Computació d’Altes Prestacions
Codi: 104404 Crèdits: 6| Titulació | Tipus | Curs | Semestre |
|---|---|---|---|
| 2503740 Matemàtica Computacional i Analítica de Dades | OB | 3 | 1 |
Professor/a de contacte
- Nom:
- Eduardo Cesar Galobardes
- Correu electrònic:
- Eduardo.Cesar@uab.cat
Utilització d'idiomes a l'assignatura
- Llengua vehicular majoritària:
- català (cat)
- Grup íntegre en anglès:
- No
- Grup íntegre en català:
- No
- Grup íntegre en espanyol:
- No
Equip docent
- Albert Coca Abelló
Prerequisits
Encara que no hi ha prerequisits formalment establerts i és responsabilitat de la pròpia assignatura proporcionar als i les alumnes un mitjà per adquirir els coneixements descrits a l’apartat de continguts de l’assignatura, és recomanable: un bon coneixement de programació, del funcionament d'un computador, del sistema operatiu a nivell d'usuari programador i de com s’envien missatges per la xarxa (Fonaments de Computadors, Programari de Sistema, Iniciació a la Programació).
Objectius
L'objectiu d'aquesta assignatura és conèixer els sistemes de còmput d’altes prestacions i paral·lels, sistemes multiprocessador i multicomputador, paradigmes de programació paral·lela, aprendre a desenvolupar aplicacions amb memòria compartida, introduir el concepte de pas de missatges i aplicacions en memòria distribuida i analitzar els prestacions d’execució d’aquestes aplicacions.
Els conceptes teòrics sobre paradigmes de programació, memòria compartida i pas de missatges, es reforça amb les sessions de problemes i pràctiques en les que els i les alumnes aprenen a programar utilitzant llenguatges de programació paral·lela.
Tots el components descrits en aquesta assignatura han de permetre a l'alumne comprendre el funcionament dels sistemes d’altes prestacions i paral·lels i, fins a cert punt, ser capaç de realitzar un disseny senzill d’una aplicació paral·lela i avaluar les seves prestacions.
Competències
- Avaluar de manera crítica i amb criteris qualitat el treball realitzat.
- Dissenyar, desenvolupar i avaluar solucions algorísmiques eficients per a problemes computacionals d’acord amb els requisits establerts.
- Implementar i optimitzar aplicacions basades en les funcionalitats i estructura dels sistemes paral·lels, distribuïts i en núvol, i les xarxes de computadors i internet.
- Que els estudiants hagin demostrat que comprenen i tenen coneixements en una àrea d'estudi que parteix de la base de l'educació secundària general, i se sol trobar a un nivell que, si bé es basa en llibres de text avançats, inclou també alguns aspectes que impliquen coneixements procedents de l'avantguarda d'aquell camp d'estudi.
- Que els estudiants hagin desenvolupat aquelles habilitats d'aprenentatge necessàries per emprendre estudis posteriors amb un alt grau d'autonomia.
- Que els estudiants sàpiguen aplicar els coneixements propis a la seva feina o vocació d'una manera professional i tinguin les competències que se solen demostrar per mitjà de l'elaboració i la defensa d'arguments i la resolució de problemes dins de la seva àrea d'estudi.
- Utilitzar eficaçment la bibliografia i els recursos electrònics per obtenir informació.
Resultats d'aprenentatge
- Analitzar i avaluar arquitectures de computadors, incloent-hi plataformes paral·leles i distribuïdes, així com desenvolupar i optimitzar programari per a aquestes.
- Avaluar de manera crítica i amb criteris de qualitat el treball desenvolupat.
- Avaluar i analitzar la complexitat computacional de les solucions algorítmiques per poder desenvolupar i implementar aquella que garanteixi el millor rendiment.
- Conèixer i aplicar els principis fonamentals i les tècniques bàsiques de la programació paral·lela, concurrent i distribuïda.
- Desenvolupar i optimitzar programari per a les plataformes paral·leles i distribuïdes.
- Implementar solucions recursives a problemes de programació.
- Que els estudiants hagin demostrat que comprenen i tenen coneixements en una àrea d'estudi que parteix de la base de l'educació secundària general, i se sol trobar a un nivell que, si bé es basa en llibres de text avançats, inclou també alguns aspectes que impliquen coneixements procedents de l'avantguarda d'aquell camp d'estudi.
- Que els estudiants hagin desenvolupat aquelles habilitats d'aprenentatge necessàries per emprendre estudis posteriors amb un alt grau d'autonomia.
- Que els estudiants sàpiguen aplicar els coneixements propis a la seva feina o vocació d'una manera professional i tinguin les competències que se solen demostrar per mitjà de l'elaboració i la defensa d'arguments i la resolució de problemes dins de la seva àrea d'estudi.
