并行計(jì)算實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)的實(shí)踐與探討

　　摘 要: 并行計(jì)算一直是計(jì)算機(jī)和軟件工程學(xué)科的專業(yè)基礎(chǔ)課程，具有較強(qiáng)的綜合性、方法性和實(shí)踐性。結(jié)合天津大學(xué)高性能計(jì)算實(shí)驗(yàn)室多年來(lái)在并行計(jì)算課程建設(shè)上的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和成果，從知識(shí)體系、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、創(chuàng)新訓(xùn)練、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、實(shí)驗(yàn)考核等多方面進(jìn)行總結(jié)，并針對(duì)不同專業(yè)和年級(jí)的學(xué)生對(duì)并行計(jì)算課程的實(shí)際需求，重點(diǎn)說(shuō)明了利用虛擬化和云計(jì)算技術(shù)構(gòu)建綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的方法，以及以具體任務(wù)和問(wèn)題為驅(qū)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式和多角度的考核機(jī)制。探討了并行計(jì)算實(shí)驗(yàn)教學(xué)如何緊跟前沿技術(shù)發(fā)展的途徑，以便有效地應(yīng)對(duì)云計(jì)算、大數(shù)據(jù)時(shí)代對(duì)專業(yè)人才培養(yǎng)的基本要求。

　　關(guān)鍵詞: 并行計(jì)算; 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì); 實(shí)驗(yàn)平臺(tái); 云計(jì)算

　　0 引 言

　　并行計(jì)算一直以來(lái)都是大規(guī)模科學(xué)與工程計(jì)算、數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)工具，內(nèi)容涉及了體系結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等計(jì)算機(jī)學(xué)科的絕大部分專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，是一門(mén)綜合性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的前沿應(yīng)用類課程[1]。近年來(lái)，隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)普遍采用了多核異構(gòu)的體系結(jié)構(gòu)，以及互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能的興起，并行計(jì)算的應(yīng)用領(lǐng)域在不斷擴(kuò)大，重要性也不斷提高，尤其是我國(guó)自主研發(fā)的超級(jí)計(jì)算機(jī)發(fā)展迅猛，高性能計(jì)算能力已經(jīng)世界領(lǐng)先[2-3]; 這也要求并行計(jì)算的課程建設(shè)要與時(shí)俱進(jìn)，實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)要緊密聯(lián)系具體應(yīng)用，提高學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力。

　　近 20 年來(lái)，我校高性能計(jì)算實(shí)驗(yàn)室一直進(jìn)行并行計(jì)算課程的持續(xù)建設(shè)，期間完成了教育部-英特爾精品課程—并行計(jì)算的建設(shè)，除計(jì)算機(jī)專業(yè)外，還面向全校相關(guān)專業(yè)的研究生開(kāi)設(shè)并行計(jì)算的高級(jí)選修課程。本文將從知識(shí)體系、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)環(huán)境、實(shí)驗(yàn)考核等方面進(jìn)行詳細(xì)論述。

