فلش‌کارت‌های آموزشی برنامه‌نویسی Fortran در ابرکامپیوترها: راهنمای عملی برای کارایی بی‌نظیر

🎓 دوره آموزشی جامع

📚 اطلاعات دوره

عنوان دوره: دوره برنامه‌نویسی Fortran در ابرکامپیوترها: راهنمای عملی برای کارایی بی‌نظیر

موضوع کلی: محاسبات با عملکرد بالا (HPC)

موضوع میانی: توسعه نرم‌افزار Fortran برای سیستم‌های HPC

📋 سرفصل‌های دوره

• 1. مقدمه‌ای بر محاسبات با عملکرد بالا (HPC) و ابرکامپیوترها
• 2. معماری ابرکامپیوترهای مدرن: نودها، پردازنده‌ها، حافظه و شبکه‌های ارتباطی
• 3. چرا فرترن؟ تاریخچه، نقاط قوت و جایگاه آن در HPC
• 4. برپایی محیط توسعه: کامپایلرها (GFortran, Intel Fortran)، ویرایشگرها و ترمینال
• 5. اولین برنامه فرترن: کامپایل و اجرا بر روی یک سیستم HPC
• 6. ساختار اصلی یک برنامه فرترن مدرن
• 7. انواع داده ذاتی: Integer, Real, Complex, Logical, Character
• 8. تعریف متغیرها و ثوابت: اعلان صریح با IMPLICIT NONE
• 9. عملگرهای حسابی، رابطه‌ای و منطقی
• 10. ساختارهای تصمیم‌گیری: بلوک IF-THEN-ELSEIF-ELSE
• 11. ساختار انتخاب: SELECT CASE
• 12. حلقه‌های تکرار: ساختار DO و کنترل آن
• 13. کنترل پیشرفته حلقه‌ها: EXIT و CYCLE
• 14. آرایه‌ها: تعریف، مقداردهی اولیه و ابعاد
• 15. عملیات بر روی کل آرایه: سینتکس آرایه‌ای فرترن
• 16. برش آرایه (Array Slicing) و انتخاب زیرمجموعه‌ها
• 17. سازنده‌های آرایه و توابع RESHAPE و SPREAD
• 18. ساختارهای WHERE و FORALL برای عملیات شرطی روی آرایه‌ها
• 19. توابع ذاتی مهم برای محاسبات علمی (ریاضی، رشته‌ای و آرایه‌ای)
• 20. رویه‌ها (Procedures): توابع (Functions)
• 21. رویه‌ها (Procedures): زیرروال‌ها (Subroutines)
• 22. ارسال آرگومان‌ها: INTENT و نحوه انتقال داده به رویه‌ها
• 23. ماژول‌ها (Modules): راهی برای کپسوله‌سازی داده و رویه‌ها
• 24. ورودی و خروجی پایه‌ای: دستورات READ و WRITE
• 25. ورودی و خروجی فرمت‌بندی شده و مشخص‌کننده‌های فرمت
• 26. انواع داده مشتقه (Derived Types): معادل Struct در C
• 27. اشاره‌گرها (Pointers) و اهداف (Targets)
• 28. آرایه‌های تخصیص‌پذیر (Allocatable Arrays) و مدیریت حافظه پویا
• 29. کار با رشته‌های کاراکتری پیشرفته
• 30. ویژگی‌های شیءگرا: وراثت و توسعه نوع (Type Extension)
• 31. ویژگی‌های شیءگرا: چندریختی (Polymorphism) و SELECT TYPE
• 32. اشاره‌گر به رویه‌ها (Procedure Pointers)
• 33. تعامل با زبان C: ماژول ISO_C_BINDING
• 34. کار با فایل‌ها: دستورات OPEN, CLOSE, INQUIRE
• 35. ورودی و خروجی بدون فرمت (دودویی) برای کارایی بالا
• 36. مبانی عملکرد: سلسله مراتب حافظه (رجیستر، کش، حافظه اصلی)
• 37. اهمیت محلی‌بودن داده‌ها (Data Locality): محلی‌بودن زمانی و مکانی
• 38. پرچم‌های بهینه‌سازی کامپایلر (Optimization Flags)
• 39. چگونه گزارش‌های بهینه‌سازی کامپایلر را بخوانیم؟
• 40. پروفایل‌سنجی (Profiling) کد: شناسایی نقاط داغ (Hotspots)
• 41. مبانی بهینه‌سازی حلقه‌ها: بازکردن حلقه (Loop Unrolling)
• 42. بهینه‌سازی حلقه‌ها: تعویض حلقه (Loop Interchange) و کاشی‌بندی (Tiling)
• 43. تأثیر چیدمان داده‌ها در حافظه: AoS در مقابل SoA
• 44. درون‌خطی‌سازی توابع (Function Inlining)
• 45. مقدمه‌ای بر برداری‌سازی (Vectorization) و SIMD
• 46. چگونه کدی بنویسیم که توسط کامپایلر برداری شود؟
• 47. استفاده از دستورات کامپایلر (Compiler Directives) برای کنترل برداری‌سازی
