Parallel xisoblash tizimlari. Zamonaviy super kompyuterlar va ularning turlari. Mega kompyuterlar va ularning turlari

Giperkub(giperkub) - bu topologiya har bir panjara o'lchami uchun faqat ikkita protsessor mavjud bo'lganda, panjara tuzilishining alohida holatini ifodalaydi; Ma'lumotlar uzatish tarmog'ini tashkil qilishning ushbu varianti amalda juda keng tarqalgan va quyidagi bir qator o'ziga xos xususiyatlar bilan tavsiflanadi:
a) ikkita protsessor, agar ularning raqamlarining ikkilik ko'rinishlari mavjud bo'lsa, ulanishga ega
faqat bitta boshqa pozitsiya;
b) N-o'lchovli giperkubni ikkita (N-1) o'lchovli giperkubga bo'lish mumkin (jami N o'lchamli turli bo'limlar mumkin);
c) har qanday ikkita protsessor orasidagi eng qisqa yo'l protsessor raqamlaridagi turli xil bit qiymatlari soniga teng uzunlikka ega (bu qiymat Hamming masofasi deb nomlanadi).
Chunki har bir protsessor faqat bitta ma'lumotlarni uzatish va qabul qilish operatsiyasida ishtirok etishi mumkin, u holda faqat protsessorlarning o'zaro ta'sir qiluvchi juftlari kesishmaydigan aloqa operatsiyalari parallel ravishda bajarilishi mumkin.
Plaksin M.A.
Milliy tadqiqot universiteti Iqtisodiyot oliy maktabi (Perm filiali), Perm, f.f.d., Biznesda axborot texnologiyalari kafedrasi dotsenti, mapl @ ro'yxati. ru
"SUPER KOMPYUTERLAR" VS "PARALLEL DASTURLASH". "PARALLEL DASTURLASHTIRISH" VS "QO'G'ROQ FAOLIYAT". O‘RTA TA’LIM MAKTABDA “PARALLEL HISOBIYOTLAR” MAVZUSI QANDAY O‘RGANISH?
KALİT SO'ZLAR
Informatika, parallel dasturlash, parallel hisoblash, parallel algoritmlar, superkompyuterlar, boshlang'ich maktab, o'rta maktab, TRIZformashka.
ANNOTATSIYA
Maqola maktab informatika kursiga "parallel hisoblash" mavzusini kiritish masalasiga bag'ishlangan. Bunda yuzaga keladigan bir qator muammolar tilga olinadi, mavzuni o‘rganishdan maqsad, material tanlash, o‘qitish metodikasi bo‘yicha ayrim takliflar, taklif etilayotgan metodikani sinovdan o‘tkazish mexanizmlari va to‘plangan tajribalar ko‘rib chiqiladi. Ushbu materialning o'quv rejasidagi o'rni masalasiga tegilmaydi.
Informatika rivojlanishining zamonaviy bosqichi barcha darajadagi (ko'p mashinali klasterlar, ko'p protsessorli kompyuterlar, ko'p yadroli protsessorlar) hisob-kitoblarning parallelligining ommaviy tarqalishi bilan bog'liq.
Parallelizmning keng tarqalishi hali aniqlanmagan va tahlil qilinmagan jiddiy oqibatlarga olib keladi. Keling, ba'zi nazariy muammolarni sanab o'taylik.
Algoritmlarning zamonaviy nazariyasi ketma-ket algoritm tushunchasini hisobga olgan holda yaratilgan. Qadamlar ketma-ketligi haqidagi talabni rad etish algoritm tushunchasida qanday aks etadi?
Eng kamida oxirgi 20 yil davomida maktabda "algoritm" tushunchasi "ijrochi" tushunchasi bilan uzviy bog'liq holda kiritildi. Bu ketma-ket algoritm uchun tabiiydir. Parallel algoritm haqida nima deyish mumkin? Uni bitta ijrochi yoki bir guruh ijrochilar ijro etadimi? Aniqlik uchun, misol sifatida, "Tank ekipaji" kompyuter o'quv dasturini ko'rib chiqing. Ushbu dasturda talaba uch kishidan iborat tank ekipajining harakatlarini dasturlashi kerak: otishmachi, haydovchi va yuk ko'taruvchi. Ularning har biri o'z buyruq tizimiga ega. Jangovar topshiriqni bajarish uchun (barcha nishonlarni urish) barcha ekipaj a'zolari birgalikda harakat qilishlari kerak. "Tank ekipaji" dasturining o'yin maydoniga misol 1-rasmda ko'rsatilgan.
Savol tug'iladi: bu uch aktyorni mustaqil ijrochilar deb hisoblash kerakmi yoki bitta murakkab ijrochining uchta tarkibiy qismi (qurilmasi) sifatida? Tank ekipaji uchun ikkinchi variant tabiiyroq ko'rinadi, chunki biron bir belgi o'zi vazifani bajara olmaydi. Ammo o'yin murakkablashsa va jangovar vazifa bir vaqtning o'zida ikkita tank uchun belgilansa-chi? Uch tank uchunmi? Bitta ekipajning uchta a'zosi bitta ijrochining uchta qismi deb hisoblanishi mumkin. Ammo har bir ekipaj mustaqil ijrochi ekanligi aniq. Bu shuni anglatadiki, bir nechta tanklar uchun parallel algoritm bir vaqtning o'zida bir guruh ijrochilar tomonidan amalga oshiriladi. Ma'lum bo'lishicha, parallel algoritm uchun ikkala imkoniyatni ham ko'rib chiqish kerak: bir bajaruvchi va bir guruh ijrochilar tomonidan parallel harakatlarni bajarish. Tank ekipaji bo'lsa, chegarani chizish oson. Ijrochi - bu berilgan muammoni hal qila oladigan odam. Bu bajaruvchi bir nechta komponentlardan iborat bo'lishi mumkin, ularning har biri vazifaning ma'lum qismini bajaradi, lekin boshqa komponentlar yordamisiz vazifani mustaqil bajara olmaydi. Ammo "butun ijrochilar" va murakkab ijrochi qismlarini ajratish har doim ham oddiy bo'ladimi - hozir aytish mumkin emas.
Fayl 1 * pa Windows Dastur haqida
Hammasini ol
Bbno.n "fTb ajratilgan qatorga
Dastlabki holatga qaytish **"
bypopnlt bosqichma-bosqich (" bajargandan so'ng"
Yo EGVD iTHWTt. maxsus qadam
Osglnostt bosqichma-bosqich
1-rasm. "Tank ekipaji" dasturining o'yin maydonining bir qismi
Ijrochining mustaqil harakatlarga qodir bo'lgan qismlarini taqsimlash qandaydir tarzda ushbu qismlarni nomlashni talab qiladi. Bundan tashqari, nom rekursiyani tan olishi kerak, chunki ijrochining harakatlanuvchi qismlari o'zlari murakkab tuzilishga ega bo'lishi mumkin.
Hamkorlik qiluvchi ijrochilar guruhi uchun muddatni kelishib olish kerak. "Buyruq" atamasi mos kelmaydi, u "ijrochining buyruqlar tizimi" va "markaziy protsessorning buyruqlari" bilan bog'liq. "Ijrochilar jamoasi"? Ijrochilar jamoasimi?