- Seleccionar i utilitzar les estratègies de programació apropiades per a la resolució d'un problema donat.
- Utilitzar eficaçment la bibliografia i els recursos electrònics per obtenir informació.
Continguts
Tema 1: Introducció a sistemes d’altes prestacions.
Programació avançada en C. Concurrència: concepte, condicions de carrera, regió crítica i mecanismes d'exclusió mútua.
Introducció als sistemes d’altes prestacions, sistemes paral·lels, multiprocessadors i multicomputadors. Execució d’aplicacions paral·leles en sistemes d’altes prestacions.
Tema 2: Classificació de paral·lelisme
SIMD (Single Instruction, Multiple Data), MIMD (Multiple Instruction, Multiple Data). Models d'aplicacions paral·leles.
Tema 3: Algorismes paral·lels
Definició d’algorismes paral·lels. Exemples d’algorismes paral·lels. Desenvolupament d’algorismes paral·lels.
Tema 4: Programació paral·lela
Paradigmes de programació paral·lela. Aplicacions basades en pas de missatges. Estàndard MPI (Message Passing Interface). Aplicacions basades en memòria compartida. Estàndards OpenMP (Open Multiprocessing) i OpenACC (Open Accelerators). Paral·lelisme en Python. Desenvolupament d’aplicacions paral·leles utilitzant MPI, OpenMP, OpenACC i Python.
Tema 5: Anàlisis de prestacions
Anàlisis de prestacions de sistemes paral·lels. Avaluació de prestacions de sistemes paral·lels. Exemples d’eines d’avaluació de prestacions.
Metodologia
En el desenvolupament de l'assignatura es podran diferenciar quatre tipus d’activitats docents:
- Classes teòriques: exposició a la pissarra de la part teòrica de cada tema del programa. L'estructura típica d'una classe magistral d'aquest tipus serà la següent: en primer lloc es farà una introducció on es presentaran breument els objectius de l'exposició i els continguts a tractar. A continuació es desgranaran els continguts objecte d’estudi, incloent exposicions narratives, desenvolupaments formals que proporcionin els fonaments teòrics, i intercalant exemples, que il·lustrin l'aplicació dels continguts exposats. Finalment, el/la professor/a exposarà les conclusions dels continguts. Durant tot el curs hi hauran avaluacions continuades de grups de temes.
- Classes pràctiques. Tots els temes aniran acompanyats d'una relació de problemes que l'alumne ha d'intentar resoldre. En aquest sentit, i a mida que l'alumne vagi progressant i aprofondint en els seus coneixements, aquests problemes seran poc a poc més complexos. Els seminaris seran el fòrum natural en el qual es podrà discutir en comú el desenvolupament del treball pràctic, aportant els coneixements que li falten a l'estudiant per portar-lo endavant. La missió de les classes pràctiques és fer de pont entre les classes teòriques i classes en laboratori, que promourà la capacitat d'anàlisi i síntesi, el raonament crític, i que entrenarà l'estudiant en la resolució de problemes. Aquells que el/la professor/a consideri de major interès o en els que els/les alumnes trobin major dificultat seran corregits a la pissarra. Abans del començament de cada llista de problemes el/la professor/a podrà proposar una llista d’exercicis que els/les alumnes hauran de resoldre.
- Classes al laboratori. La part pràctica dels temes teòrics quedarà completada amb sessions de laboratori, on l'alumne desenvoluparà una sèrie de programes i haurà d'intentar resoldre un problema concret que rebrà al començar el temari. Alguns d’aquests exercicis s’hauran d’entregar a la classe en les dates específicades. Les pràctiques es desenvoluparan en grups de dos o tres alumnes. Les classes inclouen 6 sessions al laboratori, de 2 hores de durada, on l’alumne realitzarà el desenvolupament dels exercicis.
Aquest plantejament del treball està orientat a promoure un aprenentatge actiu i a desenvolupar les competències de capacitat d'organització i planificació, comunicació oral i escrita, treball en equip i raonament crític. La qualitat dels exercicis realitzats, de la seva presentació i del seu funcionament es valorarà especialment.
Variacions de la metodologia docent per motiu de la situació sanitària sobrevinguda l'any 2020:
Durant el 1r semestre del curs 2020-21 està previst que aquesta assignatura es faci de forma semi-presencial.
Donada l'excepcionalitat d'aquest fet, no s'inclouen en aquesta guia les condicions específiques en les que es desenvoluparà el curs. Al començament del curs tindreu una planificació adaptada a les circumstàncies, la qual podrà anar variant segons es vagin desenvolupant els esdeveniments.
