Detail předmětu

Architektury výpočetních systémů

AVS Ak. rok 2024/2025 zimní semestr 5 kreditů

Předmět pokrývá architekturu současných výpočetních systémů složených z univerzálních i specializovaných procesorů a jejich paměťové subsystémy. Paralelismus na úrovni instrukcí  je studován na skalárních a superskalárních procesorech. Dále jsou probrány procesory s vláknovým paralelismem. Datový paralelismus je ilustrován na SIMD instrukcích a na grafických procesorech. Následuje výklad programování víceprocesorových systémů se sdílenou pamětí v prostředí OpenMP a popis nejrozšířenějších vícejádrových multiprocesorů i pokročilých systémů NUMA. V závěru se probírá generická architektura grafických karet a základní techniky akcelerace výpočtů na GPU pomocí OpenMP. Jsou vysvětleny i techniky použité při nízkopříkonových procesorů a aplikací. 

Garant předmětu

Jaroš Jiří, doc. Ing., Ph.D. (UPSY)

Koordinátor předmětu

Jaroš Marta, Ing., Ph.D. (UPSY)

Jazyk výuky

česky

Zakončení

zápočet+zkouška (písemná)

Rozsah

  • 26 hod. přednášky
  • 12 hod. pc laboratoře
  • 14 hod. projekty

Bodové hodnocení

  • 60 bodů závěrečná zkouška (písemná část)
  • 10 bodů půlsemestrální test (písemná část)
  • 30 bodů projekty

Zajišťuje ústav

Ústav počítačových systémů (UPSY)

Přednášející

Jaroš Jiří, doc. Ing., Ph.D. (UPSY)

Cvičící

Chlebík Jakub, Ing. (UPSY)
Jaroš Marta, Ing., Ph.D. (UPSY)
Kuník Oliver, Ing. (UPSY)
Olšák Ondřej, Ing. (UPSY)

Cíle předmětu

Seznámit se s architekturou moderních výpočetních systémů založených na vícejádrových procesorech architektury x86, RISC-V nebo ARM v konfiguracích se sdílenou (UMA) i distribuovanou sdílenou (NUMA) pamětí, často doplněných o akcelerátor ve formě GPU. Pochopit hardwarové aspekty výpočetních systémů, které mají vliv na výkon dané aplikace a příkon systému. Umět posoudit možnosti konkrétní architektury a predikovat výkonnost aplikací. Ujasnit si úlohu překladače a jeho spolupráci s procesorem. Získat schopnost orientovat se v nabídce jednotlivých komponent výpočetních systémů, dovést je hodnotit a porovnávat.

Přehled architektur současných výpočetních systémů, jejich možností a budoucích trendů. Schopnost vyhodnotit efektivitu softwarových aplikací na daném výpočetním systému, identifikovat výkonnostní problémy a navrhnout jejich nápravu. Praktické zkušenosti s prací na superpočítačích Barbora a Karolina.
Pochopení důsledků hardwarových omezení na efektivitu softwarových řešení.

Požadované prerekvizitní znalosti a dovednosti

Architektura počítače typu von Neumann, hierarchická organizace paměťového systému, programování v jazyce symbolických instrukcí a jazyce C/C++, činnost a funkce kompilátoru.

Literatura studijní

  • Hennessy, J.L., Patterson, D.A.: Computer Architecture - A Quantitative Approach. 5. vydání, Morgan Kaufman Publishers, Inc., 2012, 1136 s., ISBN 1-55860-596-7. download.
  • Baer, J.L.: Microprocessor Architecture. Cambridge University Press, 2010, 367 s., ISBN 978-0-521-76992-1. info.
  • van der Pas, R., Stotzer, E., and Terboven, T.: Using OpenMP-The Next Step, MIT Press Ltd, ISBN 9780262534789, 2017. info.
  • Materiály ke kurzu Computer Science 152: Computer Architecture and Engineering. http://inst.eecs.berkeley.edu/~cs152/sp13/
  • Agner Fog: Software optimization resources.
  • Aktuální PPT prezentace přednášek v Elearningu.

