Задачи курса сформировать интерес учащихся к проблеме высокопроизводительных вычислений и их роли в реализации потребностей человечества, в том числе для управления городским хозяйством крупных российских мегаполисов
| Вид материала | Документы |
- Краткая история развития, 58.89kb.
- Муниципальное общеобразовательное учреждение, 266.77kb.
- Реферат на тему «История развития вычислительной техники», 409.19kb.
- Блохина Татьяна Константиновна Цель курса Основная цель курса состоит в том, чтобы, 108.37kb.
- Доклад на тему «Семейная политика в крупных городах: опыт реализации, перспективы», 170.4kb.
- Задачи курса: 1) Сформировать у учащихся научное понимание роли постоянства внутренней, 77.04kb.
- Курс семестр Всего зачетных единиц Трудоемкость дисциплины в часах, 26.33kb.
- Цели и задачи курса, 66kb.
- Задачи: Расположить учеников к обсуждению малоизвестной для них проблемы, в непринужденной, 200.24kb.
- Программа элективного курса для учащихся 10 классов гуманитарного и социально-экономического, 232.46kb.
Департамент образования города Москвы
Некоммерческая организация «Ассоциация московских вузов»
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Московский государственный институт электронной техники (технический университет)
Полное название вуза
Научно-образовательный материал
«Использование высокопроизводительных вычислительных систем при решении задач управления городским хозяйством г.Москвы»
Москва 2009 г.
Одним из приоритетных развитий инновационной экономики России является стимулирование применения суперкомпьютерных технологий и параллельных вычислений в самых разных отраслях, в том числе и для решения задач управления городским хозяйством и особенно для таких крупных мегаполисов как г. Москва. Важнейшей составляющей проблематики является подготовка высококвалифицированных кадров, способных обеспечить поддержку и развитие критических параллельных технологий. Существующие учебные материалы не обеспечивают необходимый охват целевой аудитории и ориентированы в основном на студентов. Тогда как для школьников практически нет учебно-методических материалов, в популярной и доступной форме излагающих данную проблематику, что в свете инновационного характера экономики и бурного развития новых высокотехнологичных наукоемких отраслей, видится особенно критичным.
1. Цели и задачи дисциплины
Цель курса- изложить на доступном для учеников старших классов средней общеобразовательной школы уровне научные принципы и практические сферы применения параллельных вычислений и суперкомпьютерных технологий.
Задачи курса - сформировать интерес учащихся к проблеме высокопроизводительных вычислений и их роли в реализации потребностей человечества, в том числе для управления городским хозяйством крупных российских мегаполисов.
2. Требования к уровню освоения содержания дисциплины
В результате изучения дисциплины учащиеся должны знать: историю развития вычислительной техники, эволюцию и основные достижения в области компьютерной техники, основы параллельных вычислений, виды и основные параметры современных высокопроизводительных вычислительных систем, сферы применения суперкомпьютеров и возможности их использования для задач управления городским хозяйством г. Москвы.
3. Содержание дисциплины
| № п/п | Раздел дисциплины | часы |
| 1 | Лекция 1. История развития вычислительной техники | 2 |
| 2 | Лекция 2. История и эволюция компьютерной техники | 2 |
| 3 | Лекция 3. Основы параллельных вычислений. Модели параллельных компьютерных систем. Закон Амдала. Основные требования достижения параллелизма вычислений | 2 |
| 4 | История создания и современные возможности параллельных вычислительных систем. Обзор зарубежных и отечественных суперкомпьютеров и кластеров. | 2 |
| 5 | Сферы применения суперкомпьютеров. Возможность использования суперкомпьютеров для управления городским хозяйством. | 2 |
| 6 | Контрольные тестовые мероприятия | 1 |
3.1 Содержания разделов дисциплины
Лекция 1. История развития вычислительной техники.
Развитие человеческого общества привело к потребности счета, выполнения простейших математических операций.
Революцию в области механизации умножения и деления совершил шотландский математик Джон Непер. Изобретение логарифмов — крупнейшее достижение Джона Непера.
Считается, что первая машина, способная автоматически выполнять четыре арифметических действия, была создана в 1623 году Вильгельмом Шиккардом. Машина Шиккарда состояла из 3 частей: суммирующего устройства (сложение и вычитание), множительного устройства и механизма для записи промежуточных результатов.
В 1642 году великий французский ученый Блез Паскаль (1623-1662) механизировал канцелярские расчеты по налогообложению, соорудив настольный арифмометр на основе зубчатого колеса. Умножение и деление на этой машине производить было нельзя.
В 1673 году немецкий философ, математик, физик Готфрид Вильгейм Лейбниц (1646-1716) создал счетную машину, позволяющую складывать, вычитать, умножать, делить, извлекать квадратные корни.
