Politechnika
Warszawska

Katalog
ECTS

Nazwa przedmiotu:

Równoległe implementacje metod numerycznych

Koordynator przedmiotu:

Marek Nałęcz i Gustaw Mazurek

Status przedmiotu:

Fakultatywny dowolnego wyboru

Poziom kształcenia:

Studia II stopnia

Program:

Elektronika

Grupa przedmiotów:

Przedmioty techniczne - zaawansowane

Kod przedmiotu:

RIM

Semestr nominalny:

3 / rok ak. 2019/2020

Liczba punktów ECTS:

5

Liczba godzin pracy studenta związanych z osiągnięciem efektów uczenia się:

30 - Obecność na wykładach 3 - Przygotowanie do wykładów (powtórzenie materiału przed każdym wykładem) 15 - Obecność na laboratoriach 20 - Przygotowanie do laboratoriów (5 terminów) 50 - Samodzielna praca nad projektem w domu 15 - Uruchamianie projektu w laboratorium na rzeczywistym sprzęcie 2 - Konsultacje z wykładowcą 8 - Konsultacje z prowadzącym projekt 2 - Konsultacje z prowadzącym laboratoria 9 - Przygotowanie do egzaminu (przy założeniu jednokrotnego zdawania) 1 - Obecność na egzaminie (przy założeniu jednokrotnego zdawania) RAZEM 155

Liczba punktów ECTS na zajęciach wymagających bezpośredniego udziału nauczycieli akademickich:

30 - Obecność na wykładach 15 - Obecność na laboratoriach 15 - Uruchamianie projektu w laboratorium na rzeczywistym sprzęcie 2 - Konsultacje z wykładowcą 8 - Konsultacje z prowadzącym projekt 2 - Konsultacje z prowadzącym laboratoria RAZEM 70 => 2.3 ECTS

Język prowadzenia zajęć:

polski

Liczba punktów ECTS, którą student uzyskuje w ramach zajęć o charakterze praktycznym:

15 - Obecność na laboratoriach 20 - Przygotowanie do laboratoriów (5 terminów) 50 - Samodzielna praca nad projektem w domu 15 - Uruchamianie projektu w laboratorium na rzeczywistym sprzęcie RAZEM 100 => 3.3 ECTS

Formy zajęć i ich wymiar w semestrze:

• Wykład30h
• Ćwiczenia0h
• Laboratorium15h
• Projekt15h
• Lekcje komputerowe0h

Wymagania wstępne:

Metody numeryczne lub Wstęp do metod numerycznych lub podobny przedmiot, Układy cyfrowe lub Podstawy techniki cyfrowej lub podobny przedmiot, Cyfrowe przetwarzanie sygnałów lub Cyfrowe przetwarzanie obrazów lub podobny przedmiot

Limit liczby studentów:

30

Cel przedmiotu:

Celem przedmiotu jest zapoznanie studentów z nowoczesnymi technikami implementacji metod numerycznych i algorytmów przetwarzania sygnałów, w których szczególny nacisk położony jest na efektywność, uzyskaną przez wykorzystanie równoległości obliczeń, zapewnianej przez wielordzeniowe procesory i układy logiki programowalnej.

Treści kształcenia:

• Wykład: Ograniczenia klasycznych procesorów jednordzeniowych i sposoby ich sprzętowego pokonywania. Praca potokowa, model obliczeń SIMD, architektura superskalarna i architektura VLIW. Klasyczne rozwiązania wielordzeniowe na przykładzie procesorów x86 i CELL. Procesory systoliczne typu Tilera i SeaForth, procesory graficzne firm Nvidia i AMD. Komputery równoległe, modele programowania równoległego. Problemy zrównoleglania algorytmów, graf zależności. Historyczny rozwój procesorów graficznych. Architektura i model programowania procesorów graficznych, ze szczególnym uwzględnieniem rodziny Tesla 10. Hierarchia pamięci; pamięć stała, pamięć globalna, pamięć dzielona i pamięć tekstur. Podstawy języka PTX. Programowanie w języku CUDA na niskim poziomie, porównanie z językiem OpenCL. Programowanie w języku CUDA na wysokim poziomie (CUDA C). Podstawowe operacje programowania równoległego w języku CUDA. Wykorzystanie bibliotek algebraicznych (BLAS) i sygnałowych (FFT) do języka CUDA. Optymalizacja programów na procesory graficzne. Wzmianka o języku X10. Przykłady zastosowań kart graficznych w obliczeniach: sztuczne sieci neuronowe, modelowanie procesów fizycznych, biologicznych i geologicznych, optymalizacja, symulacje Monte-Carlo, przetwarzanie sygnałów i obrazów biomedycznych i radiolokacyjnych, przeszukiwania dużych baz danych. Równoległe realizacje metod numerycznych i algorytmów przetwarzania sygnałów wykorzystujące układy FPGA. Zaawansowane metody opisu i symulacji sprzętu, język VHDL. Wewnętrzna struktura współczesnych układów FPGA na przykładzie rodziny Xilinx Spartan 3. Typowe układy peryferyjne wykorzystywane w zastosowaniach do cyfrowego przetwarzania sygnałów, współpraca z układami pamięci wykonanymi w różnych technologiach. Ograniczenia możliwości układów FPGA. Metody przyspieszania obliczeń przez ich zrównoleglanie i wprowadzenie przetwarzania potokowego. Przykładowe zastosowania: sposoby implementacji funkcji arytmetycznych, szybkie algorytmy obliczeń przybliżonych, algorytm iteracyjny Newtona-Raphsona (m.in. w operacjach dzielenia i pierwiastkowania). • Laboratoria: Laboratorium ma na celu nauczenie wszystkich słuchaczy kursu sprawnego posługiwania się systemami uruchomieniowymi (zarówno w aspekcie sprzętowym, jak i programowym) dla przedstawicieli obu rozważanych platform równoległych (procesorów graficznych Nvidia i układów logiki programowalnej Xilinx). Tematy laboratoriów obejmują pięć ćwiczeń po 3h każde: 1. Implementacja podstawowych obliczeń algebry liniowej w języku CUDA C i z wykorzystaniem biblioteki CUBLAS. 2. Implementacja podstawowych algorytmów cyfrowego prze-twarzania sygnałów w języku CUDA C i z wykorzystaniem biblioteki CUFFT. 3. Implementacja metod optymalizacji i symulacji Monte-Carlo w języku CUDA C. 4. Przybliżone implementacje podstawowych funkcji arytme¬tycznych w układzie FPGA. 5. Implementacja banku filtrów i algorytmu FFT w układzie FPGA. Laboratorium odbywa się w środkowej części semestru. • Projekt: W ramach zajęć projektowych, wykonywanych w drugiej połowie semestru, wiedza pozyskana na laboratoriach będzie wykorzystywana do rozwiązywania konkretnych, choć z konieczności odpowiednio uproszczonych, problemów praktycznych na jednej wybranej platformie (albo procesor graficzny Nvidia, albo układ logiki programowalnej Xilinx), w zespołach 2-4 osobowych.

Metody oceny:

o Pięć ćwiczeń laboratoryjnych, ocenianych w skali 0÷8 pkt. każde (razem do 40 pkt.). o Projekt, którego poszczególne etapy oceniane są następująco: a. Opis problemu i sposobu rozwiązania – 5 p. b. Napisanie kodu źródłowego rozwiązania – 10 p. c. Uruchomienie i testowanie programu – 15 p. d. Dokumentacja końcowa – 5 p. (razem do 35 pkt.). o Testowy egzamin końcowy (0÷25 pkt.).

Egzamin:

tak

Literatura:

1. Fayez Gebali: Algorithms and Parallel Computing. John Wiley & Sons, 2011 (po angielsku). 2. Jason Sanders, Edward Kandrot: CUDA by Example: An Introduction to General-Purpose GPU Programming. Addison-Wesley, 2011 (po angielsku). 3. Rob Farber: CUDA Application Design and Development. Morgan Kaufmann, 2011 (po angielsku). 4. David B. Kirk, Wen-mei W. Hwu: Programming Massively Parallel Processors: A Hands-on Approach. Morgan Kaufmann, 2010 (po angielsku). 5. A. V. Boreskov, A. A. Kharlamov: Basics of CUDA Technology. DMK Press, Moscow, 2010 (po rosyjsku). 6. Aaftab Munshi, Benedict R. Gaster, Timothy G. Mattson, James Fung, Dan Ginsburg: OpenCL Programming Guide. Addison-Wesley, 2012 (po angielsku). 7. David R. Martinez, Robert A. Bond, M. Michael Vai: High Performance Embedded Computing Handbook – A Systems Perspective. CRC Press, 2008 (po angielsku). 8. A. Karbowski, E. Niewiadomska-Szynkiewicz (red.): Programowanie równoległe i rozproszone. Oficyna Wydawnicza PW, 2009. 9. J. Majewski, P. Zbysiński: Układy FPGA w przykładach. BTC 2007. 10. K. Skahill: Język VHDL. Projektowanie programowalnych układów logicznych, WNT 2001.