Activitats formatives
| Títol | Hores | ECTS | Resultats d'aprenentatge |
|---|---|---|---|
| Tipus: Dirigides | |||
| Pràctiques de Laboratori | 10 | 0,4 | 1, 2, 3, 4, 5, 6, 9, 10, 11 |
| Seminaris de Problemes | 11 | 0,44 | 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 9, 10, 11 |
| Teoria | 24 | 0,96 | 1, 3, 4, 7, 8, 11 |
| Tipus: Autònomes | |||
| Estudiants autònom | 30 | 1,2 | 1, 3, 4, 8, 9, 10, 11 |
| Preparació dels laboratoris | 30 | 1,2 | 1, 2, 3, 4, 5, 6, 9, 10, 11 |
| Preparación de seminaris | 30 | 1,2 | 1, 2, 3, 4, 5, 6, 9, 10, 11 |
Avaluació
L'objectiu del procés d'avaluació és verificar que l'alumne ha assolit els coneixements i habilitats definits en els objectius de l'assignatura, així com les competències.
S’avaluaran quatre tipus d’activitats de manera independent on la suma ponderada d’elles donarà la nota final. Aquestes activitats són:
- Teoria (T)
- Resolució de les pràctiques de laboratori (PL)
- Realització d'exercicis pràctics (PA).
La part de Teoria (T) s’avaluarà amb dos controls parcials individuals durant tot el curs. La nota final de Teoria sortirà de la suma ponderada dels dos controls (0.5*Control 1 + 0.5*Control 2). Hi haurà una segona oportunitat per recuperar aquesta part el dia que tenim assignat a la setmana de exàmens de febrer. Es podran recuperar les parts que no hagin estat superades en els controls parcials de teoría. La nota mínima per aprovar aquesta part és >= 4,5.
La part de Resolució de pràctiques de laboratori (PL) s’avaluarà de manera grupal. Té un nombre de lliuraments que depen de les tecnologies que es vegin al curs. La nota final sortirà de la suma ponderada dels lliuraments (els detalls sobre el nombre de lliuraments i el pes de cada lliurament es proporcionaran a l'inici del curs). Per aprovar les PL la nota mínima haurà de ser >=4,5. Només hi ha una única oportunitat (no es pot recuperar aquesta part).
Els exercicis pràctics individuals (PA) consistiran en treballar problemes de programació molt concrets alguns d'ells relacionats amb els que es trobaran a les pràctiques de laboratori. Donada la seva naturalesa i objectiu aquests exercicis no són recuperables en cap moment (si no es lliuren o es lliuren tard tindran 0 de nota).
La nota final de l'assignatura serà la suma ponderada de les notes de cadascuna de les quatre activitats: Teoria, Resolució d'exercicis pràctics i de Resolució de pràctiques de laboratori. El resultat haurà de ser >= 5.
En cas de no superar l'assignatura per no arribar a la puntuació mínima en algun dels apartats (Teoria o Pràctiques de Laboratori), tot i que al fer la mitjana ponderada la nota final fos igual o superior a 5, la nota que es posarà a l'expedient serà de 4,5.
En cas de que la mitjana no arribi a 5 la nota que figurarà a l'expedient serà la nota mitjana obtinguda numèricament.
Si l'alumne entrega qualsevol activitat, s’entén que es presenta a l'assignatura i serà avaluat/da. Si no entrega cap activitat, llavors es pot considerar No avaluable.
Atorgar una qualificació de matrícula d’honor és decisió del professorat responsable de l’assignatura. La normativa de la UAB indica que les MH només es podran concedir a estudiants que hagin obtingut una qualificació final igual o superior a 9.00. Es pot atorgar fins a un 5% de MH del total d'estudiants matriculats.
Les dates d'avaluació continuada i lliurament de treballs es publicaran al campus virtual i poden estar subjectes a possibles canvis de programació per motius d'adaptació a possibles incidències; sempre s'informarà al campus virtual sobre aquests canvis ja que s’entén que el CV és el mecanisme habitual d'intercanvi d'informació entre el professorat i els/les estudiants.
Per a cada activitat d’avaluació, s’indicaràun lloc, data i hora de revisió en la que l'estudiant podrà revisar l’activitat amb el/la professor/a. En aquest context, es podran fer reclamacions sobre la nota de l’activitat, que seran avaluades pel professorat responsable de l’assignatura. Si l'estudiant no es presenta a aquesta revisió, no es revisarà posteriorment aquesta activitat.
RESUM
Si ( (T>=4,5) i (P>=4,5) aleshores
NF = 0.35*T + 0.25*PA + 0.4*PL
Si (NF>=5) aleshores APROVAT
Sino SUSPES
Sino SUSPES
Estudiants repetidors: Els alumnes repetidors o repetidores que tinguin aprovades les pràctiques de laboratori poden demanar la convalidació d'aquesta part de l'assignatura. La resta d'activitats d'avaluació hauran de fer-les en les mateixes condicions que els/les altres estudiants.
