開展高性能計算課程的教學(xué)探討分析

周舟

摘要：隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，在很大程度上促進了計算機技術(shù)的進步，目前高性能的計算已經(jīng)受到各界的廣泛關(guān)注，這也在一定程度上表明實施高性能計算教學(xué)是非常有必要的。實際在開展教學(xué)的過程中，應(yīng)當根據(jù)高性能計算課程教學(xué)的可行性，提出課程的基本教學(xué)方法，提高學(xué)生的自身能力，從而提升教學(xué)效果及質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：高性能計算；教學(xué)方法；并行平臺；操作系統(tǒng)

國產(chǎn)CPU的應(yīng)用預(yù)示著高性能計算機的成本將進一步的降低，從而為高性能計算在各領(lǐng)域和更多單位更廣泛應(yīng)用創(chuàng)造了條件。隨著越來越多的高性能計算系統(tǒng)的使用，人們不得不去了解并掌握高性能計算方法，才能充分并高效的利用計算資源。

一、高性能計算教學(xué)必要性

開展高性能計算教學(xué)工作對國民經(jīng)濟的發(fā)展具有重要的意義，這是因為它在國家建設(shè)和發(fā)展的各個領(lǐng)域中都有廣泛的應(yīng)用。主要的應(yīng)用領(lǐng)域包括：能源勘探，氣象預(yù)報，國防、航空和航天，遙測遙感以及科學(xué)與工程計算等。在國防、航空和航天方面，高性能計算為數(shù)值模擬核技術(shù)創(chuàng)造了條件，為大目標武器系統(tǒng)的研制節(jié)約了研發(fā)成本；科學(xué)與工程計算以計算數(shù)學(xué)與計算物理學(xué)為基礎(chǔ)，解決各類科學(xué)與工程問題，高性能計算在解決諸如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、模擬退火等非線性問題，以及復(fù)雜問題的數(shù)值求解等方面具有廣泛應(yīng)用。此外，其應(yīng)用還涉及遙測遙感生物醫(yī)學(xué)、水利工程汽車和船舶制造股票數(shù)理統(tǒng)計、動畫電影制作、網(wǎng)絡(luò)游戲等。

二、選擇高性能計算教學(xué)平臺

目前，常用的高性能平臺有兩種，一種基于PVM（Parallel Virtual Machine），另一種基于MPI（ Message Passing Interface），它們相對數(shù)據(jù)并行編程（HP列的應(yīng)用更廣泛）。MPI與PVM主要有以下區(qū)別。（1）PVM是一個自含式系統(tǒng)，而MPI需要依靠低層平臺提供的進程管理和I/O功能.（2）MPI對消息傳遞的支持更強大，但不提供進程管理的功能。（3）PVM和MPI正在相互向?qū)Ψ窖葑僊PICH2中增加了進程管理的功能，而PVM也已有了更多的集合通信功能。（4）MPI是一種標準，而PVM不是，這意味著PVM的移植性弱于MPI，而MPI可以不做任何修改的應(yīng)用到所有計算機體系、平臺與操作系統(tǒng)。（5）目前，PVM已經(jīng)停止免費的技術(shù)服務(wù)，而MPI對商業(yè)和科研均是免費。由此可看出，MPI平臺更具優(yōu)勢。因此，在高性能計算教學(xué)過程中選擇提供免費技術(shù)支持和可移植性強的MPI并行平臺。

三、開展教學(xué)的可行性研究

（一）具備一定的語言基礎(chǔ)

從高性能計算平臺的介紹可以看出，高性能計算課程的設(shè)置是在學(xué)生具有一定的C語言或Fortran語言基礎(chǔ)之上進行的，而國內(nèi)幾乎所有高校具有理工科背景的本科生，在一二年級階段都進行了相關(guān)語言的學(xué)習(xí)。因此，在本科高年級階段或者研究生階段進行該課程的設(shè)置是合適。

（二）熟練的操作系統(tǒng)

目前，市場上主流的操作系統(tǒng)是Windows系列和Unix系烈，由于Unix系列代碼是開源的，它為世界上優(yōu)秀的軟件工程師對其進行改良提供了方便，具有較高的系統(tǒng)穩(wěn)定性。目前大多的高性能計算機都是基于Unix操作系統(tǒng)的。但在目前情況下，在操作系統(tǒng)領(lǐng)域完全拋開Windows系列是不可能的，國內(nèi)操作系統(tǒng)的教育也主要是基于微軟的視窗系統(tǒng)，大多數(shù)的學(xué)生已經(jīng)習(xí)慣了友好的視窗界面，對于Unix系統(tǒng)的命令行式操作往往是無所適從。上面我們提到，MPI平臺的并行程序具有很強的移植性，它不依賴所使用的操作系統(tǒng)，也就是說編寫成功的并行MPI程序，可以不作任何修改的應(yīng)用與Unix和Windows系列的操作系統(tǒng)。