Sh. Algoritm
n Impact1 "; Haydovchi zaryadlovchi
1 tabancani * "master sgkll V Stop V Zaryadlash 1" ga muvofiq o'lchang
g PCI V Stop V Zaryadlash 2
3 ulgurji! V Soat yo'nalishi bo'yicha 90 daraja aylantiring V Zaryadlash 1 V
L V B Persh V zaryad? V
5 Yong'in! V To'xtatish V Zaryadlash 1
Í P ^ chm V St * n V Zaryas? V
7 Yong'in! V To'xtash V Zaryadlash 1 V
3 Pa ^ V 45 daraja soat yo'nalishi bo'yicha V Zaryadlash 2 V
S Pauza V Pauza V Pauza V
10 Pvdea V Oldinga V Pauza ¿d
11 Prrl V Oldinga V Pauza V
12 Paum V Soat yo'nalishi bo'yicha 45 daraja aylantiring V Pauza V
13 Padm V Oldinga V Pauza V
14 V n & stpHyTbtft 45 gradusdagi strelkaga ishora qiladi "V Zar ^ a ^ bt V
2-rasm. "Tank ekipaji" dasturining fragmenti (qo'mondonlik qatorlari namunasi) "Ijrochining buyruqlar tizimi" (SKI) ning an'anaviy tushunchasi va qo'mondonlik tushunchasining o'zi takomillashtirilishi kerak. Agar tank ekipajining uchta a'zosi bitta ijrochini tashkil qiladi deb hisoblasak, bu ijrochining SKI darajasi nima? Va jamoa nima deb hisoblanadi? Yoki har bir belgi uchun SKI tushunchasini qoldiring? Ya'ni, bu endi IJROCHning buyruqlar tizimi emas, balki rassomning tarkibiy qismlaridan birining buyruqlar tizimi (buning hali nomi yo'q)?
Buyruq tushunchasini “buyruqlar qatori”ga kengaytirish qulay. Tank ekipajining buyruq satrlariga misol 2-rasmda ko'rsatilgan. Biroq, "buyruqlar qatori" tushunchasi faqat chiziqli algoritmlar uchun yaxshi ishlaydi. Boshqa hollarda, o'lchagichlar dinamik ravishda yaratiladi. Ularni vizual jadval shaklida tasvirlash mumkin emas.
Algoritmlarning xossalari orasida yangi amaliy ahamiyatga ega xususiyat ajralib turadi: parallellashtirish qobiliyati. Aniqlik beruvchi savol parallellashtirishning mumkin bo'lgan darajasi (ushbu algoritmni bajarishda protsessorlar sonini ko'paytirish qanchalik mantiqiy) haqida.
Alohida masala - mavjud ketma-ket algoritmlarni parallellashtirish usullari.
Yaqin vaqtgacha parallel dasturlash oz sonli yuqori malakali tizim dasturchilarining sohasi edi. Bugungi kunda u professional kompetentsiyaning bir qismiga aylanib bormoqda. Ammo parallel dasturlash texnologiyasi an'anaviy ketma-ketlikdan sezilarli darajada farq qiladi. Ushbu bayonotni qo'llab-quvvatlash uchun L.L. Bosova, biz parallel hisoblash sohasidagi eng yirik rus mutaxassisi V.V. Voevodina:
“... Parallel arxitekturaning hisoblash texnologiyasini ... yosh mutaxassislar tomonidan o‘zlashtirilishi katta qiyinchiliklar bilan kechmoqda. Bizning fikrimizcha, bu parallel hisoblashlar bilan tanishish, umuman, bu sohada ta'limni nimadan boshlash kerakligidan boshlanmasligi bilan bog'liq. Bundan tashqari, nimadan boshlash kerakligi hech qanday kurslarda umuman yoritilgan. Parallel arxitekturadagi kompyuterlardagi muammolarni tezda hal qilish qobiliyati foydalanuvchilarni kompyuterlar bilan o'zaro ishlashning barcha tanish uslubini o'zgartirishga majbur qiladi. Masalan, shaxsiy kompyuterlar va ish stantsiyalari bilan taqqoslaganda, deyarli hamma narsa o'zgaradi: boshqa dasturlash tillari qo'llaniladi, ko'pchilik algoritmlar o'zgartiriladi, foydalanuvchilar hal qilinayotgan muammolarning ko'plab nostandart va olish qiyin bo'lgan xususiyatlarini taqdim etishlari kerak. , interfeys do'stona bo'lishni to'xtatadi va hokazo. Yangi ish sharoitlarini hisobga olishning to'liq emasligi yangi va bundan tashqari, juda qimmat uskunalardan foydalanish samaradorligini sezilarli darajada kamaytirishi muhimdir.
“Faqatgina talaba imkon qadar ertaroq bilishi kerakki, hisoblash jarayonlarini tashkil qilishning boshqa usullari, balki “operatsiya bo‘yicha operatsiyani” ketma-ket bajarish emas, bu boshqa usullardan eng kuchli zamonaviy hisoblash texnologiyalari, sanoatni yaratishda foydalaniladi. va ilmiy vazifalar va boshqalar. Bu, birinchi navbatda, talabalar e'tiborini iloji boricha tezroq ketma-ket hisoblash falsafasiga tanqidiy munosabatda bo'lish zarurligiga jalb qilish uchun muhimdir. Axir ular maktabda ham, universitetda ham butun ta’lim davomida aynan shu falsafa bilan shug‘ullanishlari kerak. Aynan shu falsafa parallel arxitektura kompyuterlarida ishlashning o'ziga xos xususiyatlarini tushunishga xalaqit beradi.
Bugungi kunda bizga parallel dasturlash texnologiyasini ommaviy o'qitish usullari kerak. Ushbu maqola muallifining fikricha, o'quv jarayonida ketma-ket va parallel dasturlash o'rtasidagi munosabatlarni inqilob qilish vaqti keldi. Shu paytgacha biz avval ketma-ket dasturlashni, keyin esa – ketma-ket algoritmlarni parallellashtirishni o‘rgatganmiz. Endi parallel dasturlashni zudlik bilan o'rgatish masalasini ko'tarishimiz kerak. Ketma-ket algoritm esa parallel algoritmning boshqa qismlari bilan aloqani talab qilmaydigan ma'lum bir qismi sifatida qaraladi. Buni qanday qilish - ochiq savol. Amaliy amalga oshirish va sinab ko'rishni talab qiladigan ba'zi g'oyalar mavjud. Umid qilamizki, bir yildan so'ng keyingi konferentsiyada erishilgan natijalarni muhokama qilish mumkin bo'ladi.
30 yil avval ishlab chiqarishni ommaviy kompyuterlashtirishning boshlanishi aholining kompyuter savodxonligi darajasini oshirishni talab qildi. Bu 1985 yilda maktab o‘quv dasturiga informatika kursining kiritilishiga olib keldi. Ammo Sovet (o'sha paytda rus tilida) versiyasidagi informatika kursi "tugmachali informatika" bilan cheklanib qolmadi - dasturiy paketlar va kompyuter o'yinlari bilan ishlash texnologiyasini o'zlashtirish. U yosh avlodning fikrlash uslubini o'zgartira boshladi. Bu, birinchi navbatda, algoritmiklik, aniqlik, qat'iylik bilan bog'liq. Keyin kompyuter fanlari kursi mantiqiy va tizimli tahlil elementlarini o'z ichiga oldi. Keyinchalik, bularning barchasi XXI asrda juda zarur bo'lgan narsalarni taqsimlashni sezilarli darajada soddalashtirdi. loyiha yondashuvi. Endi biz keyingi o'n yil ichida parallel algoritmlarga aylanishi kerakligi haqida gapiramiz
umumiy fikrlash madaniyatining elementi. Savol: Parallel algoritm kontseptsiyasining rivojlanishi kelajak avlod tafakkuriga qanday ta'sir qiladi, ongni "parallel tarzda" qayta qurish nimaga olib keladi?
Parallel ma'lumotlarni qayta ishlashning ommaviy tarqalishi tegishli tushunchalarni ommaviy va umumiy madaniy toifalarga o'tkazishni dolzarb qiladi. Parallel algoritmlar bilan tanishish savodxonlikning bir qismiga aylanishi kerak, chunki bu algoritmlar nazariyasining asosiy tushunchalari bilan o'tgan chorak asrda sodir bo'lgan. Buni faqat bitta usulda - maktab informatika kursiga tegishli mavzularni kiritish orqali amalga oshirish mumkin. Bu shuni anglatadiki, biz o'rta maktab darajasida parallel dasturlash bilan dastlabki tanishish metodologiyasiga muhtojmiz.