• 48. اندازه‌گیری زمان اجرا: توابع CPU_TIME و SYSTEM_CLOCK
• 49. دقت محاسبات ممیز شناور و خطاهای رایج
• 50. مقدمه‌ای بر موازی‌سازی حافظه مشترک و مدل برنامه‌نویسی OpenMP
• 51. شروع کار با OpenMP: ناحیه‌های موازی (PARALLEL/END PARALLEL)
• 52. ساختارهای اشتراک کار (Work-sharing): موازی‌سازی حلقه‌های DO
• 53. مدیریت داده‌ها در OpenMP: متغیرهای PRIVATE, SHARED, FIRSTPRIVATE
• 54. همگام‌سازی (Synchronization): دستور BARRIER و ناحیه CRITICAL
• 55. همگام‌سازی پیشرفته: دستورات ATOMIC و LOCKS
• 56. کاهش (Reduction): جمع‌آوری نتایج از تردها
• 57. موازی‌سازی مبتنی بر وظیفه (Task-based Parallelism) در OpenMP
• 58. خطاهای رایج در OpenMP: شرایط رقابتی (Race Conditions) و اشتراک کاذب (False Sharing)
• 59. مقدمه‌ای بر موازی‌سازی حافظه توزیع‌شده و مدل پیام‌رسانی (MPI)
• 60. راه‌اندازی و خاتمه محیط MPI
• 61. ارتباط نقطه به نقطه (Point-to-Point): MPI_SEND و MPI_RECV
• 62. ارتباطات مسدودکننده (Blocking) در مقابل غیرمسدودکننده (Non-blocking)
• 63. ارتباطات جمعی (Collective): پخش داده با MPI_BCAST
• 64. ارتباطات جمعی: توزیع و جمع‌آوری داده با MPI_SCATTER و MPI_GATHER
• 65. ارتباطات جمعی: عملیات کاهش با MPI_REDUCE و MPI_ALLREDUCE
• 66. ارتباط‌دهنده‌ها (Communicators) و گروه‌های پردازشی
• 67. انواع داده مشتقه در MPI برای ارسال ساختارهای پیچیده
• 68. توپولوژی‌های مجازی: شبکه‌های دکارتی
• 69. مقدمه‌ای بر ورودی/خروجی موازی با MPI-IO
• 70. مفاهیم پیشرفته MPI: ارتباطات یک‌طرفه (RMA)
• 71. اشکال‌زدایی (Debugging) برنامه‌های MPI
• 72. تنظیمات عملکرد برای ارتباطات MPI
• 73. مقدمه‌ای بر برنامه‌نویسی هیبریدی (MPI + OpenMP)
• 74. سطوح پشتیبانی از ترد در MPI
• 75. الگوهای رایج برنامه‌نویسی هیبریدی
• 76. ملاحظات عملکردی و تنظیم مدل‌های هیبریدی
• 77. مقدمه‌ای بر شتاب‌دهنده‌ها: معماری GPU
• 78. مدل برنامه‌نویسی فضای آدرس سراسری افرازشده (PGAS)
• 79. مقدمه‌ای بر فرترن هم‌آرایه (Coarray Fortran)
• 80. تعریف و استفاده از هم‌آرایه‌ها (Coarrays)
• 81. همگام‌سازی در هم‌آرایه‌ها: SYNC ALL و SYNC IMAGES
• 82. عملیات جمعی و اتمی در هم‌آرایه‌ها
• 83. برنامه‌نویسی مبتنی بر دستور برای GPU: مقدمه‌ای بر OpenACC
• 84. مدیریت داده در OpenACC: انتقال داده بین میزبان و دستگاه
• 85. حلقه‌های موازی و کرنل‌ها در OpenACC
• 86. مقدمه‌ای بر آف‌لود کردن به GPU با OpenMP Target
• 87. استفاده از کتابخانه‌های علمی: BLAS (Basic Linear Algebra Subprograms)
• 88. استفاده از کتابخانه‌های علمی: LAPACK (Linear Algebra Package)
• 89. کتابخانه‌های ریاضی موازی: ScaLAPACK
• 90. کتابخانه‌های تبدیل فوریه سریع (FFT): FFTW
• 91. کتابخانه‌های ورودی/خروجی با عملکرد بالا: HDF5 و NetCDF
• 92. ابزارهای پروفایل‌سنجی پیشرفته برای کدهای موازی
• 93. ابزارهای اشکال‌زدایی موازی
• 94. آشنایی با سیستم‌های فایل موازی در ابرکامپیوترها
• 95. نحوه ارسال و مدیریت کارها (Jobs) در زمان‌بندهای HPC (مانند Slurm)
• 96. مطالعه موردی: حل یک سیستم معادلات خطی متراکم به صورت موازی
• 97. مطالعه موردی: شبیه‌سازی معادله حرارت در دو بعد
• 98. تکنیک‌های بهینه‌سازی حافظه نهان (Cache-aware Optimization)
• 99. تکنیک پیش‌واکشی نرم‌افزاری (Software Prefetching)
• 100. بهینه‌سازی عملکرد ورودی/خروجی (I/O Performance Tuning)