Praktikum „Parallele Programmierung“

Beschreibung

Um Mehrkernprozessoren und Multiprozessoren effizient zu nutzen, genügt es nicht, ein serielles Programm zu schreiben. Vierkernsysteme sind auch schon bei Arbeitsplatzrechnern weit verbreitet. Standards wie MPI und OpenMP, erlauben es, in den Programmiersprachen C(++) und Fortran Code zu schreiben, welcher auch auf Hochleistungsrechnern lauffähig ist.

Im Praktikum werden wir das parallele Programmieren mit MPI und OpenMP erlernen und auch eigenständige Anwendungen (z.B. Spielelöser) in Gruppen entwickeln. Im Vergleich zu der Vorlesung Hochleistungsrechnen werden wird der Fokus auf der Praxis liegen.

Beachten Sie auch unsere allgemeinen organisatorischen Hinweise zu Praktika.

Lernziel

Ziel des Praktikums ist es, aktuelle Parallelisierungskonzepte kennen zu lernen und Problemstellungen im Team zu bearbeiten. Die Studierenden gewinnen eine Übersicht über hilfreiche Werkzeuge zur Entwicklung und Bewertung von Anwendungen.

Zielgruppe

Das Projekt eignet sich für Studierende der Informatik in den Diplom- und Bachelorstudiengängen. Studierende anderer Studiengänge müssen die Anrechnung mit dem jeweiligen Prüfungsausschuss klären.

Interessierte Zuhörer sind auch herzlich willkommen.

Daten der Veranstaltung

Zeit		Do 14:15-15:45 Uhr
Ort		DKRZ, Raum 034
Beginn		Do 05.04.2012
Vorbesprechung		Do 05.04.2012
Mailingliste		PAPO-12

Dozenten

Vorgehen

Zunächst werden die Grundlagen theoretisch vermittelt und mit kleinen Beispielen geübt. Im zweiten Teil werden in kleinen Gruppen jeweils unterschiedliche Problemstellungen bearbeitet. Hierbei wird ein (kleiner) Projektplan erstellt und im Team eine Anwendung zur Problemlösung implementiert. Status und aufgetretene Probleme werden regelmäßig gemeinsam besprochen.

Beispiel Problemstellungen

Optimale Spielzüge ermitteln (Suchbaumverfahren) für Spiele.
(Einfache) Räuber-Beute-Beziehung eines abgeschlossenen Systems mit Tierwanderung.
Autos im Straßenverkehr eines Stadtnetzes und entstehende Staus.

Für weitere Vorschläge sind wir offen. Wichtig ist vor allem die korrekte Parallelisierung (evtl. mit Alternativen) und Auswertung. Detaillierte Kenntnisse der Numerik sind nicht erforderlich.

Konkret vorgeschlagene Themen:

Astrophysikalische Berechnungen
Mastermind
Skat, Go oder Robotersimulation
Längste Wege Problem
Lösen großer logischer Formeln
Gezeitenmodell
Ein Algorithmus aus der Bioinformatik

Zeitplan und Materialien

Theoretische Grundlagen (in der Vorlesungszeit)
- 12.04.2012 - Architekturen, Programmierkonzepte von OpenMP und MPI, Versionsverwaltung, Anwendungsklassen, Gebietszerlegung und Aufgabenteilung.
  - Übung: erste Schritte mit OpenMP und MPI auf unserem Cluster, anlegen eines Repositories und Testbeispiele verwalten.
- 19.04.2012 - Parallelisierung von Anwendungen, Einführung in Debugging, Speichermanagment von C/Fortran, MPI, Individuelle und kollektive Operationen im Detail, nicht-blockierende Aufrufe
  - Übung: einfache Probleme selbständig parallelisieren. Werkzeuge: DDT+Valgrind. Übungsblatt 1 Matrizen
- 26.04.2012 - Leistungsbewertung von Anwendungen, PGAS, MPI-I/O - Folien
  - Einfaches Modell für Leistungsengpässe; CPU: Betrachtungen zu FLOPS, Instructions per Second, Cache-Hit/Miss Ratio, …
  - Übung: Amdahls Gesetz, Speedup-Diagramme bewerten, PGAS, MPI-I/O. Übungsblatt 2 Julia Mengen SourceCode Antriebsdaten + SoureCode
- 03.05.2012 - OpenMP, Programmanalyse Werkzeuge OpenMP Tutorials sind hier verlinkt
  - Übung: Verschiedene Code-Fragmente parallelisieren und die Leistung bewerten. Übungsblatt 3
- 10.05.2012 – SIMD-Programmierung Folien
- 24.05.2012 – Leistungsanalyse
  - Übung: Verschiedene Code-Fragmente parallelisieren und die Leistung bewerten. Sunshot bzw. Jumpshot zur Analyse verwenden. Programm mit Hardware-Countern laufen lassen und bewerten.
Projektbearbeitung (je nach Absprache auch in der vorlesungsfreien Zeit)
- 14.06.2012 – Projektvorstellung und Präsentation der algorithmischen Lösung und Projektplan
- 28.06.2012 – Statustreffen – Vorstellung der bisherigen Arbeiten und aufgetretene Probleme
- Statustreffen – Vorstellung der bisherigen Arbeiten und aufgetretene Probleme, erste Leistungsergebnisse
- Präsentation der Ergebnisse

Ergebnisse

Daisyworld – Christoph Bockhahn, Max Hänze – Präsentation – Ausarbeitung – Source Code
Drop-7 – Jakob Lüttgau – Präsentation – Ausarbeitung – Source Code
Populationsdynamik – Nils Petersen – Präsentation – Ausarbeitung – Source Code
Ameisensimuation – Christian Peter, Dominik Rupp – Präsentation – Ausarbeitung – Source Code – Video
Seiler Tide Model – Anna Fuchs – Präsentation – Ausarbeitung – Source Code
Outbreak – Hajo Möller – Präsentation – Auswertung – Source Code –

Mastermind

Authors: Fabian Fiedler, Nicole Tänzer

This program calculates for each of the 1296 possible Mastermind colour codes how many steps the algorithm spends for guessing the right code. The algorithm was described by Donald Knuth in his Work “The Computer as Master Mind”. You can use the program to identify the codes, that are easy to guess and the codes, wich are difficult.

Präsentation – Ausarbeitung – Source Code

Fish & Shark

Authors: Sebastian Rothe, Alexander Lambertz

This simulation is a modification of a Wator Theory. It simulates fishs, sharks and plankton. Fishs die and respawn after a certain period of time. Sharks eat fishs and duplicate themselves. Plankton is just growing all the time. This simulation was parallized by using the MPI Framework.