Tarixiy jihatdan, maktab informatika kursiga parallel hisoblash mavzusini kiritishga birinchi urinish yigirma yil oldin qilingan. Yigirma yil oldin, "Algoritmika" deb nomlangan kursda, to'rtburchaklar va uchburchak shakldagi bloklardan tuzilmani qurib, bir nechta brigadalarning parallel harakatlarini boshqargan "Qurilish direktori" ijrochisi tasvirlangan. Bundan tashqari, ushbu ijrochi uchun dasturiy ta'minot dasturi yaratilgan. Voy! Ushbu ajoyib uslubiy rivojlanish 90-yillarning o'rtalarida talabga ega emas edi. U o'z davridan deyarli yigirma yil oldinda edi!
Bugungi kunda vaziyat shunday rivojlandiki, o'rta maktabda parallel hisoblash mavzusi birinchi navbatda superkompyuterlar mavzusi bilan bog'liq. Aynan superkompyuterlarda turli uslubiy ishlanmalar mualliflari o‘quvchilar e’tiborini, hatto bunga ehtiyoj bo‘lmasa ham qaratadi. “Maktabda informatika” jurnalining tegishli bo‘limi “Maktabda superkompyuter ta’limi” deb nomlanganini aytish kifoya. Bu holat ham ijobiy, ham salbiy tomonlarga ega. Ijobiy tomonlar orasida:
Jamiyatda, shu jumladan talabalarda ham, superkompyuterlar mavzusiga qiziqish uyg'otadi. Bu qiziqish yarim asr oldin yirik mashinalar - o'z davrining superkompyuterlari uyg'otgan qiziqishni zamonaviy darajada aks ettiradi;
Superkompyuterlar hamjamiyatining tashkiliy yordami. Har yili yozda Moskva davlat universitetining Hisoblash matematikasi va kibernetika fakultetida Yozgi Superkompyuter Akademiyasi o'tkaziladi. Va har yozda ushbu Akademiya doirasida informatika o'qituvchilari uchun maktab treki tashkil etiladi. Trening bepul. Norezident talabalarga juda qulay shartlarda uy-joy beriladi. 2015-yil sentabr oyida boʻlib oʻtgan “Rossiya superkompyuter kunlari” konferensiyasida maktab boʻlimi va informatika oʻqituvchilari uchun mahorat darsi tashkil etildi. Izchil tashkiliy ishlar ushbu mavzuni targ‘ib qilishdan manfaatdor o‘qituvchilar guruhini aniqlash va shakllantirishga olib keldi;
Vladimir Valentinovich Voevodin kabi yorqin xarizmatik liderning mavjudligi - fizika-matematika fanlari doktori, professor, Rossiya Fanlar akademiyasining muxbir a'zosi, Moskva davlat universiteti tadqiqot-hisoblash markazi direktorining o'rinbosari;
Intelning Rossiya vakolatxonasi va Intelning strategik rivojlanish bo'yicha menejeri Igor Olegovich Odintsov tomonidan qiziqish va qo'llab-quvvatlash (shu jumladan moddiy yordam).
“Superkompyuter” yondashuvining kamchiligi shundaki, u parallel hisoblash mavzusini toraytiradi. Superkompyuterlarning o'zlari odatda maktab o'quvchilari uchun mavjud emas (katta shaharlarda siz ularga ekskursiyada qarashingiz mumkin bo'lganidan tashqari). Ular yo'naltirilgan vazifalar maktab o'quvchilari uchun juda murakkab va ko'p hollarda bevosita amaliy ahamiyatga ega emas va amaliy qiziqish uyg'otmaydi.
Superkompyuter mavzularining tabiiy kengayishi parallel dasturlashni o'rganishdir. Hozirgi vaqtda parallel dasturlarni bajarish uchun superkompyuter bo'lishi shart emas. Ko'p yadroli protsessor yoki grafik tezlatgichlar to'plamiga ega video karta etarli. Va bu deyarli hamma uchun mavjud. Bu yo‘nalishdagi ishlar qatorida M.A.ning nomzodlik dissertatsiyasini qayd etamiz. Sokolovskaya bo'lajak informatika o'qituvchilariga parallel dasturlash asoslarini o'rgatish metodikasi va E.Yu. Kiseleva maktab o'quvchilari tomonidan CUDA texnologiyasini ishlab chiqish bo'yicha.
Ushbu maqola muallifining fikriga ko'ra, spuerkompyuterlar va parallel dasturlashga e'tibor qaratish parallel hisoblash mavzusini sezilarli darajada yomonlashtiradi va murakkablashtiradi, talabalarni ko'plab muhim va mavjud masalalardan chalg'itadi. Mavzuning maqsadi "parallel
"O'rta maktabda hisoblash" haqiqiy "parallel dasturlashni o'rgatish" emas (tegishli til konstruktsiyalarini, dasturlash tillari va texnologiyalarini o'rganish), balki o'quvchilarni mos keladigan tushunchalar to'plami bilan tanishtirish va parallel ishlashning xususiyatlarini tushunishdir. Atrofimizdagi va ichimizdagi dunyo murakkab parallel tizimdir. Va bu tizimning o'zi parallelizm tushunchalari va mexanizmlarini o'zlashtirish uchun juda ko'p materiallarni beradi. Buning uchun MPI va OpenMP texnologiyalari kabi murakkab sun'iy konstruktsiyalar kerak emas. Maktab kompyuter fanlari parallel fikrlashni rivojlantirishi kerak. Va keyin universitet bu fikrlashda kasbiy bilim, ko'nikma va qobiliyatlarni qo'ysin. Maktabda superkompyuterlar bilan tanishish va parallel dasturlashni o'rganish emas, balki hayotda doimiy va keng qo'llaniladigan "qo'shma faoliyat" mexanizmlarini o'zlashtirishni ta'kidlash mantiqan. Kurs sizni quyidagi savollarni aks ettirishga taklif qiladi:
1) Bir nechta ijrochilarning hamkorligi (bir nechta ekskavatorlar tomonidan ariq qazish) va bir nechta ishlov berish moslamalari mavjudligida bir ijrochining "ichida" parallellashtirish (men olma o'qiyman va yeyman). Kompyuter fanida bu ko'p mashinali kompleks va ko'p yadroli protsessor bo'ladi.
2) Parallelizm turlari: haqiqiy parallellik va psevdoparallelizm (bitta protsessor bir nechta dasturlarni qismlarga bo'lib bajaradi).
3) Bir turdagi (ekskavatorlar) va har xil turdagi (tank ekipaji) ijrochilar.
4) Bir turdagi va har xil turdagi asarlar.
5) "Ijrochilar - ish" nisbati: 1 ta bajaruvchi - 1 ta ish, 1 ta bajaruvchi - N ish (pseudoparallel bajarish yoki turli ishlar uchun bir nechta ishlov berish moslamalari mavjudligida haqiqiy parallellik), N ta bajaruvchi - 1 ta ish, N ta bajaruvchi - N ish joyi.
6) Ijrochilar faoliyatini muvofiqlashtirish. Tasdiqlash turlari: ish qismlari bo'yicha, vaqt bo'yicha, faoliyat natijalari bo'yicha, resurslar bo'yicha.
7) Resurslar. Resurslar umumiy va umumiy bo'lmagan, iste'mol qilinadigan va qayta foydalanish mumkin. Iste'mol qilingan resurslardan foydalanish (keng ma'noda "axlat yig'ish").
8) Xuddi shu asarni bir ijrochi va bir guruh ijrochilar tomonidan bajarish. Ish tezligining ijrochilar soniga bog'liqligi. Ish narxining ijrochilar soniga bog'liqligi. Ijrochilar sonining ko'payishi bilan ish tezligining chiziqli bo'lmagan o'sishi. Kritik yo'l. Ijrochilarning optimal soni. Ijrochilarni optimal yuklash. Optimal protsedura. Yukni muvozanatlash.
9) Ijrochilarning resurslar uchun raqobati. Bloklash. Clinch (o'lik nuqta).
10) Ijrochilarning harakatlarini muvofiqlashtirish mexanizmlari.
11) Kompyuterda jarayonlarning psevdoparallel bajarilishi (bitta resurs - protsessorning bajarilish jarayonlarini ajratish).