Первым ученым, предложившим использовать принцип программного управления для автоматического выполнения арифметических вычислений, был Чарльз Бэббидж (1791-1871), им была разработана полностью автоматическая вычислительная машина с программным управлением. Большую помощь в работе над аналитической машиной оказывала Бэббиджу графиня Ада Лавлейс (1815-1842), дочь английского поэта Байрона. Ада Лавлейс создавала программы (последовательность инструкций для аналитической машины). Таким образом, ее можно считать первым программистом. В ее честь был назван язык программирования АДА.
В 1889 году американский изобретатель Герман Холлерит (1860-1929) построил устройство для обработки результатов переписи населения в Америке. Вместо десяти лет результаты переписи были обработаны машиной Холлерита всего за шесть недель.
В 1938 году в Берлине Конрад Цузе с ассистентом Хельмутом Шрейером создали прототип механического двоичного программируемого калькулятора, названного "Z1".
Лекция 2. История и эволюция компьютерной техники.
Первое поколение компьютеров создавалось на электронных лампах в период с 1944 по 1954 гг. Основные особенности компьютеров первого поколения: программирование на машинном языке; организация вычислительного процесса вручную каждым программистом с пульта управления; загрузка программы с помощью панели переключателей, либо перфокарт; ВС выполняет одновременно только одну операцию (ввод-вывод, либо собственно вычисления); возникают первые компиляторы Fortran, Assembler для IBM-701; последовательная обработка данных.
Наиболее яркие представители первого поколения компьютеров: ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer), созданный в 1945 году; первая отечественная электронная цифровая машина МЭСМ (Малая Электронная Счетная машина), 1950 г.
Второе поколение компьютеров создавалось в период с 1955 по 1964 г. Основные особенности компьютеров 2-го поколения: переход на полупроводниковую элементную базу повысил надежность вычислительных систем, произошло уменьшение габаритов и энергопотребления, снизилась стоимость компьютера; увеличился объем оперативной памяти; развиваются языки высокого уровня (Алгол60, Кобол, Фортран2) и трансляторы к ним; появляется пакетная обработка данных.
В 1959 году был создан первый мини-компьютер, предназначенный для управления технологическими процессами- PDP1. В СССР в 1961 г. был начат серийный выпуск первой полупроводниковой вычислительной машины "Раздан 2" (скорость вычислений - до 5 тысяч операций в 1 секунд).
Третье поколение компьютеров разрабатывалось с 1964 по 1974 год на новой элементной базе, осуществился переход к интегральной технологии.
Благодаря интегральным схемам удалось значительно улучшить технические и эксплуатационные характеристики компьютеров. В 1971 году фирма Intel выпустила первый 4-х разрядный микропроцессор, выполненный на одном кристалле и способный выполнять набор из 45 команд Быстродействие ЭВМ третьего поколения возросло в 100 раз, а габариты значительно уменьшились.
Четвертое поколение компьютеров создавалось на БИС и СБИС. Переход к четвертому поколению осуществлялся все 70-е годы. Высокая степень интеграции БИС, повышенное быстродействие, высокая степень надежности, снижение стоимости, все это позволило значительно уменьшить размеры компьютеров, достигнуть быстродействия порядка сотен миллионов операций в секунду, объем основной памяти достиг десятков Мбайт. Бурно стали развиваться сетевые технологии, появились специальные компьютеры для организации сетей- серверы и рабочие станции.
Примером отечественных компьютеров четвертого поколения может служить многопроцессорный вычислительный комплекс "Эльбрус".
Компьютеры пятого поколения предполагалось строить на новой элементной базе, позволяющей реализовать интеллектуальные способности человека. Но новая технология пока не находит развития, идет совершенствование современной технологии производства сверх больших интегральных схем.
Лекция 3. Основы параллельных вычислений.
Под параллельными вычислениями (parallel or concurrent computations) можно понимать процессы решения задач, в которых в один и тот же момент времени могут выполняться одновременно несколько вычислительных операций. Существуют две разновидности параллельных вычислений: параллельность и конвейерная обработка.
Модели параллельных компьютеров (классификация Флинна):
- SISD(англ. Single Instruction Single Data) – Один поток команд- один поток данных;
- SIMD (англ. Single Instruction Multiple Data) – Один поток команд- множественный поток данных;
- MISD (англ. Multiple Instruction Single Data) – Множественный поток команд- один поток данных;
- MIMD ( англ. Multiple Instruction Multiple Data)– Множественный поток команд- множественный поток данных.
- Согласно закону Амдала ускорение, которое может быть получено на вычислительной системе из p процессоров при доле последовательных вычислений – α , по сравнению с однопроцессорным решением не будет превышать величины:
.
