Una experiencia de iniciación al paralelismo en segundo curso del Grado de Ingeniería Informática



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Transcripción:

Una experiencia de iniciación al paralelismo en segundo curso del Grado de Ingeniería Informática Manuel E. Acacio, Javier Cuenca, Lorenzo Fernández, Ricardo Fernández-Pascual Departamento de Ingeniería y Tecnología de Computadores Joaquín Cervera, Domingo Giménez Departamento de Informática y Sistemas M. Carmen Garrido, Juan A. Sánchez Laguna Departamento de Ingeniería de la Información y las Comunicaciones José Guillén, Juan Alejandro Palomino Benito, María-Eugenia Requena Centro de Supercomputación, Fundación Parque Científico, Murcia Taller docente, JENUI, Ciudad Real, julio 2012

Contenido 1 Contexto 2 El proyecto 3 Temas de paralelismo 4 Perspectivas

La computación paralela en la actualidad Los sistemas computacionales son paralelos: portátiles, ordenadores de sobremesa, clusters, supercomputadores, GPUs... Pero la computación paralela no está suficientemente incluida en el Grado de Ingeniería Informática, al menos en la Universidad de Murcia Este proyecto Early Adopters (convocados por IEEE TCPP y financiados por Intel) aborda la iniciación al paralelismo en segundo del Grado

La computación paralela en la actualidad Los sistemas computacionales son paralelos: portátiles, ordenadores de sobremesa, clusters, supercomputadores, GPUs... Pero la computación paralela no está suficientemente incluida en el Grado de Ingeniería Informática, al menos en la Universidad de Murcia Este proyecto Early Adopters (convocados por IEEE TCPP y financiados por Intel) aborda la iniciación al paralelismo en segundo del Grado

La computación paralela en la actualidad Los sistemas computacionales son paralelos: portátiles, ordenadores de sobremesa, clusters, supercomputadores, GPUs... Pero la computación paralela no está suficientemente incluida en el Grado de Ingeniería Informática, al menos en la Universidad de Murcia Este proyecto Early Adopters (convocados por IEEE TCPP y financiados por Intel) aborda la iniciación al paralelismo en segundo del Grado

Paralelismo en la Universidad de Murcia En cursos de Arquitectura a partir del tercer cuatrimestre. Conceptos básicos de concurrencia y computación distribuida en el cuarto cuatrimestre. No se estudian aspectos algorítmicos en ningún curso obligatorio. Intensificación en paralelismo en algunas especializaciones, pero no en todas las especializaciones. Los estudiantes de informática en la Universidad de Murcia pueden graduarse sin haber desarrollado y optimizado ningún código paralelo.

Paralelismo en la Universidad de Murcia - proyecto En cuatro asignaturas obligatorias en segundo curso. En dos asignaturas ya se incluía (AEC y PCD). Dos asignaturas incluyen temas de paralelismo por primera vez (ISO y AED). Asignaturas de sistemas y arquitectura (AEC y ISO) y de programación (PCD y AED), con temas de los cuatro aspectos en el curriculum del IEEE TCPP. Participación de tres departamentos y un centro de computación: tratamiento coordinado y uso en prácticas de sistemas computacionales de distintos tipos.

Introducción a los Sistemas Operativos Procesos, Memoria, Ficheros, I/O, Securidad, Shell Scripts, Administración de usuarios, Sistema de ficheros, Copias de seguridad, Monitorización Ampliación de Estructura de Computadores Análisis de prestaciones, Segmentación, Control de dependencias, Asignación estática y dinámica de instrucciones, Organización y prestaciones del sistema de memoria Algoritmos y Estructura de Datos Análisis de algoritmos, Complejidad, Algoritmos de avance rápido, Backtracking, Ramificación y poda, Árboles de juegos, Divide y vencerás, Programación dinámica Programación Concurrente y Distribuida Sistemas de programación débilmente y fuertemente acoplados, Paradigmas de programación en sistemas distribuidos Asignaturas

Introducción a los Sistemas Operativos Procesos, Memoria, Ficheros, I/O, Securidad, Shell Scripts, Administración de usuarios, Sistema de ficheros, Copias de seguridad, Monitorización Ampliación de Estructura de Computadores Análisis de prestaciones, Segmentación, Control de dependencias, Asignación estática y dinámica de instrucciones, Organización y prestaciones del sistema de memoria Algoritmos y Estructura de Datos Análisis de algoritmos, Complejidad, Algoritmos de avance rápido, Backtracking, Ramificación y poda, Árboles de juegos, Divide y vencerás, Programación dinámica Programación Concurrente y Distribuida Sistemas de programación débilmente y fuertemente acoplados, Paradigmas de programación en sistemas distribuidos Asignaturas