12) Algoritmlarning parallellashtirishga mosligi. Mumkin bo'lgan parallelizatsiya darajasi. Parallellashtirib bo'lmaydigan algoritmlarning mavjudligi.
E'tibor bering, yuqoridagi ro'yxat maqola muallifining shaxsiy fikrini ifodalaydi va muhokama, qo'shimchalar va tuzatishlar uchun ochiqdir. Qolaversa, muallifning fikricha, “superkompyuterlar hamjamiyati” maktab uchun “ijtimoiy buyurtma”ni: maktab bitiruvchilarida qanday bilim, ko‘nikma va malakalarni ko‘rishni xohlashini shakllantirish juda foydali bo‘lar edi. “Superkompyuter olami” maktabi bitiruvchisi bugungi bitiruvchidan nimasi bilan farq qilishi kerak? Buyurtma bo'lsa, natija bo'ladi. Yangi misol. Rossiya Superkompyuter kunlari-2015 ning birinchi kunida ikkita hisobotda zamonaviy superkompyuterlarning tezligi protsessorlarning kuchi (jamoatchilik diqqat markazida) emas, balki operativ xotira tezligi bilan belgilanadi degan fikr yangradi. Aynan u to'siq bo'lib qoladi, uning o'tkazuvchanligi butun tizimning unumdorligini belgilaydi. Natijada anjumanning ikkinchi kunida o‘qituvchining mahorat darsi ishtirokchilari ushbu maqola muallifi tomonidan ixtiro qilingan markaziy protsessor, operativ xotira va kesh xotiraning o‘zaro ta’sirini ko‘rsatadigan o‘yinni o‘tkazdilar. Materialni taqdim etish tartibi va shakli ochiq savoldir.
Materialni kompyuterning ishlashi bilan bog'liq bo'lmagan misollar bilan ko'rsatish kerak. Ijrochilar moddiy ob'ektlarni manipulyatsiya qilishlari kerak.
Mashg'ulotlarning imkon qadar ko'p qismi biznes (tashkiliy va faoliyat) o'yinlari xarakterida bo'lishi kerak.
Ushbu talablarni bajarish o'rganilayotgan materialni tushunishni osonlashtiradi. Bu maktabda informatika darslarida (jumladan, boshlang'ich!) Ushbu metodologiyadan foydalanganda ham, kattalarni o'qitishda ham foydali bo'ladi: informatika o'qituvchilari va talabalar. Maktab o'quvchisi, maktab o'qituvchisi, asosiy bo'lmagan mutaxassislik talabasi tanishish va tushunish darajasida to'xtashi mumkin. Kasbiy talaba keyingi qadamni qo'yishi va bu mexanizmlarni kasbiy darajada o'rganish uchun tanishishdan o'tishi kerak. Ammo bu allaqachon mavzu bilan dastlabki tanishish usulidan tashqarida bir qadamdir.
Ushbu maqola muallifi 2013 yilda TRIZformashka-2013 tanloviga tayyorgarlik ko'rish davrida parallel hisoblashlarni o'rganish metodologiyasini tayyorlash bo'yicha ishni boshlagan va keyingi yillarda ham davom ettirgan.
(“TRIZformashka” – informatika, tizimli tahlil va TRIZ boʻyicha mintaqalararo internet tanlovi. U har yili mart oyining ikkinchi yarmida oʻtkaziladi. Ishtirokchilarning yoshi 1-sinfdan 4-kursgacha. Geografiya Vladivostokdan Rigagacha. Ishtirokchilarning o'rtacha soni - 100 ta jamoa (300 kishi .), maksimal - 202 jamoa (600 dan ortiq kishi.) Tanlovning veb-sayti www.trizformashka.ru.) Keyin, 2013 yilda ishning maqsadi shakllantirildi. quyidagicha:
1. Ikki-uch yil ichida ijrochilarning tavsifini, parallel hisoblash bilan bog'liq o'yinlar va vazifalar to'plamini tayyorlang;
2. Ularni (qisman, har yili) tanlov ishtirokchilariga taklif qilish;
3. Ularning reaktsiyasini tahlil qiling (uni hal qilganlar sonini, ularning yoshini, yechimning muvaffaqiyatini, tipik xatolarni, muammolarni shakllantirishda aniqlangan noaniqliklarni va boshqalarni taxmin qiling). TRIZformashka tanlovi vazifalarni tuzatish uchun qulay vosita bo'lib chiqdi, chunki
barcha yoshdagi (I sinfdan IV sinfgacha), turli mintaqalardan, turli ta'lim muassasalaridan reaktsiya olish imkonini berdi.
O‘tgan yillar davomida ularni sinovdan o‘tkazish uchun quyidagi uslubiy vositalar va platformalar tayyorlandi.
1. 2013 yildan boshlab parallelizm bo'yicha vazifalar TRIZformashka tanloviga kiritilgan (2013 yildan boshlab tanlovda "Parallel hisoblash" subtitrlari mavjud). Ish turlari ro'yxati quyida ko'rsatilgan;
2. 4-sinf informatika darsligining yangi tahriri uchun parallellik bobi tayyorlandi. Material Perm shahridagi 10-sonli litseyning 3 va 4-sinflarida sinovdan o'tkazildi;
3. "Tank ekipaji" kompyuter o'yini ishlab chiqilgan va 2014 yildan beri TRIZformashka tanlovida qo'llanilmoqda;
4. Bir qator o'yinlar ishlab chiqilgan va sinovdan o'tgan bo'lib, ularda quyidagi masalalar o'z aksini topgan:
Ijrochilar faoliyatini muvofiqlashtirish. Har xil turdagi muvofiqlashtirish;
Bitta ijrochi va bir guruh ijrochilar tomonidan bir ishni bajarish. Ish tezligining ijrochilar soniga bog'liqligi. Ijrochilar sonining ko'payishi bilan ish tezligining chiziqli bo'lmagan o'sishi. Kritik yo'l. Ijrochilarning optimal soni. Ijrochilarni optimal yuklash. Optimal harakat tartibi;
Resurslar. Umumiy va umumiy bo'lmagan resurslar;
Ijrochilarning resurslar uchun raqobati. Bloklash. Clinch (o'lik nuqta). Quyidagi turdagi muammolar taklif qilindi va sinovdan o'tkazildi:
1. Tasdiqlash turlari bo`yicha topshiriqlar. (Maktab oshxonasida qanday muvofiqlashtirish turlari mavjud?);
2. "Tank ekipaji" o'yini. Parallel algoritm qurish vazifasi;
3. Pudratchi "Qurilish". Shu bilan birga, bir vaqtning o'zida ishlaydigan jamoalar gorizontal va vertikal nurlardan strukturani qurishadi. Vazifalar ko'rsatilgan algoritmni bajarish, yangi algoritmni ishlab chiqish, berilgan algoritmdagi xatolarni topish, algoritmlarni tadqiq qilish (turli algoritmlardan foydalangan holda qurilish vaqtlarini solishtirish, qurilish xarajatlarini taqqoslash, mehnatni qayta taqsimlash orqali tejash imkoniyatini baholash va boshqalar) vazifalarini o'z ichiga oladi. ;
4. Resurslar uchun raqobat. Uchta cho'chqaning har biri o'z kechki ovqatini tayyorlamoqda. Har bir cho'chqa uchun u qanday idishlarni pishiradi, buning uchun qanday resurslar (uskunalar, idishlar va boshqalar) kerakligi va bu resurslardan qancha vaqt foydalanish kerakligi ko'rsatiladi. Har bir cho'chqa uchun ish jadvalini tuzish talab qilinadi, agar u oshxonada yolg'iz ovqat pishirsa, agar ular juft bo'lib pishirsa, uchtasini birdan pishirsa. Pishirish vaqtini minimallashtirish kerak;
5. Tarmoq jadvali. Tarmoq diagrammasi berilgan. Quriladigan inshootni tasvirlash (sxematik tarzda) talab qilinadi, ma'lum miqdordagi brigadalar bilan qurilishga necha kun kerak bo'ladi, ishning qaysi qismi ma'lum bir vaqtga qadar tugallanadi;
6. Qatlamli-parallel shakllar. Turli mezonlar bo'yicha ishni rejalashtirish. Ish topshirig'i, xodimlarning unumdorligi, to'lov qoidalarini hisobga olgan holda. Belgilangan vaqtda ishni bajarish uchun zarur bo'lgan ishchilar sonini aniqlash, ma'lum miqdordagi ishchilar uchun ishning davomiyligini aniqlash, ishning narxini minimallashtirish uchun zarur bo'lgan ishchilar sonini aniqlash talab etiladi;
7. Gantt diagrammalari. Matnda ustaxonani rekonstruksiya qilish bo'yicha ish rejasi tasvirlangan: ishchilar tomonidan talab qilinadigan harakatlarning davomiyligi va o'zaro ketma-ketligi. Ob'ektni tugatish muddatini, ishchi kuchidagi muayyan o'zgarishlarning oxirgi muddatini o'zgartirishni, ma'lum bir sanaga jalb qilingan ishchilar ro'yxatini aniqlash talab qilinadi.
