🎓 دوره آموزشی جامع

📚 اطلاعات دوره

عنوان دوره: بهینه‌سازی عملکرد با برنامه‌نویسی داده‌موازی در معماری‌های MIMD

موضوع کلی: برنامه‌نویسی موازی

موضوع میانی: برنامه‌نویسی داده‌موازی

📋 سرفصل‌های دوره (100 موضوع)

• 1. مقدمه‌ای بر محاسبات موازی و نیاز به آن
• 2. تفاوت همزمانی و موازی‌سازی
• 3. طبقه‌بندی فلین: SISD, SIMD, MISD, MIMD
• 4. تمرکز بر معماری MIMD: مشخصات و مزایا
• 5. مقایسه معماری‌های SIMD و MIMD
• 6. مدل‌های حافظه: حافظه اشتراکی در مقابل حافظه توزیع‌شده
• 7. چالش‌های برنامه‌نویسی در سیستم‌های حافظه توزیع‌شده
• 8. مدل‌های برنامه‌نویسی موازی: مروری کلی
• 9. مفهوم بنیادین برنامه‌نویسی داده‌موازی
• 10. مقایسه داده‌موازی و وظیفه‌موازی (Task Parallelism)
• 11. قانون امدال و محدودیت‌های تسریع
• 12. قانون گوستافسون و مقیاس‌پذیری
• 13. معیارهای ارزیابی عملکرد: تسریع (Speedup) و کارایی (Efficiency)
• 14. هزینه‌های سربار در برنامه‌نویسی موازی: ارتباطات و همگام‌سازی
• 15. آشنایی با توپولوژی‌های شبکه اتصال (Interconnection Networks)
• 16. مدل برنامه‌نویسی SPMD: ستون فقرات داده‌موازی در MIMD
• 17. فرآیندها، رتبه‌ها و گروه‌های ارتباطی (Communicators)
• 18. مقدمه‌ای بر استاندارد رابط ارسال پیام (MPI)
• 19. راه‌اندازی محیط برنامه‌نویسی موازی
• 20. برنامه "سلام، دنیای موازی!": اولین برنامه SPMD
• 21. ارسال و دریافت پیام نقطه‌به‌نقطه: عملیات‌های بلوک‌بندی شده
• 22. مفهوم بن‌بست (Deadlock) و راه‌های جلوگیری از آن
• 23. ارتباطات غیربلوکه: همپوشانی محاسبات و ارتباطات
• 24. حالت‌های مختلف ارسال پیام: استاندارد، بافری، همگام
• 25. ارتباطات پایدار (Persistent Communication) برای الگوهای تکراری
• 26. اهمیت توزیع داده‌ها در عملکرد
• 27. فضای آدرس‌دهی سراسری مجازی در مقابل محلی
• 28. استراتژی‌های توزیع داده تک‌بعدی: بلوکی (Block)
• 29. استراتژی‌های توزیع داده تک‌بعدی: چرخه‌ای (Cyclic)
• 30. توزیع بلوکی-چرخه‌ای (Block-Cyclic) و مزایای آن
• 31. توزیع داده دو‌بعدی برای ماتریس‌ها
• 32. مفهوم سلول‌های شبح (Ghost Cells) برای محاسبات مرزی
• 33. تراز داده‌ها و تأثیر آن بر الگوهای ارتباطی
• 34. داده‌ساختارهای توزیع‌شده: آرایه‌ها و گریدها
• 35. نگاشت گرید منطقی فرآیند به پردازنده‌های فیزیکی
• 36. توزیع نامنظم داده‌ها برای مسائل نامتقارن
• 37. کتابخانه‌های سطح بالا برای مدیریت توزیع داده (مانند HPF)
• 38. ارتباطات جمعی (Collective Communications): چرا و چگونه؟
• 39. همگام‌سازی فرآیندها با استفاده از سد (Barrier)
• 40. عملیات پخش سراسری (Broadcast)
• 41. عملیات جمع‌آوری (Gather)
• 42. عملیات توزیع (Scatter)
• 43. ترکیب Scatter و Gather: عملیات Allgather
• 44. ارتباطات همگانی (All-to-all)
• 45. عملیات‌های کاهشی (Reduction): جمع، ضرب، ماکزیمم و...
• 46. عملیات اسکن موازی (Prefix Sum)