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Introducción a los Sistemas Operativos Procesos, Memoria, Ficheros, I/O, Securidad, Shell Scripts, Administración de usuarios, Sistema de ficheros, Copias de seguridad, Monitorización Ampliación de Estructura de Computadores Análisis de prestaciones, Segmentación, Control de dependencias, Asignación estática y dinámica de instrucciones, Organización y prestaciones del sistema de memoria Algoritmos y Estructura de Datos Análisis de algoritmos, Complejidad, Algoritmos de avance rápido, Backtracking, Ramificación y poda, Árboles de juegos, Divide y vencerás, Programación dinámica Programación Concurrente y Distribuida Sistemas de programación débilmente y fuertemente acoplados, Paradigmas de programación en sistemas distribuidos Asignaturas

Organización - actividades Act-1, IOS: gestión y monitorización de hilos. (Prácticas) Act-2, IOS+AEC+CSC: Centro de Supercomputación. (Visita) Act-3, IOS+PCD: prestaciones en la gestión de hilos y procesos. (Prácticas) Act-4, AEC+AED: influencia de la jerarquía de memoria en las prestaciones. (Prácticas) Act-5, AED: esquemas algorítmicos paralelos y coste de algoritmos paralelos. (Seminarios) Act-6, PCD: constructores básicos de memoria compartida y paso de mensajes. (Teoría y prácticas) Act-7, PCD+AED+CSC: programación en memoria compartida. (Prácticas) Act-8, PCD+AED+CSC: programación por paso de mensajes. (Prácticas)

Organización - actividades Act-1, IOS: gestión y monitorización de hilos. (Prácticas) Act-2, IOS+AEC+CSC: Centro de Supercomputación. (Visita) Act-3, IOS+PCD: prestaciones en la gestión de hilos y procesos. (Prácticas) Act-4, AEC+AED: influencia de la jerarquía de memoria en las prestaciones. (Prácticas) Act-5, AED: esquemas algorítmicos paralelos y coste de algoritmos paralelos. (Seminarios) Act-6, PCD: constructores básicos de memoria compartida y paso de mensajes. (Teoría y prácticas) Act-7, PCD+AED+CSC: programación en memoria compartida. (Prácticas) Act-8, PCD+AED+CSC: programación por paso de mensajes. (Prácticas)

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Organización - actividades Act-1, IOS: gestión y monitorización de hilos. (Prácticas) Act-2, IOS+AEC+CSC: Centro de Supercomputación. (Visita) Act-3, IOS+PCD: prestaciones en la gestión de hilos y procesos. (Prácticas) Act-4, AEC+AED: influencia de la jerarquía de memoria en las prestaciones. (Prácticas) Act-5, AED: esquemas algorítmicos paralelos y coste de algoritmos paralelos. (Seminarios) Act-6, PCD: constructores básicos de memoria compartida y paso de mensajes. (Teoría y prácticas) Act-7, PCD+AED+CSC: programación en memoria compartida. (Prácticas) Act-8, PCD+AED+CSC: programación por paso de mensajes. (Prácticas)

Organización - actividades Act-1, IOS: gestión y monitorización de hilos. (Prácticas) Act-2, IOS+AEC+CSC: Centro de Supercomputación. (Visita) Act-3, IOS+PCD: prestaciones en la gestión de hilos y procesos. (Prácticas) Act-4, AEC+AED: influencia de la jerarquía de memoria en las prestaciones. (Prácticas) Act-5, AED: esquemas algorítmicos paralelos y coste de algoritmos paralelos. (Seminarios) Act-6, PCD: constructores básicos de memoria compartida y paso de mensajes. (Teoría y prácticas) Act-7, PCD+AED+CSC: programación en memoria compartida. (Prácticas) Act-8, PCD+AED+CSC: programación por paso de mensajes. (Prácticas)

