與高性能計(jì)算的理論知識(shí);第4~6章圍繞異構(gòu)混合架構(gòu)及其上的編程方法，重點(diǎn)內(nèi)容包括國產(chǎn)神威超算架構(gòu)和DCU架構(gòu);第7~8章的主要內(nèi)容是異構(gòu)混合架構(gòu)上的算法設(shè)計(jì)與算法庫;第9章從應(yīng)用角度介紹如何開發(fā)并行應(yīng)用程序并優(yōu)化。L2問題分析超級(jí)計(jì)算機(jī)作為國之重器，在工程模擬(如洪水、地震、氣象模擬等)、數(shù)據(jù)分析、國防軍工、人工智能等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。H3設(shè)計(jì)/開發(fā)解決方案在理論知識(shí)講解的同時(shí)，安排實(shí)踐內(nèi)容，使學(xué)時(shí)在掌握通用計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提升在該領(lǐng)域的理論知識(shí)水平和程序優(yōu)化實(shí)踐技能。H4研究L5使用現(xiàn)代工具L6工程與社會(huì)學(xué)生能夠意識(shí)到新超算硬件和新軟件技術(shù)的重要性，不僅要有良好的思想道德素質(zhì)、科學(xué)文化素質(zhì)、專業(yè)技能和健康的身體，而且要有良好的心理素質(zhì)，勇于承擔(dān)責(zé)任，能夠承受失敗與挫折等。L7環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展L8職業(yè)規(guī)范L9個(gè)人和團(tuán)隊(duì)1.學(xué)會(huì)個(gè)人發(fā)展和團(tuán)隊(duì)合作，提高個(gè)人和團(tuán)隊(duì)的綜合素質(zhì)。2.學(xué)會(huì)與他人合作和溝通，建立良好的人際關(guān)系和團(tuán)隊(duì)合作氛圍。H10溝通1.學(xué)會(huì)進(jìn)行有效的溝通和表達(dá)，與客戶、同事和上級(jí)保持良好的溝通和協(xié)作。2.學(xué)會(huì)進(jìn)行跨文化溝通和合作，提高國際化視野和跨文化交流能力。M11項(xiàng)目管理L12終身學(xué)習(xí)1.學(xué)會(huì)進(jìn)行自我學(xué)習(xí)和自我提升，不斷提高自身的專業(yè)水平和創(chuàng)新能力。2.學(xué)會(huì)進(jìn)行終身學(xué)習(xí)和職業(yè)發(fā)展規(guī)劃，不斷拓展職業(yè)領(lǐng)域和發(fā)展空間。H注：“課程教學(xué)要求”欄中內(nèi)容為針對(duì)該課程適用專業(yè)的專業(yè)畢業(yè)要求與相關(guān)教學(xué)要求的具體描述。“關(guān)聯(lián)程度”欄中字母表示二者關(guān)聯(lián)程度。關(guān)聯(lián)程度按高關(guān)聯(lián)、中關(guān)聯(lián)、低關(guān)聯(lián)三檔分別表示為“H”“M”或“L”?！罢n程教學(xué)要求”及“關(guān)聯(lián)程度”中的空白欄表示該課程與所對(duì)應(yīng)的專業(yè)畢業(yè)要求條目不相關(guān)。四、課程教學(xué)內(nèi)容章節(jié)名稱主要內(nèi)容重難點(diǎn)關(guān)鍵詞學(xué)時(shí)類型1緒論高性能計(jì)算應(yīng)用需求和意義混合架構(gòu)超算發(fā)展趨勢(shì)如何進(jìn)行異構(gòu)混合架構(gòu)上的程序設(shè)計(jì)了解高性能計(jì)算背景和異構(gòu)混合超算的發(fā)展趨勢(shì)。1理論+實(shí)操2異構(gòu)混合架構(gòu)概述國際國內(nèi)超算現(xiàn)狀典型的混合架構(gòu)計(jì)算機(jī)混合架構(gòu)程序設(shè)計(jì)語言與框架概述了解超算的發(fā)展歷史和目前超算的基本架構(gòu)；掌握介紹其硬件架構(gòu);掌握相關(guān)的編程接口和編程語言。