高性能計算與云計算—教學大綱.doc

高性能計算與云計算教學大綱總學時： 48 理論課學時：32 實驗課學時：16一、 課程的性質(zhì)高性能計算與云計算是計算機專業(yè)的專業(yè)領(lǐng)域課程。高性能計算技術(shù)是計算機技術(shù)發(fā)展中的一項重要技術(shù)。通過該課程的學習，學生應(yīng)該學習和掌握高性能計算的基礎(chǔ)理論知識和實踐經(jīng)驗，并為后續(xù)課程打下堅實基礎(chǔ)。二、 課程的目的與教學基本要求本課程以高性能計算和云計算為主題，分為三大部分，第一部分是高性能計算的基礎(chǔ)知識，第二部分是云計算的概念及核心技術(shù)，第三部分是高性能計算與云計算的軟件支持并行程序的設(shè)計原理與方法。主要課程內(nèi)容包括高性能計算機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，對稱多處理機（SMP）、大規(guī)模并行處理機（MPP）、集群系統(tǒng)（Cluster）和并行計算的性能評測并行算法的一般設(shè)計策略、基本設(shè)計技術(shù)和一般設(shè)計過程；云計算的分布式大規(guī)模數(shù)據(jù)處理和云存儲技術(shù)；共享存儲編程、分布存儲編程和Map/Reduce編程等面向高性能計算與云計算應(yīng)用的并行程序設(shè)計環(huán)境與工具。課程強調(diào)融合高性能計算機結(jié)構(gòu)、云計算技術(shù)、并行算法和并行編程為一體，力圖反映高性能計算和云計算領(lǐng)域的最新成就和發(fā)展趨勢。學生除完成基本理論課程學習外，課程將通過在高性能計算機系統(tǒng)上的實踐，學習和掌握高性能計算和云計算的基礎(chǔ)知識。三、 課程適用專業(yè)計算機科學與技術(shù)、軟件技術(shù)、信息安全、網(wǎng)絡(luò)工程四、 課程的教學內(nèi)容、要求與學時分配1 理論教學部分：按各章節(jié)列出主要內(nèi)容，注明課程教學的難點和重點，對學生掌握知識的要求，以及學時的分配。主要章節(jié)及其學時分配：第一章 緒論 （3學時）重點：高性能計算和云計算的概念、基礎(chǔ)架構(gòu)、現(xiàn)狀及發(fā)展、應(yīng)用前景難點：云計算的架構(gòu)、高性能計算技術(shù)的發(fā)展以及和云計算技術(shù)的銜接要求：了解基本概念，基礎(chǔ)架構(gòu)，以及相關(guān)的技術(shù)和應(yīng)用第二章 并行計算機體系結(jié)構(gòu)（3學時）重點：系統(tǒng)互聯(lián)技術(shù)；存儲存取模型及層次結(jié)構(gòu)；對稱多處理機（SMP）、大規(guī)模并行處理機（MPP）、集群系統(tǒng)（Cluster）難點：靜態(tài)和動態(tài)互聯(lián)，存儲存取層次結(jié)構(gòu)要求：熟悉各種并行計算機體系結(jié)構(gòu)以及實際應(yīng)用例子，掌握系統(tǒng)互聯(lián)的基本原理和方法，了解存儲存取模型和層次結(jié)構(gòu)第三章 并行計算模型及性能評估（3學時）重點：并行計算模型PRAM、BSP和LogP；工作負載、加速比和可擴展性，負載受限加速比、時間受限加速比、存儲受限加速比，難點：并行計算模型，可擴展性要求：了解并行計算模型及它們之間的異同點，掌握應(yīng)用計算模型進行并行計算構(gòu)模的基本方法，了解并行計算的性能評估方法，掌握加速比的計算方法第四章 并行算法設(shè)計（6學時）重點：并行算法設(shè)計技術(shù)包括平衡樹方法、倍增技術(shù)、分治策略、劃分原理和流水線技術(shù)等；并行算法設(shè)計方法論PCAM：劃分，通信，組合、映射難點：分治策略、劃分原理；矩陣乘法并行算法的設(shè)計和性能比較要求：了解并能應(yīng)用并行算法設(shè)計的基本技術(shù)進行并行算法的設(shè)計和實現(xiàn)，掌握最短路徑、排序、字符串匹配、矩陣乘法等經(jīng)典并行算法的設(shè)計思想，了解并行算法設(shè)計的方法論第五章 