Organización - participación y evaluación En dos de los tres grupos de segundo: aproximadamente 100 estudiantes. Act-1: Participación en prácticas y cuestiones tipo test. Resultados satisfactorios. Act-2: Visita voluntaria en día no lectivo, con alta participación de alumnos de los tres grupos. Act-3: En sesiones de prácticas, con alta participación y puntuación Act-4: En sesiones de prácticas, con alta participación y puntuación Act-5: Participación aceptable en los seminarios, con puntuación adicional por ejercicios y entrega de ejercicios mínima. Act-6: En sesiones de prácticas, con alta participación y puntuación Act-7: En sesiones de prácticas, con baja participación y puntuación Act-8: En sesiones de prácticas, con baja participación y puntuación

Organización - participación y evaluación En dos de los tres grupos de segundo: aproximadamente 100 estudiantes. Act-1: Participación en prácticas y cuestiones tipo test. Resultados satisfactorios. Act-2: Visita voluntaria en día no lectivo, con alta participación de alumnos de los tres grupos. Act-3: En sesiones de prácticas, con alta participación y puntuación Act-4: En sesiones de prácticas, con alta participación y puntuación Act-5: Participación aceptable en los seminarios, con puntuación adicional por ejercicios y entrega de ejercicios mínima. Act-6: En sesiones de prácticas, con alta participación y puntuación Act-7: En sesiones de prácticas, con baja participación y puntuación Act-8: En sesiones de prácticas, con baja participación y puntuación

Organización - participación y evaluación En dos de los tres grupos de segundo: aproximadamente 100 estudiantes. Act-1: Participación en prácticas y cuestiones tipo test. Resultados satisfactorios. Act-2: Visita voluntaria en día no lectivo, con alta participación de alumnos de los tres grupos. Act-3: En sesiones de prácticas, con alta participación y puntuación Act-4: En sesiones de prácticas, con alta participación y puntuación Act-5: Participación aceptable en los seminarios, con puntuación adicional por ejercicios y entrega de ejercicios mínima. Act-6: En sesiones de prácticas, con alta participación y puntuación Act-7: En sesiones de prácticas, con baja participación y puntuación Act-8: En sesiones de prácticas, con baja participación y puntuación

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Organización - participación y evaluación En dos de los tres grupos de segundo: aproximadamente 100 estudiantes. Act-1: Participación en prácticas y cuestiones tipo test. Resultados satisfactorios. Act-2: Visita voluntaria en día no lectivo, con alta participación de alumnos de los tres grupos. Act-3: En sesiones de prácticas, con alta participación y puntuación Act-4: En sesiones de prácticas, con alta participación y puntuación Act-5: Participación aceptable en los seminarios, con puntuación adicional por ejercicios y entrega de ejercicios mínima. Act-6: En sesiones de prácticas, con alta participación y puntuación Act-7: En sesiones de prácticas, con baja participación y puntuación Act-8: En sesiones de prácticas, con baja participación y puntuación

Organización - participación y evaluación En dos de los tres grupos de segundo: aproximadamente 100 estudiantes. Act-1: Participación en prácticas y cuestiones tipo test. Resultados satisfactorios. Act-2: Visita voluntaria en día no lectivo, con alta participación de alumnos de los tres grupos. Act-3: En sesiones de prácticas, con alta participación y puntuación Act-4: En sesiones de prácticas, con alta participación y puntuación Act-5: Participación aceptable en los seminarios, con puntuación adicional por ejercicios y entrega de ejercicios mínima. Act-6: En sesiones de prácticas, con alta participación y puntuación Act-7: En sesiones de prácticas, con baja participación y puntuación Act-8: En sesiones de prácticas, con baja participación y puntuación

Organización - participación y evaluación En dos de los tres grupos de segundo: aproximadamente 100 estudiantes. Act-1: Participación en prácticas y cuestiones tipo test. Resultados satisfactorios. Act-2: Visita voluntaria en día no lectivo, con alta participación de alumnos de los tres grupos. Act-3: En sesiones de prácticas, con alta participación y puntuación Act-4: En sesiones de prácticas, con alta participación y puntuación Act-5: Participación aceptable en los seminarios, con puntuación adicional por ejercicios y entrega de ejercicios mínima. Act-6: En sesiones de prácticas, con alta participación y puntuación Act-7: En sesiones de prácticas, con baja participación y puntuación Act-8: En sesiones de prácticas, con baja participación y puntuación

