High Performance Computing
Laurea in Ingegneria e Scienze Informatiche, Università di Bologna, 2019/2020

Avvisi

Questa è la pagina dell'edizione 2019/2020 del corso. La pagina della nuova edizione 2020/2021 è disponibile qui.

2/6/2020: Per chi deve ancora consegnare il progetto: non è necessario includere i file di input forniti con il codice seriale. Sono molto voluminosi e rendono l'invio difficoltoso (oltre a essere superflui, dato che ne ho già una copia)
19/5/2020: Nota sull'accesso al server: i tecnici hanno cambiato l'indirizzo IP del frontend si-alfa.csr.unibo.it nei giorni scorsi. In caso di difficoltà a collegarsi può essere necessario eliminare le vecchie credenziali del frontend dalla propria configurazione di ssh (su sistemi Linux sono nel file .ssh/known_hosts e si possono rimuovere eseguendo il comando ssh-keygen -R si-alfa.csr.unibo.it; potrebbe essere necessario dare il comando più volte).
14/5/2020: Sono disponibili le date degli appelli d'esame della sessione estiva (giugno/luglio 2020); la prova si svolgerà online. È possibile iscriversi tramite AlmaEsami. Nota: vista la situazione emergenziale, se il numero di iscritti lo consentirà la prova scritta potrebbe essere convertita in un colloquio orale.
11/2/2020: I voti della prova scritta del 6/2/2020 sono disponibili su AlmaEsami. I dettagli dei punteggi assegnati ad ogni esercizio, e alcuni commenti generali sono consultabili qui. Ricordo che ai fini del calcolo della media, 30L ha peso 30, ma l'eventuale lode potrà essere usata per assegnare la lode come voto finale.
7/2/2020: Doit-Systems, azienda che opera nel settore HPC, propone stage/tirocini a Maranello (sono previsti incentivi per chi si deve spostare); chi fosse interessato mi contatti.
18/1/2020: I voti della prova scritta del 14/1/2020 sono disponibili su AlmaEsami. I dettagli dei punteggi assegnati ad ogni esercizio, e alcuni commenti generali sono consultabili qui. Ricordo che ai fini del calcolo della media, 30L ha peso 30, ma l'eventuale lode potrà essere usata per assegnare la lode come voto finale.
27/11/2019: Per chi fosse interessato: alcune aziende attive in ambito HPC (in nessun ordine particolare): Doit-Systems, E4 Computer Engineering, CINECA (divisione supercalcolo), ENI, HPE (Hewlett Packard Enterprise), Eurotech, ECMWF (European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, il nuovo datacenter è a Bologna), ...
27/11/2019: Ultima lezione del corso.
12/11/2019: Ricordo che il laboratorio di domani mercoledì 13 novembre terminerà alle ore 16:00
27/10/2019: Sono disponibili le date degli appelli d'esame (scritti) della sessione invernale (gennaio/febbraio 2020). È possibile iscriversi tramite AlmaEsami.
7/9/2019: Slide di presentazione del corso.

Questa è la pagina del corso di High Performance Computing, corso di laurea in Ingegneria e Scienze Informatiche, AA 2019/2020, Università di Bologna (campus di Cesena). Il corso fornisce agli studenti le conoscenze teoriche e pratiche necessarie per progettare, implementare e analizzare programmi paralleli su architetture a memoria condivisa e distribuita. In particolare, durante il corso gli studenti impareranno a realizzare programmi paralleli usando OpenMP, MPI e CUDA/C.

Prerequisiti: Questo corso richiede una buona conoscenza della programmazione in linguaggio C, e delle architetture dei calcolatori (a livello di quanto presentato nel corso di architettura dei calcolatori). Lavoreremo in ambiente Linux utilizzando prevalentemente software libero (compilatore GCC, libreria Open MPI; per la programmazione CUDA useremo il software proprietario NVIDIA, dato che al momento mancano alternative libere adeguate). È quindi auspicabile avere già acquisito confidenza con l'ambiente Unix/Linux e i suoi strumenti di sviluppo.

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Programma del corso e libri di testo

Programma di massima

Architetture parallele: sistemi a memoria condivisa e distribuita; GPGPU
Pattern per la programmazione parallela: problemi embarassingly parallel; work farm; partitioning; reduce; stencil
Valutazione delle prestazioni di programmi paralleli: speedup, efficienza, scalabilità
Programmazione parallela su architetture a memoria condivisa con OpenMP
Programmazione parallela su architetture a memoria distribuita con MPI
Programmazione di GPU con CUDA/C
Programmazione SIMD; estensioni SIMD dei processori Intel

Testi di riferimento

Peter Pacheco, An Introduction to Parallel Programming, Morgan Kaufmann, 2011, ISBN 978-0123742605

Errori noti del libro, a cura dell'autore.
Buon testo introduttivo sulle architetture parallele e sulla programmazione parallela; di questo libro verranno trattate le parti relative all'introduzione generale sulle architetture, programmazione OpenMP e MPI. Non verrè trattata la parte relativa alla programmazione mediante Pthread. Il libro, purtroppo, non tratta la programmazione di GPU.
CUDA C programming guide

Guida di programmazione CUDA/C, liberamente disponibile sul sito di NVIDIA.