Osnova přednášek

  1. Skalární procesory, zřetězené zpracování instrukcí, asistence kompilátoru.
  2. Superskalární procesory, dynamické plánování instrukcí.
  3. Optimalizace toku dat v hierarchii pamětí cache.
  4. Predikce skoků, optimalizace načítání instrukcí a dat. 
  5. Procesory s podporou datového paralelismu a vektorizace.
  6. Procesory s podporou vláken a vícejádrové procesory.
  7. Paralelizace a vektorizace smyček.
  8. Funkční paralelismus a akcelerace rekurzivních algoritmů.
  9. Synchronizace na systémech se sdílenou pamětí. 
  10. Algoritmy koherence pamětí cache.
  11. Architektury s distribuovanou sdílenou pamětí.
  12. Architektura a programování grafických karet.
  13. Nízkopříkonové procesory a techniky pro snižování příkonu.

Osnova počítačových cvičení

  1. Měření výkonnosti sekvenčních kódů, představení Intel Tools (4. týden).
  2. Efektivní využití cache, přehazování a rozbalování smyček (5. týden).
  3. Vektorizace kódu pomocí OpenMP (6. týden).
  4. Paralelizace smyček pomocí OpenMP (9. týden).
  5. Funkční paralelizace pomocí OpenMP  tasků (10. týden).
  6. Sekce a vzájemné vyloučení pomocí OpenMP (11. týden).

Osnova ostatní - projekty, práce

  • Optimalizace jednovláknové aplikace pomocí pomocí cache blockingu, vektoriace a restrukturalizace kódu.
  • Vývoj paralelní aplikace pomocí OpenMP.

Průběžná kontrola studia

  • Vyhodnocení dvou projektů v celkovém rozsahu 14 hodin a půlsemestrální písemky.
  • Zameškaná cvičení je možné nahradit v alternativní termínu.
  • Pro udělení zápočtu je nutné získat min 20b ze 40b a minimálně 1b z každého projektu.

Rozvrh

DenTypTýdnyMístn.OdDoKapacitaPSKSkupInfo
Po poč. lab 4., 5., 6., 9., 10., 11. výuky N104 14:0015:5020 1MIT 2MIT xx Jaroš
Po poč. lab 4., 5., 6., 9., 10., 11. výuky N105 14:0015:5020 1MIT 2MIT xx Chlebík
Po poč. lab 4., 5., 6., 9., 10., 11. výuky N104 16:0017:5020 1MIT 2MIT xx Jaroš
Po poč. lab 4., 5., 6., 9., 10., 11. výuky N105 16:0017:5020 1MIT 2MIT xx Chlebík
Po poč. lab *) výuky N105 18:0019:5020 1MIT 2MIT xx
Po poč. lab *) 1., 2., 3., 4., 5., 6., 8., 9., 10., 11., 12., 13. výuky N104 18:0019:5020 1MIT 2MIT xx Termín nebude otevřen
Út poč. lab 4., 5., 6., 9., 10., 11. výuky N104 08:0009:5020 1MIT 2MIT xx Chlebík
Út poč. lab 4., 5., 6., 9., 10., 11. výuky N105 08:0009:5020 1MIT 2MIT xx Kuník
Út poč. lab 4., 5., 6., 9., 10., 11. výuky N104 12:0013:5020 1MIT 2MIT xx Chlebík
Út poč. lab 4., 5., 6., 9., 10., 11. výuky N105 12:0013:5020 1MIT 2MIT xx Kuník
St poč. lab 4., 5., 6., 9., 10., 11. výuky N104 14:0015:5020 1MIT 2MIT xx Jaroš
St poč. lab 4., 5., 6., 9., 10., 11. výuky N105 14:0015:5020 1MIT 2MIT xx Kuník
Pá přednáška výuky E104 E105 E112 08:0009:50294 1MIT 2MIT NBIO - NSPE NISD - NISY NSEC - NGRI NVER xx Jaroš
Na výuku se nelze registrovat ve Studis. (Termíny cvičení mohou být v případě potřeby otevřeny dodatečně, ale nemusí být využity vůbec.)

Zařazení předmětu ve studijních plánech

Nahoru