　　1 重視知識(shí)體系的相互聯(lián)系和專業(yè)基礎(chǔ)的融會(huì)貫通

　　課程建設(shè)過(guò)程中，十分重視知識(shí)體系的梳理和專業(yè)基礎(chǔ)的融會(huì)貫通[4]。并行計(jì)算是一門(mén)應(yīng)用性非常強(qiáng)的綜合性課程，也是聯(lián)系計(jì)算機(jī)學(xué)科與其他學(xué)科的一個(gè)橋梁，圖 1 顯示了并行計(jì)算的這種橋梁作用: 一方面，并行計(jì)算是計(jì)算機(jī)學(xué)科專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)的綜合應(yīng)用，一個(gè)并行計(jì)算環(huán)境的構(gòu)建涉及到一系列的硬件( CPU、協(xié)處理器、I/O、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)、) 和軟件( 操作系統(tǒng)、編譯技術(shù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、程序設(shè)計(jì)) 技術(shù); 另一方面，由于大規(guī)?？茖W(xué)計(jì)算和工程仿真的廣泛應(yīng)用，并行計(jì)算在環(huán)境、生物、航天、大氣、海洋、水利、電路設(shè)計(jì)等諸多領(lǐng)域中都有重要應(yīng)用，而且隨著在現(xiàn)代社會(huì)進(jìn)入大數(shù)據(jù)、云計(jì)算時(shí)代，各行各業(yè)越發(fā)需要數(shù)據(jù)和計(jì)算的支持，并行計(jì)算的應(yīng)用外延正在不斷擴(kuò)大，這個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)也正在逐步加強(qiáng)。因此，高校在本科高年級(jí)尤其是研究生教育階段對(duì)并行計(jì)算進(jìn)行不同程度的普及也十分必要。通過(guò)梳理并行計(jì)算的知識(shí)體系，在課程中將所有相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)串聯(lián)起來(lái)，有助于學(xué)生形成知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，將關(guān)聯(lián)課程融會(huì)貫通。

　　鑒于并行計(jì)算課程內(nèi)容的綜合性較強(qiáng)，且有一定的入門(mén)門(mén)檻，就需要根據(jù)專業(yè)和學(xué)生已有的基礎(chǔ)，因材施教。對(duì)于計(jì)算機(jī)、軟件學(xué)科的高年級(jí)本科生，已經(jīng)有了足夠的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，課程目標(biāo)是理論與實(shí)踐并重，兼顧課程的廣度和深度; 對(duì)于計(jì)算機(jī)、軟件學(xué)科的研究生，已經(jīng)參加了具體的科研課題，側(cè)重并行程序設(shè)計(jì)方法和高性能計(jì)算實(shí)踐，結(jié)合代表性應(yīng)用，深入解析性能優(yōu)化的方法與技巧; 而對(duì)于其他相關(guān)專業(yè)的研究生，重在入門(mén)知識(shí)以及并行工具的應(yīng)用，適當(dāng)增加課堂討論，引導(dǎo)學(xué)生在科研課題中嘗試應(yīng)用，更好地解決本領(lǐng)域內(nèi)的問(wèn)題。此外，還要密切關(guān)注高性能計(jì)算相關(guān)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，以科研反哺教學(xué)，保證教學(xué)內(nèi)容的前沿性和實(shí)用性[5]。

　　2 基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用實(shí)驗(yàn)并重，加強(qiáng)與實(shí)際問(wèn)題的聯(lián)系

　　實(shí)驗(yàn)教學(xué)是并行計(jì)算課程體系中非常重要的一環(huán)，并行計(jì)算的實(shí)驗(yàn)可以說(shuō)是計(jì)算機(jī)知識(shí)的綜合演練，原則是基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用實(shí)驗(yàn)并重，加強(qiáng)與實(shí)際問(wèn)題的聯(lián)系。實(shí)驗(yàn)除了鞏固基礎(chǔ)知識(shí)外，主要目的是培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用并行計(jì)算技術(shù)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。實(shí)驗(yàn)課程要根據(jù)學(xué)生的專業(yè)背景( 計(jì)算機(jī)相關(guān)、非計(jì)算機(jī)) 以及所在階段( 本科生、碩士、博士) 進(jìn)行合理設(shè)置[6]。總的來(lái)說(shuō)，本科階段注重基礎(chǔ)，鼓勵(lì)探索; 研究生階段以實(shí)際問(wèn)題為導(dǎo)向，加強(qiáng)自學(xué)，通過(guò)范例分析，以點(diǎn)帶面。