Nota sobre plagis:
Sense perjudici d'altres mesures disciplinàries que s'estimin oportunes, i d'acord amb la normativa acadèmica vigent, les irregularitats comeses per un o una estudiant que puguin conduir a una variació de la qualificació en una activitat avaluable es qualificaran amb un zero (0). Les activitats d'avaluació qualificades d'aquesta forma i per aquest procediment no seran recuperables. Si és necessari superar qualsevol d'aquestes activitats d'avaluació per aprovar l'assignatura, aquesta assignatura quedarà suspesa directament, sense oportunitat de recuperar-la en el mateix curs. Aquestes irregularitats inclouen, entre d'altres:
- la còpia total o parcial d'una pràctica, informe, o qualsevol altra activitat d'avaluació;
- deixar copiar;
- presentar un treball de grup no fet íntegrament pels i les membres del grup (aplicat a tots els i les membres, no solament als que no han treballat);
- presentar com a propis materials elaborats per un tercer, encara que siguin traduccions o adaptacions, i en general treballs amb elements no originals i exclusius de l'estudiant;
- tenir dispositius de comunicació (com telèfons mòbils, smart watches, bolígrafs amb càmera, etc.) accessibles durant les proves d'avaluació teorico-pràctiques individuals (exàmens);
- parlar amb companys o companyes durant les proves d'avaluació teorico-pràctiques individuals (exàmens);
- copiar o intentar copiar d'altres alumnes durant les proves d'avaluació teorico-pràctiques (exàmens);
- usar o intentar usar escrits relacionats amb la matèria durant la realització de les proves d'avaluació teorico-pràctiques (exàmens), quan aquests no hagin estat explícitament permesos.
En cas de no superar l'assignatura degut a que alguna de les activitats d'avaluació no arriba a la nota mínima requerida, la nota numèrica de l'expedient serà el valor menor entre 4.5 i la mitjana ponderada de les notes. Amb les excepcions de que s'atorgarà la qualificació de "No Avaluable" als i les estudiants que no participin en cap de les activitats d'avaluació, i de que la nota numèrica de l'expedient serà el valor menor entre 3.0 i la mitjana ponderada de les notes en cas que l'estudiant hagi comès irregularitats en un acte d'avaluació (i per tant no serà possible l'aprovat per compensació). En edicions futures d'aquesta assignatura, a l'estudiant que hagi comès irregularitats en un acte d'avaluació no se li convalidarà cap de les activitats d'avaluació realitzades.
En resum: copiar, deixar copiar o plagiar(o l'intent de) en qualsevol de les activitats d'avaluació equival a un SUSPENS, no compensable i sense convalidacions de parts de l’assignatura en cursos posteriors.
Activitats d'avaluació
| Títol | Pes | Hores | ECTS | Resultats d'aprenentatge |
|---|---|---|---|---|
| 1r Control individual | 17,5% | 2 | 0,08 | 3, 6, 7, 8, 9, 10 |
| 2n Control individual | 17,5% | 2 | 0,08 | 1, 3, 4, 5, 7, 8, 9, 10 |
| Avaluació de seminaris de problemes | 25% | 6 | 0,24 | 1, 2, 3, 4, 5, 6, 10, 11 |
| Pràctiques de Laboratori | 40% | 5 | 0,2 | 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 11 |
Bibliografia
- Parallel Programming Concepts and Practice. Bertil Schmidt, Jorge González-Domínguez, Christian Hundt, Moritz Schlarb. Morgan Kaufmann, 2018
- An Introduction to Parallel Programming, 2nd edition. Peter S. Pacheco. Morgan Kaufmann. 2018
- Programming Massively Parallel Processors, A Hands-on Approach. David B. Kirk, Wen-mei W. Hwu. Morgan Kaufmann. 3th Edition. 2018
- Computer Architecture. A quantitative approach. John L. Hennessy, David A. Patterson. Morgan Kaufmann. 6a edición. 2018
- Introduction to Parallel Computing. A. Grama et alter. Addison Wesley, Second Edition, 2003.
- Parallel Program Development For Cluster Computing: Methodology, Tools and Integrated Environments. Edited by J. C. Cunha, P. Kacsuk, S. C. Winter. Nova Science Publishers, Inc., 2001.
- Parallel Programming with MPI, Peter Pacheco, Morgan Kauffman, 1996
- OpenACC Programming and Best Practices Guide (https://www.openacc.org/sites/default/files/inline-files/OpenACC_Programming_Guide_0.pdf)