Organización - participación y evaluación En dos de los tres grupos de segundo: aproximadamente 100 estudiantes. Act-1: Participación en prácticas y cuestiones tipo test. Resultados satisfactorios. Act-2: Visita voluntaria en día no lectivo, con alta participación de alumnos de los tres grupos. Act-3: En sesiones de prácticas, con alta participación y puntuación Act-4: En sesiones de prácticas, con alta participación y puntuación Act-5: Participación aceptable en los seminarios, con puntuación adicional por ejercicios y entrega de ejercicios mínima. Act-6: En sesiones de prácticas, con alta participación y puntuación Act-7: En sesiones de prácticas, con baja participación y puntuación Act-8: En sesiones de prácticas, con baja participación y puntuación

Organización - participación y evaluación En dos de los tres grupos de segundo: aproximadamente 100 estudiantes. Act-1: Participación en prácticas y cuestiones tipo test. Resultados satisfactorios. Act-2: Visita voluntaria en día no lectivo, con alta participación de alumnos de los tres grupos. Act-3: En sesiones de prácticas, con alta participación y puntuación Act-4: En sesiones de prácticas, con alta participación y puntuación Act-5: Participación aceptable en los seminarios, con puntuación adicional por ejercicios y entrega de ejercicios mínima. Act-6: En sesiones de prácticas, con alta participación y puntuación Act-7: En sesiones de prácticas, con baja participación y puntuación Act-8: En sesiones de prácticas, con baja participación y puntuación

Arquitectura Previo Primer cuatrimestre Segundo cuatrimestre Tema AEC PCD 1 2 3 4 5 6 7 8 Clases de arquitecturas 0.5 C X X X X X Superscalar 0.5 C X SIMD/Vector 0.5 K X Pipelines 6 C X Ejecución OoO 4 C X Multicore 1 K X X NUMA (memoria compartida) 0.5 K X X X Organización de cache 6 K X Atomicidad 2 C X X X X X Impacto de memoria en soft. 3.5 A X X X Ciclos por instr. 0.5 C X Benchmarks 0.5 C X Spec marks 0.5 C X Prestación pico 0.5 K X MIPS/FLOPS 1 C X X X X X Prestación sostenida 0.5 K X La mayoría de los temas de arquitectura se trataban en AEC. Se incluyen algunos nuevos y otros se tratan en más profundidad en colaboración con otras asignaturas.

Programación Previo Primer cuatrimestre Segundo cuatrimestre Temas AEC PCD 1 2 3 4 5 6 7 8 Memoria compartida 12 A X X Memoria distribuida 12 C X X Cliente-servidor 0.5 C X X X Arranque de tareas/hilos 2.5 A X X X SPMD 2 C X X X Notaciones memoria compartida 10 A X X X Extensiones de lenguajes 1 K X Bibliotecas 10 A X X Notaciones SPMD 3 A X X X MPI 3 C X X Semántica de tareas e hilos 5.5 C X X X X Sincronización 2 A X X X X X Regiones críticas 2.5 A X X X X Productor-consumidor 1.5 A X X X X Monitores 4 A X Abrazo mortal 0.5 K X Modelos de memoria 0.5 K X Compilación y distribución 2 C X Estrategias de descomposición 1 K X Fusión de bucles 0.5 A X Asignación y distribución 3 C X X Monitorización de prestaciones 2 A X Métricas de prestaciones 1.5 C X X X X Speed-up 2 C X X X X Eficiencia 1 C X X X X Ley de Amdahl 1 C X La mayoría de los temas de programación se trataban en PCD. Se ponen en práctica en colaboración con otras asignaturas.

Algoritmos Previo Primer cuatrimestre Segundo cuatrimestre Temas ACA CDP 1 2 3 4 5 6 7 8 Coste asintótico 0.5 C X Tiempo 0.5 C X Espacio 0.5 C X Speed-up 0.5 C X X X Notaciones sobre asignación 1 K X X X X Divide y vencerás 0.5 A X X X Difisión 0.5 K X Asincronía 1 K X X Sincronización 1 A X Ordenación 0.5 A X X X Búsqueda en grafos 0.5 K X X X Computaciones especializadas 1 K X X X X La mayoría de los temas de algoritmos se tratan por primera vez. Se estudian en PCD y con prácticas conjuntas con AED. Los alumnos desarrollan y estudian teórica y experimentalmente programas paralelos simples en multicores y clusters.