　　面向計(jì)算機(jī)本科專業(yè)的實(shí)驗(yàn)課程側(cè)重并行、并發(fā)基礎(chǔ)概念的理解和掌握，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容力求全面，實(shí)驗(yàn)難度逐漸增加[7]。實(shí)驗(yàn)涵蓋 3 大類: 基于共享內(nèi)存的多線程( Pthreads、OpenMP 等) ，基于消息傳遞的多進(jìn)程 ( MPI) ，以及大數(shù)據(jù)處理的 Hadoop、Spark 等，具體內(nèi)容每學(xué)年都會(huì)有調(diào)整，一般包括矩陣運(yùn)算、方程求解、字串處理、文本分析等。最后的綜合實(shí)驗(yàn)一般是開(kāi)放性的探索課題，多為某個(gè)領(lǐng)域尚未完全解決的實(shí)際問(wèn)題，比如計(jì)算生物學(xué)中常用的動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法，天文數(shù)據(jù)處理中的交叉證認(rèn)，宇宙大尺度結(jié)構(gòu)模擬中的 N 體問(wèn)題等，這類問(wèn)題常常需要綜合考慮計(jì)算負(fù)載、I/O 瓶頸、通信優(yōu)化、數(shù)據(jù)布局等多個(gè)方面。實(shí)際經(jīng)驗(yàn)表明，在本科教學(xué)中設(shè)計(jì)探索類實(shí)驗(yàn)，有助于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，發(fā)現(xiàn)解決問(wèn)題的新思路。上面提到的問(wèn)題中，不少學(xué)生嘗試了傳統(tǒng)算法之外的新思路，有的經(jīng)過(guò)改進(jìn)后總結(jié)成論文發(fā)表。

　　在研究生階段，大部分學(xué)生都是帶著具體應(yīng)用目標(biāo)來(lái)選修并行計(jì)算的，一般是為了解決在科研項(xiàng)目中遇到的性能問(wèn)題。為此，研究生的課堂上增加了討論交流環(huán)節(jié)，基礎(chǔ)知識(shí)講解更加凝練，旨在拋磚引玉，強(qiáng)化學(xué)生的自學(xué)能力，同時(shí)還邀請(qǐng)業(yè)內(nèi)人士進(jìn)行前沿技術(shù)和應(yīng)用范例的專題講座; 實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)則側(cè)重高層概念和綜合應(yīng)用性，掌握通用并行工具和編程模型的使用，比如線性系統(tǒng)的并行求解器 HYPRE[8]、Intel 的高性能數(shù)學(xué)函數(shù)庫(kù) MKL，支持多核異構(gòu)并行模式( GPU、MIC) 的線性代數(shù)庫(kù) ViennaCL [9]等，旨在引導(dǎo)學(xué)生在實(shí)際問(wèn)題中靈活使用。研究生的綜合實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，采用結(jié)合科研任務(wù)的自主選題模式[10]，考核指標(biāo)將綜合課題展示和實(shí)驗(yàn)報(bào)告兩部分內(nèi)容。學(xué)生通過(guò)實(shí)際應(yīng)用，一方面能夠透徹理解并牢固掌握相關(guān)知識(shí)，另一方面有助于推動(dòng)科研課題的開(kāi)展，達(dá)到學(xué)以致用; 最后，實(shí)驗(yàn)本身還能夠提煉為科學(xué)應(yīng)用范例，反饋到課堂上。

　　除了上述常規(guī)的實(shí)踐能力訓(xùn)練外，教學(xué)團(tuán)隊(duì)平時(shí)注意從科研項(xiàng)目和實(shí)際問(wèn)題中凝練適合大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練的課題，指導(dǎo)學(xué)生參加大創(chuàng)項(xiàng)目[11]，已經(jīng)參與的課題涉及并行編程模型、并行程序開(kāi)發(fā)環(huán)境、海量天文圖像檢索、射電數(shù)據(jù)處理、計(jì)算金融等多個(gè)方面。同時(shí)，積極組織并支持學(xué)生參加各類相關(guān)比賽，包括世界大學(xué)生超級(jí)計(jì)算機(jī)競(jìng)賽( ASC) 、全國(guó)并行應(yīng)用挑戰(zhàn)賽 ( PAC) 、以及業(yè)內(nèi)大公司舉辦的各種挑戰(zhàn)賽等，在實(shí)戰(zhàn)中進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新潛力，提高對(duì)知識(shí)的綜合應(yīng)用能力。