8. Takroriy ishlarni muvofiqlashtirish. Har bir qurilma turli xil uskunalarda qayta ishlanishi kerak bo'lsa, har xil ko'rsatkichlarga ega bo'lgan har xil miqdordagi jihozlar mavjud bo'lsa, eng qisqa vaqt ichida qurilmalar partiyasini yaratish topshirilsin. Har bir uskunani ishga tushirish va ishlash vaqtini rejalashtirish, ishlamay qolish vaqtini minimallashtirish talab qilinadi.
Bugun bizda quyidagi natijalar mavjud:
1. "Paralel hisoblash" mavzusini o'rganishga yondashuv shakllantirildi: informatika muammolaridan emas, balki "hayotdan", "birgalikda faoliyat" ga e'tibor qaratish;
2. Parallel hisoblash bo'yicha boshlang'ich kursda aks ettirilishi taklif qilingan savollar ro'yxati shakllantirildi;
3. Muammolarning ayrim sinflari tuzilgan. To'plangan tajribaga asoslanib, qanday vazifalarni ixtiro qilish kerakligini baholash mumkin;
4. Nomlangan sinflar uchun topshiriqlar jamlanmasi tayyorlandi. Muammolar 2013, 2014, 2015 yillardagi TRIZformashka tanlovlarida sinovdan o'tkazildi. va / yoki boshlang'ich maktabda (Perm shahridagi 10-sonli litseyning uchinchi va to'rtinchi sinf o'quvchilari bilan sinfda);
5. Ishbilarmonlik o'yinlari to'plami tayyorlandi. O'yinlar boshlang'ich sinflarda va o'qituvchilarning bir qator tadbirlarida sinovdan o'tkazildi. Xususan, ular 2014 yilda VMK Moskva davlat universiteti Yozgi superkompyuter akademiyasining maktab trekida, Rossiya Superkompyuter kunlari-2015 o'qituvchilari uchun mahorat darsida va boshqa bir qancha konferentsiyalarda (jumladan, IT-Ta'lim-konferentsiyasida) taqdim etilgan. APKIT uyushmasining 2015 yil) va informatika o'qituvchilari uchun boshqa tadbirlar;
6. 4-sinf darsligi uchun parallelizm bo‘yicha matnlar to‘plami tayyorlandi. Matnlar Perm shahridagi №10 litseyda sinovdan o'tkazildi;
7. “Tank ekipaji” kompyuter o‘yini tayyorlandi. O'yin 2014 va 2015 yillarda TRIZformashka musobaqalarida sinovdan o'tkazildi;
8. TRIZformashka tanlovi sinov maydonchasi sifatida o'zini namoyon qildi;
9. Algoritmlarni o'rganish jarayonida "kasting" vazifasi shakllantirilgan: ketma-ket algoritmni parallelning bir qismi sifatida taqdim etgan holda bir vaqtning o'zida parallel dasturlashni o'rgatish. Bu g'oyani qanday amalga oshirish mumkinligi haqida fikrlar mavjud. Bu g‘oyalarni joriy o‘quv yilida sinab ko‘rish imkoniyati mavjud (4-5-sinf o‘quvchilari uchun);
10. Ishni davom ettirishga ehtiyoj, xohish va imkoniyat bor.
Adabiyot
1. Algoritmika: 5-7 sinflar: Umumiy ta’lim uchun darslik va masala. ta'lim muassasalari / A.K. Zvonkin, A.G. Kulakov, S.K. Lando, A.L. Semenov, A.X. Shen. - M .: Bustard, 1996 yil.
2. Bosova L.L. Boshlang'ich va o'rta maktablarda parallel algoritmlar. // Maktabda informatika. 2015 yil, № 2. S.24-27.
3. Voevodin V.V. Hisoblash matematikasi va algoritmlar tuzilishi: Parallel arxitekturadagi hisoblash tizimlarida muammolarni yechish nima uchun qiyinligi va qo'shimcha ravishda nimani bilishingiz kerakligi haqida 10 ta ma'ruza. ushbu qiyinchiliklarni muvaffaqiyatli yengib o'tish uchun: o'quv qo'llanma. M .: Moskva davlat universiteti nashriyoti 2010 yil.
4. Gavrilova I.V. "Paralel dunyo" ga birinchi sayohat. // Maktabda informatika. 2015 yil, № 6. 16-19-betlar.
5. Diter M.L., Plaksin M.A. Maktab informatika fanida parallel hisoblash. "Qurilish" o'yini. // Maktabda informatika: o'tmish, hozirgi va kelajak .: Butunrossiya materiallari. ilmiy usul. konf. Ta'limda AKTni qo'llash bo'yicha, 2014 yil 6-7 fevral / Perm. davlat nat. tadqiqot un-t. - Perm, 2014. - 258-261-betlar.
6. Ivanova N.G., Plaksin M.A., Rusakova O.L. TRIformashka. //Kompyuter fanlari. N05 Olingan 10.10.2015.
14. Plaksin M.A. Informatika: 4-sinf uchun darslik: 2 soat / M.A.Plaksin, N. G. Ivanova, O. L. Rusakova. - M .: BINOM. Bilimlar laboratoriyasi, 2012 yil.
15. Plaksin M.A. O'rta maktabda parallel hisoblash bilan dastlabki tanishish usuli haqida. // Maktabda informatika: o'tmish, hozirgi va kelajak .: Butunrossiya materiallari. ilmiy usul. konf. Ta'limda AKTni qo'llash bo'yicha, 2014 yil 6-7 fevral / Perm. davlat nat. tadqiqot un-t. - Perm, 2014 .-- 256-258-betlar.
16. Plaksin M.A. Boshlang'ich maktabda parallel hisoblashni o'rganish uchun biznes o'yinlari to'plami. // Rossiya Federatsiyasida axborot texnologiyalarini o'qitish: "IT-Ta'lim-2015" O'n uchinchi Ochiq Butunrossiya konferentsiyasi materiallari (Perm, 2015 yil 14-15 may). Perm davlat milliy tadqiqot universiteti, - Perm, 2015.S. 60-62.
17. Plaksin M.A., Ivanova N.G., Rusakova O.L. "TRIZformashka" tanlovida parallel hisoblash bilan tanishish uchun vazifalar to'plami. // Rossiya Federatsiyasida axborot texnologiyalarini o'qitish: "IT-Ta'lim-2015" O'n uchinchi Butunrossiya ochiq konferentsiyasi materiallari (Perm, 2015 yil 14-15 may). Perm davlat milliy tadqiqot universiteti, - Perm, 2015.S. 232-234.
18. Sokolovskaya M.A. Bo'lajak informatika o'qituvchilari uchun parallel dasturlash asoslarini o'qitishning uslubiy tizimi .: muallif. dis. ... Cand. ped. Fanlar, Krasnoyarsk, 2012 yil.