• 47. انواع سفارشی عملیات‌های کاهشی
• 48. ارتباطات جمعی در گروه‌های فرآیندی (Intra-communicators)
• 49. ارتباطات جمعی غیربلوکه
• 50. طراحی الگوریتم‌های داده‌موازی: تجزیه دامنه
• 51. پیاده‌سازی داده‌موازی جمع بردارها
• 52. ضرب ماتریس در بردار به صورت داده‌موازی
• 53. الگوریتم‌های موازی ضرب ماتریس در ماتریس (مانند Cannon و SUMMA)
• 54. حل دستگاه معادلات خطی: تجزیه LU موازی
• 55. حل دستگاه معادلات خطی: الگوریتم ژاکوبی موازی
• 56. محاسبات استنسیل (Stencil Computations) در دامنه‌های توزیع‌شده
• 57. تبدیل فوریه سریع (FFT) موازی
• 58. الگوریتم‌های مرتب‌سازی موازی: Bitonic Sort
• 59. الگوریتم‌های مرتب‌سازی موازی: Sample Sort
• 60. جستجوی موازی در لیست‌ها و درخت‌ها
• 61. الگوریتم‌های گراف موازی: جستجوی اول سطح (BFS)
• 62. شبیه‌سازی N-جسم به روش داده‌موازی
• 63. مفهوم توازن بار (Load Balancing)
• 64. شناسایی عدم توازن بار در برنامه‌ها
• 65. توازن بار ایستا (Static Load Balancing)
• 66. توازن بار پویا (Dynamic Load Balancing)
• 67. الگوریتم‌های توزیع بار مبتنی بر گراف
• 68. مهاجرت وظیفه و داده برای توازن بار
• 69. شناسایی گلوگاه‌های عملکرد (Performance Bottlenecks)
• 70. ابزارهای پروفایلینگ و تحلیل عملکرد برنامه‌های موازی
• 71. تحلیل مدل‌های عملکردی و پیش‌بینی زمان اجرا
• 72. کاهش سربار ارتباطی: تجمیع پیام‌ها (Message Aggregation)
• 73. کاهش سربار ارتباطی: کاهش فرکانس ارتباطات
• 74. تکنیک‌های پیشرفته همپوشانی ارتباطات و محاسبات
• 75. تحلیل مقیاس‌پذیری: مقیاس‌پذیری قوی در مقابل ضعیف
• 76. تأثیر حافظه نهان (Cache) در گره‌های محاسباتی MIMD
• 77. بهینه‌سازی‌های مرتبط با معماری پردازنده و حافظه
• 78. اشکال‌زدایی (Debugging) برنامه‌های موازی: چالش‌ها و تکنیک‌ها
• 79. استفاده از دیباگرهای موازی
• 80. ورودی/خروجی موازی (Parallel I/O): چالش‌ها و راه‌حل‌ها
• 81. آشنایی با استانداردهای I/O موازی (مانند MPI-IO)
• 82. مدل‌های برنامه‌نویسی ترکیبی: MPI + OpenMP
• 83. برنامه‌نویسی داده‌موازی در معماری‌های ناهمگون (CPU+GPU)
• 84. مفهوم تحمل خطا (Fault Tolerance) در سیستم‌های توزیع‌شده
• 85. تکنیک‌های Checkpoint/Restart
• 86. زبان‌های داده‌موازی سطح بالا (مانند Chapel, X10, Fortress)
• 87. کامپایلرهای موازی‌ساز خودکار
• 88. مطالعه موردی ۱: پیاده‌سازی داده‌موازی یک حل‌کننده معادلات پواسون
• 89. مطالعه موردی ۲: پردازش تصویر و بینایی ماشین به صورت موازی
• 90. مطالعه موردی ۳: دینامیک سیالات محاسباتی (CFD)
• 91. مطالعه موردی ۴: مدل‌سازی آب و هوا و اقلیم
• 92. آینده برنامه‌نویسی داده‌موازی و معماری‌های Exascale
• 93. جمع‌بندی مفاهیم و بهترین شیوه‌ها در طراحی الگوریتم‌های داده‌موازی
• 94. پروژه نهایی: طراحی، پیاده‌سازی و بهینه‌سازی یک الگوریتم داده‌موازی کامل