Лекция 4. Суперкомпьютеры. История создания и современные возможности
Суперкомпьютер – это вычислительная система, обладающая предельными характеристиками по производительности среди имеющихся в каждый конкретный момент времени компьютерных систем
Первый транзисторный суперкомпьютер CDC 1604 создан Сеймуром Креем (Seymour Cray) в 1958 г. в компании Control Data Corporation (CDC).
Наиболее производительные современные суперкомпьютеры:
BlueGene- пиковая производительность около 600 TFlops, производительность на тесте LINPACK – 478 TFlops;
IBM Roadrunner -производительность на тесте LINPACK –1,026 PFlops, (пиковая - 1,376 PFlops ).
В России самым производительным компьютером является МВС-100K ( Межведомственный Суперкомпьютерный Центр РАН)- пиковая производительность- 95 TFlops и максимально показанная на тесте LINPACK -71 TFlops.
Кластер – группа компьютеров, объединенных в локальную вычислительную сеть (ЛВС) и способных работать в качестве единого вычислительного ресурса.
Приведены параметры некоторых кластеров, установленных в российских вузах. Вычислительный кластер ННГУ создан в 2007 г. и имеет пиковую производительность ~3 TFlops.
Кластер «МИЭТ 2008» имеет пиковую производительность 1,6 TFlops, производительность на тесте Linpack 871,5 GFlops. Это позволило кластеру занять 43-е место в 9-й редакции списка ТОП50 суперкомпьютеров России и СНГ.
Лекция 5. Сферы применения суперкомпьютеров. Возможности применения суперкомпьютеров для управления городским хозяйством
Сферы применения суперкомпьютерных:
- Невозможность (недопустимость) натурных экспериментов:
изучение процессов при ядерном взрыве или серьезных воздействий на природу
- Изучение влияния экстремальных условий (температур, магнитных полей, радиации и др.) — старение материалов, безопасность конструкций, боевое применение
- Моделирование наноустройств и наноматериалов
- Науки о жизни — изучение генома человека, разработка новых лекарственных препаратов и т.п.
- Науки о Земле — обработка геоинформации: полезные ископаемые; селевая, сейсмическая и т.п. безопасность, прогнозы погоды, модели изменения климата.
- Моделирование при разработке новых технических устройств — инженерные расчеты.
Одним из перспективных применений суперкомпьютеров в настоящее время является решение задач управления городским хозяйством и особенно для таких крупных мегаполисов как г. Москва.
Наиболее важные сферы применения суперкомпьютерных вычислений для городского хозяйства: проектирование зданий, мостов, тоннелей и подземных сооружений с помощью методов математического моделирования; надежность транспортных средств; задачи оптимизации управления транспортным комплексом; прогнозирование чрезвычайных ситуаций.
4. Практические занятия
не предусмотрены
5. Лабораторные занятия
не предусмотрены
6. Учебно-методическая литература
Основная литература
- Малиновский Б.Н. История вычислительной техники в лицах. - К.: фирма "КИТ", ПТОО "А.С.К.", 1995. - 384 с., ил. ISBN 5-7707-6131-8
- И.А.Апокин, Л.Е.Майстров. История вычислительной техники.- М.:Наука, 1990.- 246 с.
- Гергель В.П. Теория и практика параллельных вычислений. - М.: Интернет-Университет, БИНОМ. Лаборатория знаний, 2007.
- Воеводин В.В., Воеводин Вл.В. Параллельные вычисления. – СПб.: БХВ-Петербург, 2002.
Дополнительная литература
- Богданов А.В. и др. Архитектуры и топологии многопроцессорных вычислительных систем. М.: Интернет-Университет, 2004.
- Таненбаум Э. Архитектура компьютера. – СПб.: Питер, 2002.
Интернет-ресурсы
- Богданов А.В. и др. Архитектуры и топологии многопроцессорных вычислительных систем. — t.ru/department/hardware/atmcs/
- Барский А.Б. Архитектура параллельных вычислительных систем. — t.ru/department/hardware/paralltech/
- Барский А.Б. Параллельное программирование. — t.ru/department/se/parallprog/
- ru/history/cray1.php.-Архитектура Cray-1.
- Норенков И.П. Краткая история вычислительной техники и информационных технологий.- .edu.ru/doc/55984.php">
- computers.ru/. Топ 50 российских суперкомпьютеров.
- 0.org/. Топ 500 мировых суперкомьютеров.
- Российские суперкомпьютеры.- ag.ru/articles/detail_print.php?ID= 12651&PRINT=Y
7. Материально-техническое обеспечение дисциплины
7.1.1. Мультимедийный класс с компьютерным проектором и возможностью работы в Power Point.
7.1.2. Доступ в Интернет всех участников курса
7.1.3. Мультимедийный класс для проведения тестовых занятий