Izoh: Ta'limni o'zgartiradigan narsa, fanlar kesishmasida parallel hisoblash, ketma-ket hisoblashlar rivojlanish muammolarini maskalash, muammolarni samarali hal qilishni o'rganish zarurati, ko'p qiyinchiliklarning sababi algoritmlar tuzilishini bilmaslik, vaziyatni o'zgartirishning mumkin bo'lgan usullari.
Ma’lumki, parallel arxitekturaning hisoblash texnologiyasini, ayniqsa, yosh mutaxassislar tomonidan o‘zlashtirilishi katta qiyinchiliklar bilan davom etmoqda. Bizning fikrimizcha, bu parallel hisoblashlar bilan tanishish, umuman, bu sohada ta'limni nimadan boshlash kerakligidan boshlanmasligi bilan bog'liq. Bundan tashqari, nimadan boshlash kerakligi hech qanday kurslarda umuman yoritilgan.
Parallel arxitekturadagi kompyuterlardagi muammolarni tezda hal qilish qobiliyati foydalanuvchilarni kompyuterlar bilan o'zaro ishlashning barcha tanish uslubini o'zgartirishga majbur qiladi. Masalan, shaxsiy kompyuterlar va ish stantsiyalari bilan taqqoslaganda, deyarli hamma narsa o'zgaradi: boshqa dasturlash tillari qo'llaniladi, ko'pchilik algoritmlar o'zgartiriladi, foydalanuvchilar hal qilinayotgan muammolarning ko'plab nostandart va olish qiyin bo'lgan xususiyatlarini taqdim etishlari kerak. , interfeys do'stona bo'lishni to'xtatadi va hokazo. Yangi ish sharoitlarini hisobga olishning to'liq emasligi yangi va bundan tashqari, juda qimmat uskunalardan foydalanish samaradorligini sezilarli darajada kamaytirishi muhimdir.
Shuni ta'kidlash kerakki, parallel hisoblashlarning rivojlanishi bilan bog'liq qiyinchiliklarning umumiy tabiati, umuman olganda, ketma-ket hisoblashlar davridagi kabi ko'rinadi. Faqat parallel hisob-kitoblar uchun barcha qiyinchiliklar yanada keskin shaklda namoyon bo'ladi. Ko'p jihatdan ning murakkabligi tufayli mavzu maydoni... Ammo, ehtimol, asosan, parallel arxitekturaning hisoblash tizimlarini yirik amaliy muammolarni hal qilish amaliyotiga faol joriy etish boshlanishi bilan zarur nazariy asos yaratilmaganligi va tadqiqotning matematik apparati ishlab chiqilmaganligi sababli. Oxir-oqibat, shu sababli, parallel hisoblash sohasidagi butun o'quv tsikli o'z vaqtida tayyorlanmagan bo'lib chiqdi, uning aks-sadolari hali ham aniq. Demak, zamonaviy kompyuter texnologiyalarini o'zlashtirishdagi ko'plab qiyinchiliklar, zarur mutaxassislarni tayyorlashdagi kamchiliklar va boshqa ko'p narsalarni tushunmaslik mavjud.
Parallel hisoblash ta'limi uchta fanga asoslanadi: hisoblash arxitekturasi, dasturlash va hisoblash matematikasi. Agar siz tegishli kurslarning mazmunini sinchkovlik bilan tahlil qilsangiz, muqarrar shunday xulosaga kelasiz: nafaqat alohida, balki barchasi birgalikda, ular hozirda asosiy maqsadga erishishni ta'minlamaydi. odatiy maqsadlar - o'rganish samarali parallel arxitekturaning yirik hisoblash tizimlari bo'yicha katta muammolarni hal qilish. Albatta, bu kurslar juda ko'p foydali va kerakli ma'lumotlarni beradi. Biroq, parallel hisoblashning zamonaviy ko'rinishiga ko'ra bilish kerak bo'lgan ko'p narsalar ularda berilmagan. Bu, xususan, katta tizimlardagi yirik muammolarni hal qilishning bir qator eng muhim va hatto fundamental faktlari, usullari va texnologiyalari tadqiqotlari natijasida paydo bo'lganligi bilan bog'liq. bir nechta mavzular tutashgan joyda... Bunday natijalar an'anaviy fanlar doirasidan tashqarida. Shuning uchun, natijada, tegishli kurslarda taqdim etilgan ma'lumotlar bilimlarni shakllantirish uchun etarli emas. yaxlit tizim parallel hisoblash jarayonlarini malakali qurishga qaratilgan bilimlar.
Hisoblash texnologiyasi yoki undan foydalanish bilan bog'liq bo'lgan barcha o'quv kurslarini ikki guruhga bo'lish mumkin. Birinchi guruh asosiy ma'lumotlarni, ikkinchisi - maxsus ma'lumotlarni o'z ichiga oladi. Asosiy ma'lumotlar universal xarakterga ega va kompyuter texnologiyalari turlari bo'yicha yomon tasniflanadi. Ular ketma-ket mashinalar va ketma-ket hisoblashlar haqidagi bilimlar asosida shakllangan va vaqt o'tishi bilan ozgina o'zgargan. Dasturlash kursining bir qismi sifatida asosiy ma'lumotlar birinchi yoki ikkinchi semestrdan, raqamli usullar kursida taxminan uchinchi semestrdan boshlab o'qila boshlaydi. Maxsus kurslar, shu jumladan parallel arxitekturaning hisoblash tizimlari bilan bog'liq kurslar juda kech o'qitila boshlaydi. Qoida tariqasida, ettinchi yoki hatto to'qqizinchi semestrdan oldin emas.
Bir qarashda, hamma narsa mantiqiy ko'rinadi: birinchi navbatda, asosiy ma'lumotlar, keyin esa maxsus ma'lumotlar beriladi. Biroq, amalda, ma'lumotni asosiy va maxsusga bo'lish juda shartli bo'lib chiqadi, chunki faqat quyidagilar muhim: kerakli ma'lumotlarni o'z vaqtida olish mumkinmi yoki bunday imkoniyat yo'qmi va nima? o'rganish uchun taqdim etilgan ma'lumotlar to'plami.
Hisoblash matematikasi uzoq tarixga ega. Ammo uning eng tez rivojlanishi elektron kompyuterlar bilan bog'liq. Ushbu mashinalar o'tkazish uchun vosita sifatida paydo bo'lgan ketma-ket hisob-kitoblar. Intensiv rivojlanish bilan birga, ular bir necha o'n yillar davomida barqaror bo'lib qoldi. Ketma-ket mashinalar uchun ular ancha erta yaratila boshlandi mashinadan mustaqil dasturlash tillari. Matematiklar va dasturiy ta'minot ishlab chiqaruvchilari uchun bunday tillarning paydo bo'lishi jozibali istiqbolni taqdim etdi. Kompyuterlarning tuzilishini o'rganishning hojati yo'q edi, chunki dasturlash tillari matematik tavsiflar tilidan deyarli farq qilmagan. Algoritmlarni ketma-ket mashinalarda amalga oshirish tezligi asosan bajarilgan operatsiyalar soni bilan belgilanadi va deyarli algoritmlarning o'zlari qanday qilib ichki tartibga solinganiga bog'liq emas edi. Shu sababli, algoritmlarni ishlab chiqishda ularning sifatining asosiy maqsadli funktsiyalari - bajarilgan operatsiyalar sonini minimallashtirish va yaxlitlash xatolarining ta'siriga qarshilik ko'rsatish aniq bo'ldi. Ketma-ket texnologiyadagi muammolarni samarali hal qilish uchun algoritmlar haqida boshqa hech qanday ma'lumot kerak emas edi.