（三）組網(wǎng)連接

同時由于目前能提供高性能計算系統(tǒng)的教學(xué)單位尚屬少數(shù)，因此可以把基本普及的PC機進行組網(wǎng)，并在組建的PC機群上進行模擬操作。為了學(xué)生能適應(yīng)未來工作的需要，還可以在視窗系統(tǒng)下虛擬一個或多個Unix系統(tǒng)，初步了解基于命令行的操作技巧，了解操作Unix系統(tǒng)經(jīng)常使用的幾個編寫、編譯和運行程序的命令。高性能計算教學(xué)的可行基本模式如圖所示。

四、教學(xué)方法及需要注意的事項要點

（一）教學(xué)方法

實際教學(xué)中采用的方法首要的問題是要結(jié)合實際應(yīng)用。因此，首先讓學(xué)生掌握如何組建基于PC機群的計算網(wǎng)絡(luò)，如工作組或域的創(chuàng)建，網(wǎng)絡(luò)權(quán)限的配置等，這可在計算機實驗室來完成；其次是基于Windows和Unix操作系統(tǒng)，了解并掌握MPI平臺的安裝、配置和使用過程，這可以通過電教方式在計算機實驗室現(xiàn)場操作。與此同時，每個學(xué)生在各自PC上按流程進行相應(yīng)操作；再次，高性能計算課程的學(xué)習(xí)如其它計算機語言一樣，除需要了解一定的基礎(chǔ)知識外，還需要有高性能程序的編寫、編譯和運行等相關(guān)實戰(zhàn)演練，才能達到理論聯(lián)系實際的效果。

（二）教學(xué)中要注意的問題

高性能計算課程教學(xué)的內(nèi)容包括很多方面，除了并行機的分類、消息傳遞模式、基本的并行庫接口函數(shù)、并行程序設(shè)計模式等知識外，還包括高性能計算的中級提高和高級應(yīng)用，但是全面講授高性能計算的知識是不可能的。高性能計算教學(xué)就如其它計算機語言的教學(xué)一樣，主要目的是為了使學(xué)生對它進行掌握并應(yīng)用。

（三）教學(xué)要點

首要的教學(xué)要點是計算網(wǎng)絡(luò)的組建和高性能計算平臺的搭建；在高性能計算的基礎(chǔ)知識方面，幾個基本的并行庫接口函數(shù)是必須掌握的內(nèi)容，它們構(gòu)成了高性能計算程序設(shè)計的基礎(chǔ)；在程序的設(shè)計方面，使學(xué)生掌握針對耗時最長的計算部分進行任務(wù)分割，并進行各處理器間的任務(wù)協(xié)調(diào)；通過高性能程序的分析與設(shè)計，要學(xué)生體會高性能程序的設(shè)計理念。

（四）加強校企合作

高性能計算環(huán)境建設(shè)中，要實現(xiàn)軟件建設(shè)和硬件建設(shè)并重，加強校企合作，加大自主軟件的開發(fā)和集成力度，使高性能計算環(huán)境真正發(fā)揮應(yīng)有的作用。在高性能環(huán)境的軟件建設(shè)方面，學(xué)校的投入還需要增加，給其以持續(xù)不斷的支持。

五、結(jié)束語

綜上所述，隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，對各行業(yè)的技術(shù)要求也在不斷的提高。目前我國經(jīng)濟在發(fā)展及安全保障的過程中，廣泛應(yīng)用了高性能計算，這也對高性能計算人才的需求也十分龐大，因此廣泛開展高性能計算課程的教學(xué)工作具有重要的實用意義與價值。

參考文獻：

[1]林皎，張武生，徐偉平，等.百萬億次集群機的建設(shè)和部署[J].實驗室研究與探索，2013，32（6）：188-190.

[2]李惠歡，楊敏，吳汝明.基于TORQUE的高性能計算平臺記賬系統(tǒng)[J].計算機應(yīng)用與軟件，2016（8）：126-130.