　　3 構(gòu)建統(tǒng)一的綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，兼顧定制需要

　　并行計(jì)算實(shí)驗(yàn)環(huán)境的構(gòu)建相對(duì)復(fù)雜，近年來(lái)隨著大數(shù)據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)的增加以及計(jì)算規(guī)模的擴(kuò)大，傳統(tǒng)的單機(jī)環(huán)境很難滿足實(shí)驗(yàn)要求。依托我校超級(jí)計(jì)算中心，利用虛擬化、云計(jì)算技術(shù)，構(gòu)建了統(tǒng)一的并行計(jì)算綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[12-14]，圖 2 顯示了該平臺(tái)的體系結(jié)構(gòu)。

　　整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)分為物理層、中間管理層、實(shí)驗(yàn)應(yīng)用層 3 個(gè)部分，可以提供傳統(tǒng)的多用戶集群環(huán)境和基于虛擬機(jī)的云計(jì)算環(huán)境。底層物理環(huán)境包括高性能計(jì)算節(jié)點(diǎn)、由普通商用服務(wù)器搭建的普通計(jì)算節(jié)點(diǎn)、共享存儲(chǔ)及其上的并行文件系統(tǒng)。高性能計(jì)算節(jié)點(diǎn)是我校超算中心為并行計(jì)算實(shí)驗(yàn)專門(mén)劃出的一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的計(jì)算集群，主要用于稍大規(guī)模的綜合性實(shí)驗(yàn)，也為學(xué)生參加各類競(jìng)賽提供測(cè)試環(huán)境; 普通計(jì)算節(jié)點(diǎn)則以虛擬機(jī)的形式提供實(shí)驗(yàn)資源，主要用于入門(mén)訓(xùn)練、基礎(chǔ)練習(xí)等小型實(shí)驗(yàn)，也可以用于大規(guī)模計(jì)算的前期調(diào)試。

　　對(duì)于高性能計(jì)算節(jié)點(diǎn)，中間管理層主要是任務(wù)調(diào)度系統(tǒng) PBS( Portable Batch System) ，實(shí)驗(yàn)任務(wù)需要編寫(xiě) PBS 腳本，提交到任務(wù)隊(duì)列。普通計(jì)算節(jié)點(diǎn)的資源由開(kāi)源的云計(jì)算平臺(tái) CloudStack 統(tǒng)一管理，根據(jù)課程需要，提供了各類主流操作系統(tǒng)的虛擬機(jī)模板。基礎(chǔ)模板只包含操作系統(tǒng)，學(xué)生需要從零開(kāi)始安裝配置實(shí)驗(yàn)環(huán)境; 標(biāo)準(zhǔn)模板增加了并行計(jì)算的編譯、運(yùn)行環(huán)境，學(xué)生可以直接開(kāi)始實(shí)驗(yàn); 專業(yè)模板包含了針對(duì)特定領(lǐng)域定制的工具集，主要為相關(guān)學(xué)科的并行計(jì)算培訓(xùn)使用?；谔摂M化的云計(jì)算實(shí)驗(yàn)環(huán)境，可以在短時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)備好一套標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，簡(jiǎn)化配置過(guò)程，讓學(xué)生快速上手，非常適合非計(jì)算機(jī)專業(yè)的上機(jī)課程。除此之外，虛擬機(jī)環(huán)境還可以支持操作系統(tǒng)、云計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)安全等相關(guān)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