Transversales Previo Primer cuatrimestre Segundo cuatrimestre Temas ACA CDP 1 2 3 4 5 6 7 8 Porqé y qué PCD. 1 C X Concurrencia 1 C X No determinismo 1 A X Potencia 0.5 K X Localidad 1.5 C X X Seguridad en sist. dist. 1 K X X Visión más amplia de los diferentes aspectos del paralelismo. Colaboración con el Centro de Supercomputación, con visita y presentación en el laboratorio: seguridad, gestión, configuración, aplicaciones, etc.

Apreciación subjetiva Experiencia parcialmente satisfactoria, con participación de los alumnos en actividades no obligatorias. Participan dos de los tres grupos. Algunos alumnos del grupo no participante solicitan su inclusión. Dificultades de inclusión por la rigidez del plan de estudios y porque algunos profesores no están familiarizados con el paralelismo. Pero participan algunos profesores sin experiencia previa. Algunas de las actividades no son obligatorias. La participación en las actividades es satisfactoria. La mayoría de las veces puntuación adicional: participación inicial moderada y al final mínima.

Apreciación subjetiva Experiencia parcialmente satisfactoria, con participación de los alumnos en actividades no obligatorias. Participan dos de los tres grupos. Algunos alumnos del grupo no participante solicitan su inclusión. Dificultades de inclusión por la rigidez del plan de estudios y porque algunos profesores no están familiarizados con el paralelismo. Pero participan algunos profesores sin experiencia previa. Algunas de las actividades no son obligatorias. La participación en las actividades es satisfactoria. La mayoría de las veces puntuación adicional: participación inicial moderada y al final mínima.

Apreciación subjetiva Experiencia parcialmente satisfactoria, con participación de los alumnos en actividades no obligatorias. Participan dos de los tres grupos. Algunos alumnos del grupo no participante solicitan su inclusión. Dificultades de inclusión por la rigidez del plan de estudios y porque algunos profesores no están familiarizados con el paralelismo. Pero participan algunos profesores sin experiencia previa. Algunas de las actividades no son obligatorias. La participación en las actividades es satisfactoria. La mayoría de las veces puntuación adicional: participación inicial moderada y al final mínima.

Apreciación subjetiva Experiencia parcialmente satisfactoria, con participación de los alumnos en actividades no obligatorias. Participan dos de los tres grupos. Algunos alumnos del grupo no participante solicitan su inclusión. Dificultades de inclusión por la rigidez del plan de estudios y porque algunos profesores no están familiarizados con el paralelismo. Pero participan algunos profesores sin experiencia previa. Algunas de las actividades no son obligatorias. La participación en las actividades es satisfactoria. La mayoría de las veces puntuación adicional: participación inicial moderada y al final mínima.

Apreciación subjetiva Experiencia parcialmente satisfactoria, con participación de los alumnos en actividades no obligatorias. Participan dos de los tres grupos. Algunos alumnos del grupo no participante solicitan su inclusión. Dificultades de inclusión por la rigidez del plan de estudios y porque algunos profesores no están familiarizados con el paralelismo. Pero participan algunos profesores sin experiencia previa. Algunas de las actividades no son obligatorias. La participación en las actividades es satisfactoria. La mayoría de las veces puntuación adicional: participación inicial moderada y al final mínima.

Apreciación subjetiva Experiencia parcialmente satisfactoria, con participación de los alumnos en actividades no obligatorias. Participan dos de los tres grupos. Algunos alumnos del grupo no participante solicitan su inclusión. Dificultades de inclusión por la rigidez del plan de estudios y porque algunos profesores no están familiarizados con el paralelismo. Pero participan algunos profesores sin experiencia previa. Algunas de las actividades no son obligatorias. La participación en las actividades es satisfactoria. La mayoría de las veces puntuación adicional: participación inicial moderada y al final mínima.

Información adicional El artículo describe con mayor detalle cómo se trata cada tema. Página del proyecto: http://www.um.es/earlyadopters e-mail domingo@um.es

Cuestiones... tras el café Sobre paralelismo: Es conveniente incluir paralelismo de forma temprana? Sólo en especialidades? No incluir? Sobre actividades complementarias: Aunque sean interesantes baja participación por mucha carga de trabajo: Cómo formentar la participación? Cómo evaluarlas?

Cuestiones... tras el café Sobre paralelismo: Es conveniente incluir paralelismo de forma temprana? Sólo en especialidades? No incluir? Sobre actividades complementarias: Aunque sean interesantes baja participación por mucha carga de trabajo: Cómo formentar la participación? Cómo evaluarlas?