принципы организации подготовки кадров в области

ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ ПОДГОТОВКИ КАДРОВ В ОБЛАСТИ
ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫХ ВЫЧИСЛЕНИЙ
В.Н.Берцун, С.П.Сущенко
Томский государственный университет, Томск
Тел.: (3822) 42-60-96, e-mail: ssp@inf.tsu.ru
В настоящее время суперкомпьютеры (СК) начинают активно применять в таких областях, как: космонавтика,
сейсмология, томография, восстановление изображений, нефте- и газодобыча, криптография, прогноз погоды,
автомобилестроения, моделирования ядерных реакций, геоинформационные системы, экология, системы управления
сложными техническими объектами, системы массового обслуживания и др. Использование СК позволяет получать
качественно новые результаты в фундаментальных исследованиях. Одним из факторов, сдерживающих применение
СК, является неподготовленность пользователей.
Идеология подготовки кадров по направлению “Высокопроизводительные вычисления”, предложенная и
реализуемая в Томском госуниверситете, основана на поэтапном введении различных уровней обучения специалистов.
На первом этапе предполагается развернуть обучение специалистов в указанном направлении для аспирантов,
докторантов и соискателей Томского научно-образовательного комплекса физико-математического профиля по
программе повышения квалификации. В настоящее время выполнен цикл подготовки по специализированному
учебному плану повышения квалификации, включающему шесть спецкурсов общим объемом 110 часов аудиторных
занятий и продолжительностью 10 недель. Основной целью данного этапа является апробирование предложенной
учебной программы и уточнение перечня, содержания и объема специализированных дисциплин учебного плана.
Кроме того, важнейшая задача этого этапа состоит в определении спроса на знания в области
высокопроизводительных вычислений, спектра отраслей науки, техники и производства, нуждающихся в специалистах
данного направления, а также перечня проблем, решаемых в регионе и требующих применения
высокопроизводительных ресурсов.
На втором этапе с учетом итогов работы на первом этапе планируется развертывание образовательной программы
в форме переподготовки кадров по направлению “высокопроизводительные вычисления”. Данный этап
образовательной деятельности предусматривает расширение спектра обучаемых и включение в процесс обучения
специалистов физико-математического и естественнонаучного профиля. Задача этого этапа состоит в формировании и
уточнении перечня общих математических и естественнонаучных дисциплин; общепрофессиональных дисциплин,
дисциплин специальности и факультативов, необходимых для переподготовки кадров.
Третий этап предусматривает открытие специальности в области математического и программного обеспечения
высокопроизводительных вычислительных систем для подготовки дипломированных специалистов на основе
разрабатываемого проекта государственного образовательного стандарта. Для решения кадровой проблемы, после
ввода в строй кластера ТГУ, начали реализовываться два направления подготовки пользователей.
С января 2001 г. при кафедре вычислительной математики и компьютерного моделирования ММФ начал свою
работу городской семинар по суперкомпьютерным вычислениям.
Проведена подготовительная работа, разработан учебный план и с 15 марта началась подготовка слушателей (10
человек) по направлению высокопроизводительные вычисления.
Учебный план объемом 110 часов включает в себя шесть спецкурсов:
– методы параллельных вычислений;
– технологии параллельного программирования и вычислений;
– новые информационные технологии;
– принципы организации многопроцессорных вычислительных систем и многомашинных комплексов;
– современные методы решения многомерных задач на суперкомпьютерах;
– принципы организации операционных систем.
Выбор данного перечня дисциплин и содержания программ курсов для повышения квалификации в области
высокопроизводительных вычислений обосновывается следующими соображениями.
Теоретический курс “Методы параллельных вычислений” преследует цель ознакомить слушателей с базовыми
понятиями параллельных вычислительных методов. Наряду с классификацией ЭВМ рассматриваются простейшие
параллельные алгоритмы и их эффективность. Обращается внимание на избыточность параллельных алгоритмов и,
как следствие, усложнение способа их теоретического анализа на устойчивость и точность. Учитывая, что значительное
число сложных задач математической физики решаются на СК разностными методами, рассматриваются
теоретические основы метода слабой аппроксимации, сводящего решение сложной задачи к сериям одномерных
краевых задач. Заканчивается курс рассмотрением приемов декомпозиции расчетной области и примером
регионально-аддитивной разностной схемы для СК.