　　高速共享存儲(chǔ)是整個(gè)系統(tǒng)的橋梁，通過(guò)統(tǒng)一的用戶管理，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在共享存儲(chǔ)上為每個(gè)用戶都分配了一個(gè)私有空間，通過(guò)定制虛擬機(jī)模版的初始化程序，虛擬機(jī)在啟動(dòng)時(shí)將執(zhí)行掛載網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)空間的腳本，同一個(gè)賬戶在虛擬機(jī)和集群中均可以訪問(wèn)這個(gè)用戶空間，從而方便用戶在不同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中進(jìn)行切換。目前平臺(tái)只有少數(shù)幾個(gè)物理節(jié)點(diǎn)可以提供 OpenCL /CUDA 的編譯和運(yùn)行環(huán)境，為提高硬件資源的利用率，也為了避免資源競(jìng)爭(zhēng)，開(kāi)發(fā)了一個(gè)基于 Web 的實(shí)驗(yàn)資源管理系統(tǒng)，系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示所有資源的當(dāng)前利用情況，如果用戶要使用超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)配額的虛擬機(jī)或者物理節(jié)點(diǎn)，都需要在系統(tǒng)中提交申請(qǐng)。

　　實(shí)驗(yàn)應(yīng)用層包含了前面提到的各類實(shí)驗(yàn)以及各個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)應(yīng)的虛擬機(jī)鏡像，提供一個(gè)從基礎(chǔ)、到綜合、再到實(shí)際問(wèn)題求解的進(jìn)階流程。由于采用了基于虛擬機(jī)的云計(jì)算模式，一些業(yè)內(nèi)前沿技術(shù)，比如，近年來(lái)在互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中大行其道的協(xié)程( co-routine) 、大數(shù)據(jù)框架 Hadoop /Spark 等，很容易被引入到實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，從而加速并加強(qiáng)了課堂知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用的聯(lián)系，也有利于提高學(xué)生的就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。此外，基于我國(guó)虛擬天文臺(tái)的開(kāi)放共享標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)通過(guò) IPv6 高速網(wǎng)絡(luò)連接了天文科技領(lǐng)域云系統(tǒng)，學(xué)生可以直接利用中國(guó)天文數(shù)據(jù)中心的海量數(shù)據(jù)資源，進(jìn)行大數(shù)據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)[15]。

　　4 細(xì)化評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，重視實(shí)驗(yàn)分析

　　前面提到，針對(duì)本科生、研究生、計(jì)算機(jī)專業(yè)和非計(jì)算機(jī)專業(yè)分別開(kāi)設(shè)了并行計(jì)算課程，不同課程以及實(shí)驗(yàn)教學(xué)的側(cè)重點(diǎn)也有所不同，對(duì)應(yīng)的考核形式和評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)都是單獨(dú)制定，以保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量[16]，總的原則是細(xì)化評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，重視結(jié)果分析。

　　5 結(jié) 語(yǔ)

　　隨著大數(shù)據(jù)、高性能計(jì)算在推動(dòng)行業(yè)發(fā)展中所起的作用越來(lái)越重要，并行計(jì)算技術(shù)正從計(jì)算機(jī)專業(yè)向其他相關(guān)專業(yè)領(lǐng)域開(kāi)始普及，相關(guān)課程在工科院校中的受歡迎度也在不斷增加。本文梳理了并行計(jì)算在計(jì)算機(jī)學(xué)科和其他領(lǐng)域之間的橋梁作用，以及計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展面臨的問(wèn)題及解決措施，說(shuō)明了循序漸進(jìn)式的實(shí)驗(yàn)課程體系，展示了基于云計(jì)算技術(shù)的綜合實(shí)驗(yàn)環(huán)境的構(gòu)建方法，最后介紹了如何通過(guò)細(xì)化實(shí)驗(yàn)考核指標(biāo)來(lái)強(qiáng)化學(xué)習(xí)效果的作法。近年來(lái)，MOOC 在全球范圍發(fā)展迅速，未來(lái)希望進(jìn)一步提高并行計(jì)算實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開(kāi)放性，不斷豐富實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，優(yōu)化訓(xùn)練方法，讓更多的學(xué)生收益。

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《并行計(jì)算實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)的實(shí)踐與探討》

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