Witryna www przedmiotu:

https://studia.elka.pw.edu.pl/priv/RIM.A

Uwagi:

• Warunkiem zaliczenia przedmiotu jest uzyskanie łącznie co najmniej 50 punktów. Oceny wystawiane są według standardowej skali (pół stopnia co 10 punktów). • Studenci, którzy w czasie trwania semestru osiągną wyniki wskazujące na osiągnięcie zakładanych efektów kształcenia w stopniu łącznie co najmniej dobrym, mogą zostać przez wykładowcę zwolnieni z obowiązku przystąpienia do egzaminu końcowego.

Efekty uczenia się

Profil ogólnoakademicki - wiedza

Charakterystyka W_1

Student posiada uporządkowaną wiedzę w zakresie wybranych metod przetwarzania równoległego
Weryfikacja: Egzamin, laboratoria, projekt
Powiązane charakterystyki kierunkowe: K_W03, K_W04, K_W05, K_W06
Powiązane charakterystyki obszarowe:

Charakterystyka W_2

Student posiada uporządkowaną wiedzę w zakresie metodyki i technik implementacji wybranych metod numerycznych i algorytmów przetwarzania sygnałów na wielordzeniowych procesorach graficznych
Weryfikacja: Egzamin, laboratoria 1, 2 i 3, ew. projekt
Powiązane charakterystyki kierunkowe: K_W04, K_W05, K_W06
Powiązane charakterystyki obszarowe:

Charakterystyka W_3

Student posiada uporządkowaną wiedzę w zakresie metodyki i technik implementacji wybranych metod numerycznych i algorytmów przetwarzania sygnałów na układach logiki programowalnej
Weryfikacja: Egzamin, laboratoria 4 i 5, ew. projekt
Powiązane charakterystyki kierunkowe: K_W04, K_W05, K_W06
Powiązane charakterystyki obszarowe:

Profil ogólnoakademicki - umiejętności

Charakterystyka U_1

Student potrafi napisać w języku strumieniowym i uruchomić prosty program na wielordzeniowy procesor graficzny
Weryfikacja: Laboratoria 1, 2 i 3, ew. projekt
Powiązane charakterystyki kierunkowe: K_U11, K_U12, K_U01, K_U07, K_U08, K_U09
Powiązane charakterystyki obszarowe:

Charakterystyka U_2

Student potrafi napisać w języku opisu sprzętu i uruchomić prosty program dla układu logiki programowalnej
Weryfikacja: Laboratoria 4 i 5, ew. projekt
Powiązane charakterystyki kierunkowe: K_U01, K_U07, K_U08, K_U09, K_U11, K_U12
Powiązane charakterystyki obszarowe:

Charakterystyka U_3

Student potrafi optymalizować kod opracowany w języku strumieniowym lub w języku opisu sprzętu przez odpowiedni dobór bibliotek i wykorzystywanych elementów architektury użytego procesora czy układu
Weryfikacja: Laboratoria, projekt
Powiązane charakterystyki kierunkowe: K_U07, K_U08, K_U10, K_U11, K_U12, K_U13
Powiązane charakterystyki obszarowe:

Profil ogólnoakademicki - kompetencje społeczne

Charakterystyka KS_1

Student potrafi pracować indywidualnie i w małym zespole nad niedużymi projektami dotyczącymi implementacji wybranych metod numerycznych i algorytmów przetwarzania sygnałów w systemach wbudowanych zawierających wielordzeniowe procesory graficzne lub układy logiki programowalnej
Weryfikacja: Projekt
Powiązane charakterystyki kierunkowe:
Powiązane charakterystyki obszarowe: