BSc: HighPerformanceComputing

Высокопроизводительные вычисления

Квалификация выпускника: бакалавр

Направление подготовки: 09.03.01 - “Информатика и вычислительная техника”

Направленность (профиль) образовательной программы: Математические основы ИИ

Программу разработал(а): Конюхов И.В.

1. Краткая характеристика дисциплины

Изучение дисциплины обеспечивает формирование и развитие компетенций обучающихся в области программного обеспечения и его разработки; искусственного интеллекта и его применения для решения различных прикладных задач в рамках профессиональной деятельности. В ходе освоения дисциплины обучающиеся рассматривают некоторые известные численные алгоритмы и особенности их параллельной реализации на центральных и графических процессорах. Рассматриваются прямые методы решения систем линейных алгебраических уравнений с матрицами общего и специального типов (метод Гаусса, разложение Холецкого, прогонка), итерационные методы решения систем линейных уравнений (методы простой итерации и верхней релаксации), вопросы реализации разреженных матриц и алгебры над ними, методы Монте-Карло, численные методы решения систем обыкновенных дифференциальных уравнений и уравнений с частными производными, а также новейшие физически-информированные нейронные сети.

2. Перечень планируемых результатов обучения

Целью освоения дисциплины является формирование общего понимания высокоэффективной реализации общих вычислительных алгоритмов с использованием процессоров различных типов и архитектур, а также демонстрация современных подходов к вычислительным алгоритмам на базе технологий машинного обучения.

Задачами дисциплины являются изучение технологий параллельного программирования на центральных, графических и нейропроцессорах, анализ вычислительных алгоритмов с целью выявления точек параллелизма (hotpoints) и узких мест (bottle necks), а также внедрение технологий искусственного интеллекта и нейронных сетей в классические вычислительные задачи.

Общая характеристика результата обучения по дисциплине

Знания:

• подходов к параллельному программированию,
• архитектур современных процессоров,
• программных моделей с общей памятью,
• архитектуры современных графических процессоров,
• основ выполнения вычислений общего назначения на разных платформах,
• современных подходов к программированию алгоритмов решения задач математики и физики.

Умения:

• SIMD- и MIMD-программирование для CPU,
• SIMD-программирование для GPU,
• выполнять синхронизацию потоков,
• выполнять оптимизация общей памяти.

Навыки (владения):

• проведения анализ алгоритмов на предмет возможного параллелизма с выявлением "горячих точек" и "бутылочных горлышек",
• применения современного параллельного программирования к методам статистики,
• решения систем алгебраических уравнений наиболее эффективным способом,
• решения основных типов дифференциальных уравнений, встречающихся в широком спектре реальных задач,
• применения современных вычислительных алгоритмов на основе машинного обучения для решения различных типов дифференциальных уравнений.

3. Структура и содержание дисциплины

№ п/п	Наименование раздела дисциплины	Содержание дисциплины по темам
1.	Введение в высокопроизводительные вычисления, OpenMP и OpenCL	-Существующие суперкомпьютерные системы Модель общей памяти Подходы к программированию MIMD и SIMD Массивно-параллельные ускорители Иерархия памяти      -      -      -
2.	Параллельные алгоритмы линейной алгебры	-      -      -      -
3.	Параллельные методы решения дифференциальных уравнений	-      -      -      -
4.	Физически обоснованные нейронные сети	-      -      -      -
5.	Параллельные методы Монте-Карло	-      -      -      -
6.	Высокопроизводительные вычисления и современные языки программирования	-      -      -      -

4. Методические и оценочные материалы

Задания для практических занятий:

№ п/п	Наименование раздела дисциплины (модуля)	Перечень рассматриваемых тем (вопросов) (Указываются ВСЕ задания для практических занятий по разделам дисциплины подробно в соответствии с темами)
1.
2.
3.
4.
5.
...

Текущий контроль успеваемости обучающихся по дисциплине:

(К формам текущего контроля можно отнести собеседование, коллоквиум, тест, контрольную работу, лабораторную работу, эссе, реферат и иные творческие работы.)

№ п/п	Наименование раздела дисциплины	Форма текущего контроля (выберите соответствующие формы контроля)	Материалы текущего контроля (Указываются ВСЕ ЗАДАНИЯ/ВОПРОСЫ текущего контроля успеваемости обучающихся по разделам дисциплины подробно в соответствии с требованиями)
1.		Проверка выполнения домашних заданий; Устный / письменный опрос; Тестирование (письменное или компьютерное); Эссе; Доклад; Защита проекта; Коллоквиум; Проверка разработки отдельных частей кода программного продукта и другие формы текущего контроля, используемые Вами на занятиях	Например: Устный / письменный опрос: - - - ... Тематика групповых проектов: - - - ... Темы докладов: - - - ... Тематика эссе: - - - ... Задания, в том числе, для групповых проектов: - - - ... Тестирование (письменное или компьютерное): - - - ... Проверка разработки отдельных частей кода программного продукта. Другие формы текущего контроля, используемые Вами на занятиях - - - ...
2.		Проверка выполнения домашних заданий; Устный / письменный опрос; Тестирование (письменное или компьютерное); Эссе; Доклад; Защита проекта; Коллоквиум; Проверка разработки отдельных частей кода программного продукта и другие формы текущего контроля, используемые Вами на занятиях
3.		Проверка выполнения домашних заданий; Устный / письменный опрос; Тестирование (письменное или компьютерное); Эссе; Доклад; Защита проекта; Коллоквиум; Проверка разработки отдельных частей кода программного продукта и другие формы текущего контроля, используемые Вами на занятиях
4.		Проверка выполнения домашних заданий; Устный / письменный опрос; Тестирование (письменное или компьютерное); Эссе; Доклад; Защита проекта; Коллоквиум; Проверка разработки отдельных частей кода программного продукта и другие формы текущего контроля, используемые Вами на занятиях
5.		Проверка выполнения домашних заданий; Устный / письменный опрос; Тестирование (письменное или компьютерное); Эссе; Доклад; Защита проекта; Коллоквиум; Проверка разработки отдельных частей кода программного продукта и другие формы текущего контроля, используемые Вами на занятиях
...

Контрольные вопросы для подготовки к промежуточной аттестации:

№ п/п	Наименование раздела дисциплины	Вопросы
1.
2.
3.
4.
5.
...

Вопросы/Задания к промежуточной аттестации в устной/письменной форме:

(Указываются ВСЕ ЗАДАНИЯ/ВОПРОСЫ для промежуточной аттестации.)

1.
2.
3.
...
48.
49.
50.
...

Перечень учебно-методического обеспечения дисциплины

Список основной литературы:

1. Barbara Chapman, Gabriele Jost, Ruud van der Pas. (2008) Using OpenMP: Portable Shared Memory Parallel Programming, The MIT Press,
2. Scarpino, M. (2011) OpenCL in Action: How to Accelerate Graphics and Computations, Manning.
3. Banger, R., Bhattacharyya, K. (2013) OpenCL Programming by Example, Packt Publishing.
4. Sanders, J., Kandrot, E. (2010) CUDA by example: an introduction to general-purpose GPU programming, Addison-Weslye

Список дополнительной литературы:

1. Введение в высокопроизводительные вычисления: introduction-high-performance-computing
2. Введение в параллельное программирование: introduction-parallel-programming
3. Учебные материалы по OpenMP: OpenMP-tutorials
4. Учебные материалы по OpenCL: OpenCL-tutorials