Bularning barchasi ko'p yillar davomida nafaqat sonli usullar, balki butun hisoblash matematikasi rivojlanishining asosiy yo'nalishini belgilab berdi. Kompyuter texnologiyalarining rivojlanishiga etarlicha e'tibor berilmaganligi fonida, matematiklar muhim holatni o'z vaqtida payqamadilar: texnologiyadagi miqdoriy o'zgarishlar allaqachon shunday sifatli o'zgarishlarga aylanib bormoqdaki, u bilan ketma-ket tillar yordamida muloqot qilish tez orada imkonsiz bo'lib qolishi kerak. Bu algoritmlar sohasidagi mavjud bilimlar va eng yangi hisoblash texnologiyasidagi muammolarni tezda hal qilish uchun zarur bo'lgan bilimlar o'rtasida jiddiy tafovutga olib keldi. Natijada paydo bo'lgan bo'shliq parallel arxitekturaning zamonaviy hisoblash tizimlarini amaliy rivojlantirishda ko'plab qiyinchiliklarni keltirib chiqaradi.
Endi hisoblash dunyosi, hech bo'lmaganda katta kompyuterlar dunyosi tubdan o'zgardi. Bu parallel bo'ldi. Parallel arxitekturaning hisoblash tizimlarida muammolarni hal qilish vaqti asosan algoritmning ichki tuzilishi nima va uning operatsiyalari qanday tartibda bajarilishiga bog'liq. Parallel tizimlarda tezlashtirilgan amalga oshirish imkoniyati ularda bir vaqtning o'zida algoritmning ba'zi operatsiyalarini bajara oladigan etarlicha ko'p funktsional birliklarga ega bo'lganligi sababli erishiladi. Ammo bu imkoniyatdan foydalanish uchun alohida operatsiyalar orasidagi bog'lanish darajasida algoritm tuzilishiga oid yangi ma'lumotlarni olish kerak. Bundan tashqari, bu ma'lumotlar hisoblash tizimining arxitekturasi haqidagi ma'lumotlarga mos kelishi kerak.
O'quv kurslarida tizimlar arxitekturasini va algoritmlar tuzilishini birgalikda tahlil qilish haqida deyarli hech narsa aytilmagan. Agar hisoblash tizimlarining arxitekturasi va parallel dasturlash hech bo'lmaganda maxsus kurslarda muhokama qilinsa, u holda algoritmlar tuzilmalarini alohida operatsiyalar darajasida muhokama qilish hozirgi vaqtda hech qanday o'quv faniga kiritilmagan. Va bu algoritmlarning tuzilmalari ilmiy adabiyotlarda bir necha o'n yillar davomida muhokama qilinganiga qaramay, parallel arxitekturaning hisoblash texnologiyasidan foydalanish amaliyoti unchalik ham qisqa vaqtga ega emas. Tabiiyki, bundan keyin nima qilish kerakligi haqida savol tug'ildi. Javob allaqachon berilgan, ammo uni takrorlash foydalidir.
Shu paytgacha hisoblash matematiklariga muammolarni matematik jihatdan to‘g‘ri yechish yo‘llari o‘rgatilgan. Endilikda qo'shimcha ravishda zamonaviy kompyuter texnologiyalarida masalalarni samarali yechish usullarini o'rgatish zarur..
Algoritmlar tuzilishi sohasida qanday ma'lumotlarni qo'shimcha ravishda bilish kerakligi berilgan ma'ruzalarda muhokama qilindi. Ushbu materialga asoslanib, siz o'quv kurslarini modernizatsiya qilish uchun turli dasturlarni ishlab chiqishingiz mumkin. parallel hisoblash manfaati uchun... Eng samarali modernizatsiya amalga oshirish bilan bog'liq kelishilgan bir nechta kurslarga o'zgartirishlar. Katta tizimlarda katta muammolarni hal qilishda yuqori malakali mutaxassislarni tayyorlash uchun mo'ljallangan dasturlardan biri quyidagicha ko'rinishi mumkin:

• 
  "Paralel hisoblashga kirish" uch yoki to'rtta ma'ruzaning birinchi yillarida o'qish;
  
• 
  matematikadagi asosiy tsikllar bilan tanishish va parallel hisoblashlar haqidagi dastlabki ma'lumotlarni dasturlash;
  
• 
  har bir algoritmning axborot tuzilishini majburiy tavsiflash bilan raqamli usullar bilan ma'ruza tsiklini sezilarli darajada qayta qurish;
  
• 
  parallel hisoblash bo'yicha seminar tashkil etish;
  
• 
  maxsus kurs o'qish " Parallel tuzilish algoritmlar ";
  
• 
  "Parallel hisoblash" maxsus kursini o'qish.
  

Ushbu dastur qaysidir ma'noda maksimaldir. Biroq, bu juda real. Albatta, uni har bir universitetda to'liq tatbiq etib bo'lmaydi. Ammo uning asosida har bir aniq universitet uchun siz hisoblash fanlari sohasida o'zingizning ta'lim dasturingizni shakllantirishingiz mumkin.
O'quv tsiklining dastlabki ikki nuqtasidan siz ulardan birini yoki ikkalasini birdaniga kiritishingiz mumkin. Bu faqat talaba muhim iloji boricha tez Hisoblash jarayonlarini tashkil qilishning boshqa usullari mavjudligini, nafaqat "operatsiya bo'yicha operatsiya" ketma-ket bajarilishini, bu boshqa usullar eng kuchli zamonaviy hisoblash texnologiyasini yaratishda qo'llanilishini, faqat shunday texnologiya katta sanoat va ilmiy muammolarni hal qilishi mumkinligini bilib oldim. va hokazo. Bu, birinchi navbatda, talabalar e'tiborini iloji boricha tezroq ketma-ket hisoblash falsafasiga tanqidiy munosabatda bo'lish zarurligiga jalb qilish uchun muhimdir. Axir ular maktabda ham, universitetda ham butun ta’lim davomida aynan shu falsafa bilan shug‘ullanishlari kerak. Va aynan shu falsafa parallel arxitektura kompyuterlarida ishlashning o'ziga xos xususiyatlarini tushunishga xalaqit beradi.
Parallel hisoblashlar haqidagi dastlabki ma'lumotlarni dasturlash kursiga kiritish juda o'rinli. Unda siz eng oddiy modelni muhokama qilishingiz mumkin parallel hisoblash tizimi, parallel jarayonlar va ularning xususiyatlari haqida gapiring. Bu yerda hisoblash algoritmlarini tavsiflashning mavhum shaklini kiritish ham foydalidir. Bundan tashqari, uning o'ziga xos mazmunini berish shart emas. Raqamli usullarni o'rganishda bu haqda keyinroq gapirish yaxshiroqdir. Algoritmlarning parallel shakllari va ulardan foydalanish haqida gapirishni boshlashingiz mumkin. Parallel hisoblashlar haqidagi barcha ma'lumotlar, bizning fikrimizcha, dasturlash kursida ikki yoki uchta ma'ruzada taqdim etilishi mumkin. Algoritmlarda parallellikni ko'rsatish uchun yaxshi sinov maydonchasi chiziqli algebra kursidir. Matritsa operatsiyalari va chiziqli algebraik tenglamalar tizimini echish uchun Gauss usuli unda etarlicha erta paydo bo'ladi. Tegishli algoritmlardan foydalanib, hatto "barmoqlarda" ham hisob-kitoblarning parallelligini, tezkor algoritmlarni va boshqa ko'p narsalarni ko'rsatish mumkin. Yangi ma'lumotlarni muhokama qilish uchun jami bittadan ortiq ma'ruza talab etilmaydi.
Parallel hisoblash bilan birinchi tanishuvni juda ko'p tafsilotlar va jiddiy natijalar bilan ortiqcha yuklamang. Ushbu bosqichning asosiy maqsadi faqat ushbu mavzuga qiziqish uyg'otishdir. Hisoblashning parallelligi, parallel shakllar, algoritmlar grafiklari va hisoblash jarayonlarining xarakteristikalari haqida umumiy tushuncha berish kifoya. Agar barcha dastlabki ma’lumotlar “Paralel hisoblashga kirish” bir siklida birlashtirilsa, ularni uch yoki to‘rtta ma’ruzada aytib berish mumkin. Ammo yana bir bor ta'kidlaymiz - bu ma'lumotni talabalarga imkon qadar tezroq etkazish kerak.