分布式大規(guī)模數(shù)據(jù)處理（6學時）重點：分布式大規(guī)模數(shù)據(jù)處理的概念、編程模型；Map/Reduce的原理和工作機制、基于的Map/Reduce的并行算法設(shè)計難點：Map/Reduce的負載均衡和容錯機制，最短路徑算法的Map/Reduce實現(xiàn)要求：熟練掌握Map/Reduce的原理和工作機制、掌握詞頻統(tǒng)計、排序、字符串匹配、最短路徑等并行算法的Map/Reduce實現(xiàn)第六章 云存儲（3學時）重點：云存儲的概念，分布式存儲系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)、容錯機制和系統(tǒng)管理技術(shù)；分布式文件HDFS的系統(tǒng)架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)難點：分布式文件系統(tǒng)的讀寫操作流程要求：了解云存儲系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)和容錯機制，掌握分布式文件系統(tǒng)HDFS的存取方法第七章 共享存儲編程（3學時）重點：并行編程風范，共享存儲編程原理；OpenMP編程模型，制導語句、控制結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)子句難點：并行域和共享任務(wù)結(jié)構(gòu)，共享對象存取要求：熟悉 OpenMP的編程模型以及基本概念，掌握OpenMP的主要制導語句、控制結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)子句第八章 消息傳遞編程（3學時）重點：消息傳遞編程原理，進程交互方式；MPI編程模型，通信函數(shù)難點：通信模式，非阻塞操作要求：熟練掌握MPI編程的工作原理及相關(guān)技術(shù)，熟悉其核心函數(shù)以及運行環(huán)境等，掌握矩陣乘法的MPI實現(xiàn)第九章 高性能計算平臺（2學時）重點：高性能計算集群體系結(jié)構(gòu)， hadoop云計算平臺及編程環(huán)境難點：要求：熟悉高性能計算集群的工作原理及關(guān)鍵技術(shù)，掌握構(gòu)建集群系統(tǒng)和并行編程環(huán)境的基本方法2 實驗教學部分高性能計算與云計算是一門實踐性很強的課程，除了系統(tǒng)的課堂理論學習外，還配有足夠數(shù)量的實踐內(nèi)容，以鞏固和加深學生對課程知識的整體理解。課程將通過在高性能計算機系統(tǒng)上的實踐，學習和掌握高性能計算和云計算的基礎(chǔ)知識，為在這領(lǐng)域的深入研究和應(yīng)用開發(fā)打下基礎(chǔ)。實驗一（4學時）：共享存儲編程實踐。通過OpenMP的實例編程，使得學生掌握高性能計算環(huán)境下的基于共享存儲的并行程序編程方法。實驗二（4學時）：分布存儲編程實踐。通過MPI的實例編程，使得學生掌握高性能計算環(huán)境下的基于分布存儲的并行程序編程方法實驗三（8學時）：Hadoop平臺和Map/Reduce編程實踐。通過在Hadoop環(huán)境下的Map/Reduce的實例編程，使得學生熟悉Hadoop的編程環(huán)境，掌握用Map/Reduce編寫并行計算程序的基本步驟，并了解Map/Reduce計算程序在Hadoop下的運行和調(diào)試機制。五、 教材和主要參考資料1. 陳國良，并行計算結(jié)構(gòu)算法編程（修訂版），高等教育出版社，20032. Kai Hwang等著，陸鑫達等譯，可擴展并行計算技術(shù)、結(jié)構(gòu)與編程，機械工業(yè)出版社，20023. 劉鵬主編，云計算（第二版）