7理論+實(shí)操3異構(gòu)混合架構(gòu)性能分析理論并行程序的時(shí)間開銷相對(duì)性能絕對(duì)性能性能瓶頸了解并掌握相關(guān)性能分析的指標(biāo)和影響程序性能的因素;掌握如何提高性能指標(biāo)。4理論+實(shí)操4CPU高性能程序設(shè)計(jì)內(nèi)存模型與OpenMP、MPI并行編程方法OpenM并行編程簡(jiǎn)介MPI并行編程簡(jiǎn)介SIMD向量化性能分析工具了解并掌握OpenMP、MPI并行編程模型及面向x86CPU的向量化并行優(yōu)化技術(shù);掌握相關(guān)的性能分析工具。9理論+實(shí)操5神威異構(gòu)眾核程序設(shè)計(jì)神威超算及編程環(huán)境概述神威眾核編程神威SIMD了解并掌握其硬件架構(gòu)、編程和優(yōu)化方法。6理論+實(shí)操6面向DCU架構(gòu)的程序設(shè)計(jì)與優(yōu)化曙光超算及編程環(huán)境概述HIP編程方法利用LDS進(jìn)行數(shù)據(jù)共享線程間通信reduce優(yōu)化了解節(jié)點(diǎn)內(nèi)異構(gòu)的CPU+DCU硬件；掌握其上的編程方法和優(yōu)化方法。13理論+實(shí)操7異構(gòu)混合架構(gòu)上的算法設(shè)計(jì)DCU上的前綴和通用矩陣乘DCU上的稀疏矩陣向量乘了解并掌握在異構(gòu)混合架構(gòu)超算上，如何進(jìn)行高效的并行算法設(shè)計(jì)。6理論+實(shí)操8異構(gòu)混合架構(gòu)常用算法庫算法庫介紹稠密矩陣計(jì)算庫:rocBLAS、cuBLAS、swBLAS稀疏矩陣計(jì)算庫:rocSPARSE、cuSPARSE、swSPARSELAPACK線性代數(shù)計(jì)算庫:特征值、LU線性方程組求解了解并掌握高性能計(jì)算領(lǐng)域的相關(guān)算法庫及使用方法。12理論+實(shí)操9異構(gòu)混合架構(gòu)上并行應(yīng)用程序開發(fā)示例MISA-MD分子動(dòng)力學(xué)模擬程序異構(gòu)優(yōu)化.SUMMER-CD有限體積法求解圣維南方程組在神威·太湖之光上的優(yōu)化了解并掌握面向異構(gòu)混合架構(gòu)超算的應(yīng)用移植；掌握其優(yōu)化方法。6理論+實(shí)操五、考核要求及成績(jī)?cè)u(píng)定序號(hào)成績(jī)類別考核方式考核要求權(quán)重（%）備注1期末成績(jī)期末考試考試50百分制，60分為及格2平時(shí)成績(jī)課后作業(yè)9次40優(yōu)、良、中、及格、不及格3平時(shí)表現(xiàn)出勤情況10兩次未參加課程則無法獲得學(xué)分注：此表中內(nèi)容為該課程的全部考核方式及其相關(guān)信息。六、學(xué)生學(xué)習(xí)建議學(xué)習(xí)方法建議1.通過開展課堂討論、實(shí)踐活動(dòng)，增強(qiáng)的團(tuán)隊(duì)交流能力，學(xué)會(huì)如何與他人合作、溝通、協(xié)調(diào)等等。2.通過思考，加深自己的興趣，鞏固知識(shí)點(diǎn)。3.進(jìn)行練習(xí)和實(shí)踐，提高自己的技能和應(yīng)用能力，加深對(duì)知識(shí)的理解和記憶。學(xué)生課外閱讀參考資料《混合架構(gòu)超算并行程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用》，儲(chǔ)根深、胡長(zhǎng)軍主編，2023年，電子工業(yè)出版社教材。七、課程改革與建設(shè)本課程從超算發(fā)展和典型超算硬件架構(gòu)開始介紹，過渡到軟硬件性能評(píng)價(jià)指標(biāo)和計(jì)算方法;核心部分是面向國產(chǎn)超算的編程、優(yōu)化、性能分析和評(píng)價(jià)及國產(chǎn)超算環(huán)