Materiale per approfondimenti

Norm Matloff, Programming on Parallel Machines: GPU, Multicore, Clusters and more, liberamente disponibile online con licenza Creative Commons.
Questo libro è liberamente disponibile online, e copre la maggior parte degli argomenti affrontati a lezione, ossia OpenMP, MPI e CUDA. Si tratta di una bozza ancora in fase di stesura, il che significa che certe parti sono incomplete o mancano del tutto. È comunque molto utile come supporto allo studio del materiale di questo corso.
Georg Hager, Gerhard Wellein, Introduction to High Performance Computing for Scientists and Engineers, CRC Press, 2010, ISBN 9781439811924
Questo libro contiene una parte introduttiva sulle architetture parallele e sullo sviluppo di algoritmi paralleli; prosegue poi con la programmazione OpenMP e MPI. Il libro è ricco di esempi e considerazioni sulle prestazioni di applicazioni parallele; purtroppo non tratta la programmazione di GPU. Il codice di esempio è in C e FORTRAN. Si tratta secondo me di un ottimo volume di approfondimento per chi desideri andare oltre le spiegazioni viste a lezione.
I. Foster. Designing and Building Parallel Programs. Addison-Wesley, 1995, ISBN 978-0201575941

Questo libro è liberamente disponibile online (cliccare sul titolo); il contenuto è un po' datato, ma la parte generale sulle metodologie di programmazione e di valutazione delle prestazioni resta comunque valida.
Jason Sanders, Edward Kandrot, CUDA by Example: An Introduction to General-Purpose GPU Programming, Addison-Wesley, 2010, ISBN 978-0131387683

Questo libro tratta la programmazione delle GPU mediante CUDA. Altre risorse indicate per chi già conosce CUDA e desidera approfondire tecniche efficienti di programmazione, sono GPU Gems 2 e GPU Gems 3 (entrambi disponibili online).
Michael McCool, Arch D. Robison, James Reinders, Structured Parallel Programming, Morgan Kaufmann, 2012, ISBN 978-0-12-415993-8

Contiene una buona introduzione ai pattern per la programmazione parallela. Questo libro è liberamente scaricabile dal sito dell'editore, collegandosi dalla rete di Ateneo.

Guide introduttive alla shell Linux

(per chi non ha seguito il corso di Sistemi Operativi con il prof. Vittorio Ghini)

Tutorial GNU/Linux

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Esame

Per sostenere la prova scritta è obbligatorio iscriversi tramite AlmaEsami. Le liste di iscrizione chiudono alcuni giorni prima per consentire la gestione degli aspetti logistici dell'esame, per cui è necessario iscriversi per tempo. Le date delle prove scritte sono riportate nella tabella seguente:

*Prove scritte di High Performance Computing 2019/2020*
	Sessione invernale (Gennaio-Febbraio 2020)
I	14/1/2020 ore 10:00 aula 2.13 [Dettaglio voti] [Testo con alcuni commenti]
II	6/2/2020 ore 10:00 aula 2.13 [Dettaglio voti] [Testo con alcuni commenti]
	Sessione estiva (Giugno-Luglio 2020)
I	19/6/2020 ore 10:00 online
II	3/7/2020 ore 10:00 online
III	13/7/2020 ore 10:00 online
	Sessione autunnale (Settembre 2020)
I	10/9/2020 ore 10:00 online È obbligatoria l'iscrizione tramite AlmaEsami

Specifiche del progetto per l'AA 2019/2020

Specifiche del progetto [PDF] (consegna entro le ore 23:59 del 30 settembre 2020)

Regole d'esame

L'esame consiste in una prova scritta, della durata di 60 minuti, e un progetto di programmazione su specifiche fornite dal docente.
La prova scritta si compone di quattro domande e/o semplici esercizi, e ha lo scopo di verificare la conoscenza prevalentemente degli aspetti teorici/metodologici del corso. Il voto della prova scritta è espresso in trentesimi (massimo 30).
Sono disponibili alcuni esempi di prove d'esame: primo esempio; secondo esempio; terzo esempio.
Il progetto di programmazione, da svolgere individualmente, ha lo scopo di verificare la padronanza delle tecniche di programmazione parallela illustrate a lezione. Il voto del progetto è espresso in trentesimi (massimo 30).
Il progetto dovrà essere accompagnato da una relazione che descriva e giustifichi le scelte implementative, e illustri le prestazioni e la scalabilità della soluzione proposta.
Le due prove sono indipendenti, e possono essere sostenute in ordine qualsiasi. Ciascuna prova si considera superata con un punteggio di almeno 18/30.
I voti restano validi fino all'ultima sessione d'esame dell'edizione corrente del corso, quindi fino al 30 settembre 2020. Dopo tale data, tutti i voti in sospeso vengono persi, e si ricomincia da capo con la nuova edizione del corso. In particolare, il progetto va tassativamente consegnato entro le 23:59 del 30 settembre 2020.
Il voto finale si calcola come:

VotoFinale = VotoScritto × 0.4 + VotoProgetto × 0.6

arrotondando il risultato all'intero più vicino (xxx.49 viene arrotondato per difetto, xxx.5 viene arrotondato per eccesso). La lode può essere assegnata, a discrezione del docente, in casi di prova scritta e progetto di qualità particolarmente elevata.