Ushbu ma'ruzalar materiallari algoritmlarning grafiklari va ularning parallel shakllarini yaxshi bilish parallel arxitekturaning zamonaviy hisoblash tizimlarida muammolarni hal qilishda duch keladigan muammolarni tushunish uchun qanchalik muhimligini ishonchli tarzda ko'rsatib beradi. Bu haqdagi ma'lumotlarning taqdimoti tabiiy ravishda hisoblash matematikasi kurslariga kiritilgan. Bunday qaror foydasiga asosiy dalil algoritmlarning axborot tuzilishi bilan tavsiflanganligi bilan bog'liq. xuddi shunday taqdimot o'tkaziladigan indeks tizimlari va raqamli usullar. Umuman olganda, mavjud raqamli usullar kursiga siz faqat algoritmlar grafiklari, ular uchun tozalash to'plamlari va bularning barchasidan foydalanish texnologiyasi haqida ma'lumot qo'shishingiz kerak. Albatta, yangilangan kurslarni tayyorlash biroz mehnat talab qiladi. Ammo algoritmlarning tuzilishini to'liq muhokama qilishning hojati yo'q. Buni faqat ularning hisoblash yadrolari uchun qilish kifoya. Algoritmlar va texnologiya grafiklari tushunchasi, ehtimol, kursning boshida taqdim etilishi kerak. Biroq, har bir algoritm uchun grafik va supurishlarni berish maqsadga muvofiqdir. Aytilganlarga qo'shimcha ravishda, shuni ta'kidlaymizki, bir xil raqamli usullar ko'p yillar davomida o'zgarmasdan o'qiladi va ularning tuzilmalari haqida ma'lumot faqat bir marta tayyorlanishi kerak. Va bu ma'lumotlar, albatta, ko'p marta va turli sohalarda qo'llaniladi.
Texnik nuqtai nazardan eng qiyin va eng kamida uslubiy nuqtai nazardan ishlab chiqilgan masalalardan biri parallel hisoblash bo'yicha seminar tashkil etish masalasidir. Albatta, uni amalga oshirish uchun siz parallel arxitektura kompyuter texnologiyasiga ega bo'lishingiz kerak. Ammo ko'pgina universitetlarda bunday uslub uzoq vaqtdan beri mavjud va seminar qanday bo'lishi kerakligi haqida yakuniy fikr hali ham mavjud emas.
Seminarning aniq maqsadlaridan biri sirtda yotadi. Katta muammolarni hal qilish uchun parallel arxitekturaning hisoblash tizimlari yaratilgan. Shunday qilib, seminar davomida siz hech bo'lmaganda ma'lum darajada bunday muammolarni qanday hal qilishni o'rganishingiz kerak. Hamma narsa aniq ko'rinadi. Umumiy dasturlash kursida yoki ba'zi maxsus kurslarda ma'lum tillar yoki parallel dasturlash tizimlari bo'yicha bilim beriladi. Seminar davomida aniq topshiriqlar beriladi. Dasturlar kompilyatsiya qilinadi, kompyuter tizimiga o'tkaziladi va natijalar standart bilan taqqoslanadi. Biroq, bunday oddiy sxemada ham to'siqlar mavjud. Haqiqatan ham, natija qanday? Katta tizimlarda katta muammolarni hal qilishda asosiy qiyinchilik unchalik ko'p emas matematik jihatdan to'g'ri natija qanchalik yutuq kerakli tezlashuv darajasi... Va bu shuni anglatadiki, seminar davomida siz boshqa narsalar qatorida tuzilgan dasturlarning samaradorligini to'g'ri baholashni o'rganishingiz kerak.
Agar ma'lum bir dastur kerakli ishlash xususiyatlarini ko'rsatmasa, unda keyingi harakatlar haqida savol tug'iladi. Bunday vaziyatda siz deyarli har doim algoritmlarning tuzilishini batafsilroq o'rganishni boshlashingiz kerak. Ehtimol, bu algoritmlarning tuzilishini o'rganish bo'lishi kerak ustaxonadagi asosiy havola... Raqamli usullar bo'yicha modernizatsiya qilingan kurslarda algoritmlar tuzilishi bilan tanishish katta yordam beradi. Ammo algoritmlar tuzilishi bilan yaqinroq tanishish foydasiga ko'proq ishonchli dalillar mavjud.
Dalillardan biri hozirgi muammolar bilan bog'liq. So'nggi paytlarda hisoblash amaliyotida taqsimlangan xotiraga ega turli xil multiprotsessorli tizimlar keng qo'llanila boshlandi. Bularga faqat klasterlar emas, balki kompyuterlarning geterogen tarmoqlari, Internet orqali ulangan kompyuterlar tarmoqlari va boshqalar kiradi.Bunday barcha tizimlarda muammo protsessorlar o'rtasida axborot almashinuvidir. Samarali ishlashi uchun har bir protsessor juda ko'p operatsiyalarni bajarishi va boshqa protsessorlar xotirasi bilan ma'lumotlarning nisbatan kichik qismlarini almashishi kerak. Biz ma'ruzalarda aytib o'tgan edikki, bunday hisoblash rejimini ta'minlash uchun algoritm grafigini va kamida ikkita mustaqil tozalashni bilish kifoya. Boshqacha qilib aytganda, siz algoritmlarning tuzilishini bilishingiz kerak.
Yana bir dalil kompyuter texnologiyalari rivojlanishining mumkin bo'lgan istiqbollari bilan bog'liq. Katta muammolarni hal qilish tezligini bugungi kunda oshirish kerak va kelajakda albatta oshirish kerak. Qoida tariqasida, asosiy umidlar tezroq turli xil texnologik yutuqlar asosida yaratish bilan bog'liq universal tizimlari. Ammo uning hisobiga hisoblash texnikasi tezligini oshirish mumkin mutaxassisliklar... Tez furye o'zgartirish algoritmlarini, signallarni qayta ishlashni, matritsa operatsiyalarini va boshqalarni juda tez amalga oshirishni amalga oshiradigan maxsus protsessorlardan foydalanish uzoq vaqtdan beri amalda bo'lgan. Endi tipik tuzilmalar haqidagi gipotezani eslaylik. Agar u to'g'ri bo'lsa, u holda muayyan dastur sohalarida eng ko'p ishlatiladigan algoritmlarni tanlash va ular uchun maxsus protsessorlarni qurish ham mumkin bo'ladi. Bu ma'lum bir masala bo'yicha muammolarni tez va o'ta tezkor hal qilish uchun maxsus hisoblash tizimlarini yaratishga yo'l ochadi. mavzu maydoni.
Algoritmlar strukturasini o‘rganish bilan bog‘liq vazifalarni amaliyotga joriy etishdagi asosiy qiyinchilik, algoritmlarning grafiklarini tuzish va ular asosida turli xil tadqiqotlar o‘tkazish uchun hozirda mavjud va foydalanishga qulay dasturiy ta’minotning yo‘qligi hisoblanadi. Aslida, bunday funktsiyalarni amalga oshiradigan yagona tizim mavjud. Bu Moskva davlat universiteti tadqiqot hisoblash markazida ishlab chiqilgan V-Ray tizimi. Bu turli toifadagi dasturlarga algoritmlarning grafiklarini qurish va ularning parallel tuzilishini o'rganish imkonini beradi. V-Ray tizimi shaxsiy kompyuterda amalga oshiriladi va maqsadli kompyuterga bog'liq emas. Oxirgi holat seminarni tashkil qilish uchun juda muhimdir, chunki kichik vazifalar bilan katta hisoblash tizimlariga tez-tez kirish hatto yaxshi texnik jihozlarga ega bo'lgan universitetlar uchun ham juda real emas. Shaxsiy kompyuterlarda ustaxona vazifalarini o'zlashtirish vaqti deyarli cheksizdir. V-Ray hozirda murakkab tadqiqot tizimidir. Seminarni tashkil qilish uchun uning barcha funktsiyalari kerak emas. Vaqt o'tishi bilan V-Ray tizimi keng qo'llanilishi mumkin bo'ladi. U va uning imkoniyatlari haqida ma'lumot olish mumkin