Методические указания для обучающихся по освоению дисциплины

Вид учебных занятий/деятельности	Деятельность обучающегося
Лекция	Написание конспекта лекций: кратко, схематично, последовательно фиксировать основные положения лекции, выводы, формулировки, обобщения; помечать важные мысли, выделять ключевые слова, термины. Обозначить вопросы, термины или другой материал, который вызывает трудности, пометить и попытаться найти ответ в рекомендуемой литературе. Если самостоятельно не удается разобраться в материале, необходимо сформулировать вопрос и задать преподавателю на консультации, во время семинарского (практического) занятия.
Практические (лабораторные) занятия	Практические занятия предназначены прежде всего для разбора отдельных сложных положений, тренировки аналитических навыков, а также для развития коммуникационных навыков. Поэтому на практических занятиях необходимо участвовать в тех формах обсуждения материала, которые предлагает преподаватель: отвечать на вопросы преподавателя, дополнять ответы других студентов, приводить примеры, задавать вопросы другим выступающим, обсуждать вопросы и выполнять задания в группах. Работа на практических занятиях подразумевает домашнюю подготовку и активную умственную работу на самом занятии. Работа на практических занятиях в форме устного опроса заключается прежде всего в тренировке навыков применять теоретические положения к самому разнообразному материалу. В ходе практических занятий студенты работают в группах для обсуждения предлагаемых вопросов.
Самостоятельная работа	Самостоятельная работа состоит из следующих частей: 1) чтение учебной, справочной, научной литературы; 2) повторение материала лекций; 3) составление планов устных выступлений; 4) подготовка презентаций. При чтении учебной литературы нужно разграничивать для себя материал на отдельные проблемы, концепции, идеи. Учебную литературу можно найти в электронных библиотечных системах, на которые подписан АНО Университет Иннополис.
Доклад	Публичное, развернутое сообщение по определенной теме или вопросу, основанное на документальных данных. При подготовке доклада рекомендуется использовать разнообразные источники, позволяющие глубже разобраться в теме. Учебную литературу можно найти в электронных библиотечных системах, на которые подписан АНО Университет Иннополис.
Дискуссия	Публичное обсуждение спорного вопроса, проблемы. Каждая сторона должна оппонировать мнение собеседника, аргументируя свою позицию.
Разработка отдельных частей кода	Разработать часть кода, исходя из поставленной задачи и рекомендаций преподавателя. При выполнении работы рекомендуется обращаться к материалам лекций и семинарских (практических) занятий. Если возникают затруднения, необходимо проконсультироваться с преподавателем.
Выполнение домашних заданий и групповых проектов	Для выполнения домашних заданий и групповых проектов необходимо получить формулировку задания от преподавателя и убедиться в понимании задания. При выполнение домашних заданий и групповых проектов необходимо проработать материалы лекций, основной и дополнительной литературы по заданной теме.
Индивидуальная работа	При выполнение индивидуальной работы необходимо взять задание у преподавателя, ознакомиться с требованиями к выполнению работы, изучить поставленную проблему, найти решение проблемы. Если самостоятельно не удается разобраться в материале, необходимо сформулировать вопрос и задать преподавателю на консультации, во время семинарского (практического) занятия. Оформить результаты работы.
Тестирование (устное/письменное)	При подготовке к тестированию необходимо проработать материалы лекций, семинаров, основной и дополнительной литературы по заданной теме. Основная цель тестирования – показать уровень сформированности знаний по конкретной теме или ее части.

Методы и технологии обучения, способствующие формированию компетенции

(Указываются все используемые преподавателем методы и технологии обучения)

Методы и технологии обучения, способствующие формированию компетенции

Например:

1.	Информационно – коммуникационная технология
2.	Технология развития критического мышления	Основные методические приемы развития критического мышления Прием «Кластер» Таблица Учебно-мозговой штурм Интеллектуальная разминка Зигзаг, зигзаг -2 Прием «Инсерт» Эссе Приём «Корзина идей» Приём «Составление синквейнов» Метод контрольных вопросов Приём «Знаю../Хочу узнать…/Узнал…» Круги по воде Ролевой проект Да – нет Приём «Чтение с остановками» Приём «Взаимоопрос» Приём «Перепутанные логические цепочки» Приём «Перекрёстная дискуссия»
3.	Проектная технология
4.	Технология проблемного обучения
5.	Кейс – технология	К методам кейс-технологий, активизирующим учебный процесс, относятся: метод ситуационного анализа (Метод анализа конкретных ситуаций, ситуационные задачи и упражнения; кейс-стадии) метод инцидента; метод ситуационно-ролевых игр; метод разбора деловой корреспонденции; игровое проектирование; метод дискуссии.
6.	Технология интегрированного обучения
7.	Педагогика сотрудничества
8.	Технологии уровневой дифференциации
9.	Групповая технология
10.	Традиционные технологии (классно-урочная система)
11.	Здоровьесберегающие технологии
12.	Игровая технология
13.	Модульная технология
14.	Технология мастерских
	и др.