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Orario delle lezioni

Tutte le lezioni si svolgeranno presso il nuovo campus universitario di Cesena.

Alcune lezioni potrebbero subire delle variazioni rispetto all'orario; si prega di fare riferimento al calendario delle lezioni che verrà aggiornato di volta in volta.

*Orario del corso di High Performance Computing, AA 2019/2020*
Lunedì	9:00—12:00, Aula 3.7
Mercoledì	14:00—17:00, Lab 2.2

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Lucidi delle lezioni

I lucidi non sono da considerare come sostitutivi né dei testi di riferimento né della frequenza alle lezioni, che costituiscono importanti elementi per una buona preparazione dell'esame; i lucidi messi a disposizione costituiscono soltanto uno schema di parte delle lezioni. Ringrazio chi mi segnalerà eventuali errori.

I lucidi al momento disponibili sono quelli usati l'anno accademico precedente; saranno possibili modifiche durante il corso, specialmente prima delle lezioni.

Salvo dove diversamente indicato, i lucidi delle lezioni sono distribuiti con licenza Creative Commons Attribution-Share Alike 4.0 International (CC BY-SA 4.0).

18/9/2019 ore 14:00 lab 2.2

Introduzione al corso (Pacheco cap. 1)
[ODP] [PDF]

Per approfondire

Herb Sutter, The Free Lunch is Over: A Fundamental Turn Toward Concurrency in Software, Dr. Dobb's Journal, 30(3), March 2005.

23/9/2019 ore 9:00 aula 3.7

Parallel architectures (Pacheco cap. 2 escluso 2.3.3)
[ODP] [PDF]

Per approfondire

Blaise Barney, Introduction to Parallel Computing, Lawrence Livermore National Laboratory
Latency numbers every programmer should know
Introduction to Hyper-Threading technology, Intel
Hyper-Threading Technology Architecture and Microarchitecture (copia locale), Intel Technology Journal vol 6 issue 1, feb 2002, ISSN 1535766X
La Thinking Machines Corporation è stata negli anni '80-'90 una delle più importanti aziende produttirici di supercalcolatori (nonostante questo, l'azienda è fallita nel 1994). In rete si trovano alcuni video promozionali, che risultano molto istruttivi: Connection Machine Applications, e The Connection Machine CM-5.

25/9/2019 ore 14:00 lab 2.2

Performance Evaluation of Parallel Programs (Pacheco cap. 2.6)
[ODP] [PDF]

Per approfondire

Sarah Leon, Mistakes, we've drawn a few: Learning from our errors in data visualisation

30/9/2019 ore 9:00 aula 3.7

Parallel Programming Patterns (McCool et al. cap 3)
[ODP] [PDF]

Per approfondire

Michael McCool, Arch D. Robinson, James Reinders, Structured Parallel Programming, Morgan Kaufmann, 2012, ISBN 978-0-12-415993-8; si veda in particolare il Capitolo 3 (il libro è scaricabile liberamente dalla rete di Ateneo)
Guy L. Blelloch, Prefix Sums and Their Applications

2/10/2019 ore 14:00 lab 2.2

Parallelizing Loops
[ODP] [PDF]

7/10/2019 ore 09:00 aula 3.7

Shared-Memory Programming with OpenMP (Pacheco cap. 5)
[ODP] [PDF]

Per approfondire

OpenMP.org; contiene le specifiche ufficiali di tutte le versioni di OpenMP
Blaise Barney, OpenMP Tutorial, Lawrence Livermore National Laboratory.
I programmi di esempio illustrati a lezione sono disponibili nella sezione codice di esempio

9/10/2019 ore 14:00 lab 2.2

Lab OpenMP
[ODT] [PDF] [ex1-openmp.zip] [possibili soluzioni] [Istruzioni per la connessione al server]

14/10/2019 ore 09:00 aula 3.7

Shared-Memory Programming with OpenMP (cont.)

16/10/2019 ore 14:00 lab 2.2

Lab OpenMP
[ODT] [PDF] [ex2-openmp.zip] [possibili soluzioni]

21/10/2019 ore 09:00 aula 3.7

Distributed-Memory Programming with MPI (Pacheco cap. 3)
[ODP] [PDF]

Per approfondire

Blaise Barney, Message Passing Interface (MPI), Lawrence Livermore National Laboratory.
I programmi di esempio illustrati a lezione sono disponibili nella sezione codice di esempio

23/10/2019 ore 14:00 lab 2.2