Курс “Технологии параллельного программирования и вычислений” представляет собой введение в
программирование на распределенных вычислительных системах. Создание программы для параллельной
(многопроцессорной) вычислительной системы включает в себя, как правило, две основных стадии. Во-первых,
последовательный алгоритм подвергается декомпозиции (распараллеливанию), т.е. разбивается на независимо
работающие подзадачи (ветви параллельного алгоритма), а для обмена информацией между подзадачами (или для
взаимодействия между ветвями) вводятся две дополнительных операции – прием и передача данных. Во-вторых,
распараллеленный алгоритм записывается в виде программы, в которой операции приема и передачи записываются в
терминах конкретной системы программирования, обеспечивающей связи между подзадачами. С точки же зрения
программиста существует две основных методологии программирования (парадигмы) –данные могут передаваться
через разделяемую память (синхронизация доступа ветвей к такой памяти происходит посредством семафоров) или в
виде сообщений. Первый метод является базовым для SMP-машин, второй – для систем с распределенной памятью
1
всех типов. Однако оба эти подхода могут реализованы в виде единого стандарта на интерфейс программиста (или,
точнее, на систему обмена информацией между задачами), который обеспечил создание мобильных, эффективных и
надежных параллельных приложений. Таким стандартом является MPI. Этот стандарт базируется на идее Т.Хоора о
том, что параллельно работающие процессы могут обмениваться информацией только при помощи сообщений. Курс
включает краткое изложение теории Т.Хоора о взаимодействующих параллельно работающих процессах и введение в
методологию MPI.
Выбор дисциплины ”Принципы организации многопроцессорных вычислительных систем и многомашинных
комплексов” для включения в учебный план повышения квалификации по направлению "высокопроизводительные
вычисления" обусловлен значительным влиянием современных архитектурных решений, реализованных в
многопроцессорных вычислительных системах, на способы и эффективность построения программного кода и
производительность вычислений. Знание связи причин и принципов параллелизма с архитектурой вычислителя
позволяет обеспечить баланс в звеньях последовательности: приложение пользователя – программный параллелизм,
доминирующий в приложении, – средства реализации параллелизма в вычислительной системе – архитектура
системы. Кроме того, это дает возможность оптимизировать структуру программных комплексов под архитектуру
конкретной вычислительной системы и наиболее полно и эффективно использовать все ее средства параллельной
обработки.
Лекционный курс "Современные методы решения многомерных задач на суперкомпьютерах" предназначен для
ознакомления слушателей, повышающих квалификацию, с подходами и способами решения задач механики и физики
на многопроцессорной вычислительной технике. В первую очередь внимание слушателей обращается на то, каким
образом происходит модификация известных численных методов к условиям используемого суперкомпьютера. При
этом предполагается, что слушатели знакомы с основами численных методов, уравнениями математической физики и
программированием. В качестве базового материала при подготовке лекций используются оригинальные научные
публикации отечественных и зарубежных авторов в рецензируемых журналах. Курс включает обсуждение следующих
проблем:
– параллельные алгоритмы численного решения задачи Коши для системы ОДУ;
– решение систем интегральных уравнений Фредгольма второго рода;
– решение уравнения Пуассона с использованием технологии MPI;
– параллельные методы в задачах газовой динамики и динамики вязкой жидкости;
– применение параллельных методов при моделировании турбулентных течений.
Теоретический курс “Принципы организации операционных систем” необходим по нашему мнению в программе
повышения квалификации в области высокопроизводительных вычислений для понимания механизмов реализации
системообразующих функций и сервисов на прикладном уровне, поскольку разработку параллельных программ вполне
можно отнести к классу работ уровня системного программирования. Наиболее трудоемкой фазой в жизненном цикле
приложений параллельной обработки является стадия отладки программных комплексов, требующая глубоких знаний
механизмов синхронизации взаимодействующих процессов, методов предупреждения тупиков, способов корректного и
эффективного использования ресурсов вычислительной системы. Систематизированное изложение основных понятий
и принципов функционирования операционных систем составляют основное содержание курса.
После прочтения лекций слушателям предлагается самостоятельная работа (4 часа) по программированию на
кластере ТГУ в системе MPI простейших задач математической физики.
Для активизации интереса молодежи к проблемам суперкомпьютерных технологий 29, 30 марта профессор
Малышкин В.Э. (СО РАН) прочитал лекции по программированию на суперкомпьютерах. В это же время в научной
библиотеке ТГУ состоялась выставка литературы по суперкомпьютерным технологиям, которую посетило 90
преподавателей и студентов.
В дальнейшем для увеличения круга пользователей кластером и повышения качества подготовки специалистов в
области СК-технологий планируется ряд мероприятий:
– проведение в декабре 2001 года первой сибирской школы-семинара по СК-технологиям;
– введение с сентября 2001 года в лекции по методам вычислений раздела по методам параллельных
вычислений, а в лекции по информатике раздела по параллельному программированию для физикоматематических факультетов ТГУ;
– выделение средств для формирования книжного фонда по СК-технологиям;
– организация на базе кафедры вычислительной математики и компьютерного моделирования межфакультетской
специализации по параллельным вычислениям с сентября 2001 года;
– организация стажировок аспирантов и студентов ТГУ в ИВТ СО РАН (Новосибирск).
2