Суперкомпьютерное моделирование в конструкторско

ЮЖНО-УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
УТВЕРЖДАЮ
Декан факультета
вычислительной математики
и информатики
_________Л. Б. Соколинский
15 июня
2013 г.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА
к ООП от _____________ № _______
дисциплина В.2.07 Суперкомпьютерное моделирование в конструкторскотехнологическом обеспечении машиностроительных производств
для направления 151900 Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств
магистерская программа Технология автоматизированного машиностроения
форма обучения очная
кафедра-разработчик «Системное программирование»
Рабочая программа составлена в соответствии с ФГОС ВПО по направлению подготовки 151900 Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств, утвержденным приказом Минобрнауки от 21 декабря 2009 г.
№ 769.
Рабочая программа рассмотрена и одобрена на заседании кафедры системного
программирования (протокол № 9 от 13.06.2013)
Зав. кафедрой разработчика,
доктор физ.-мат. наук, профессор _________________
Л. Б. Соколинский
Уч. секретарь кафедры,
кандидат пед. наук, доцент
_________________
О. Н. Иванова
Разработчик программы,
кандидат техн. наук, доцент
_________________
Н. Ю. Долганина
СОГЛАСОВАНО
Зав. выпускающей кафедрой технологии машиностроения,
Доктор техн. наук, профессор
_________________
Челябинск 2013
В. И. Гузеев
1. Цели и задачи дисциплины
Цель изучения дисциплины: ознакомление студентов с современными высокопроизводительными вычислениями и специализированными пакетами программ,
которые используются для решения задач на суперкомпьютерах.
Задачи изучения дисциплины: приобретение студентами прочных знаний и практических навыков в области, определяемой основной целью дисциплины. В результате изучения дисциплины студенты должны свободно ориентироваться и
иметь представление о параллельных методах вычислений.
Краткое содержание дисциплины
Расчеты на суперкомпьютере с использованием специализированных программных пакетов. Модели, их типы. Природа моделей. Моделирование. Цели
моделирования. Этапы моделирования. CAE/CAD системы. Основные понятия.
История развития CAE/CAD систем. Примеры CAE/CAD систем. Возможности
CAE/CAD систем. Обмен файлами между суперкомпьютером и персональным
компьютером, постановка задачи на решение на суперкомпьютере. Задачи для суперкомпьютеров. Приложения, где используются суперкомпьютерные вычисления. Методы, используемые для решения задач на суперкомпьютерах в специализированных пакетах программ. Метод конечных элементов. Метод конечных объемов. Преимущества и недостатки методов. Сходимость и точность. Общие принципы построения пакетов программ, реализующих метод конечных элементов и
метод конечных объемов.
Базовые понятия параллельных вычислений. Необходимость и значимость
параллельных вычислений. Режимы выполнения задач: последовательный, псевдопараллельный, параллельный. Виды параллелизма: многопроцессорная обработка, конвейерная обработка, векторная обработка. Пути достижения параллелизма вычислений. Суперкомпьютеры: производительность, списки Top500,
Top50. Классификация параллельных систем: систематика Флинна. Кластеры. Топология соединительных сетей мультикомпьютеров. Оценка эффективности параллельных вычислений: ускорение, эффективность, стоимость. Закон Амдала.
Закон Густафсона.
2. Место дисциплины в структуре ООП
Перечень предшествующих дисциплин,
видов работ
Перечень последующих дисциплин,
видов работ
Требования к «входным» знаниям, умениям, навыкам студента, необходимым при освоении данной дисциплины и приобретенным в результате освоения
предшествующих дисциплин:
- знать основные разделы математики, методы математического анализа, дифференциального и интегрального исчисления;
- знать фундаментальные разделы физики;
2
- уметь самостоятельно работать на компьютере с использованием основного
набора прикладных программ и в Интернете.
3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины
общекультурные компетенции:
- способностью совершенствовать и развивать свой интеллектуальный и общекультурный уровень (ОК-1);
- способностью к самостоятельному обучению новым методам исследования, к
изменению научного и научно-производственного профиля своей профессиональной деятельности (ОК-2);
- способностью самостоятельно приобретать с помощью информационных технологий и использовать в практической деятельности новые знания и умения, в том
числе в новых областях знаний, непосредственно не связанных со сферой деятельности (ОК-8).
профессиональные компетенции:
проектно-конструкторская деятельность:
способностью разрабатывать обобщенные варианты решения проектных задач,
анализировать и выбирать оптимальные решения, прогнозировать их последствия,
планировать реализацию проектов (ПК-5);
способностью составлять описания принципов действия проектируемых процессов, устройств, средств и систем конструкторско-технологического обеспечения
машиностроительных производств (ПК-7);
способностью выполнять разработку функциональной, логической, технической
и экономической организации машиностроительных производств, их элементов,
технического, алгоритмического и программного обеспечения на основе современных методов, средств и технологий проектирования (ПК-10);
организационно-управленческая деятельность:
способностью осуществлять поиск оптимальных решений при создании изделий, разработке технологий и машиностроительных производств, их элементов,
средств и систем технического и аппаратно-программного обеспечения с учетом
требований качества, надежности и стоимости, а также сроков исполнения, безопасности жизнедеятельности и требований экологии (ПК-32);
научно-исследовательская деятельность:
способностью осознать основные проблемы своей предметной области, при решении которых возникает необходимость в сложных задачах выбора, требующих
использования современных научных методов исследования (ПК-45);
В результате освоения дисциплины студент должен:
а) знать:
основные понятия о параллельных вычислительных системах и пакетах программ,
которые используются для решения задач на суперкомпьютерах;
б) уметь:
решать задачи на параллельных вычислительных системах с применением специализированных программных пакетов;
в) владеть:
3
основами технологий современных высокопроизводительных вычислений.
4. Объем и виды учебной работы
Общая трудоемкость дисциплины составляет 2 зачетные единицы, 72 часа.
Вид учебной работы
Общая трудоемкость дисциплины
Аудиторные занятия
Лекции (Л)
Практические занятия, семинары и (или) другие виды аудиторных занятий (ПЗ)
Лабораторные работы (ЛР)
Самостоятельная работа (СРС)
Написание рефератов
Выполнение контрольных работ
Подготовка к зачету
Контроль самостоятельной работы студента (КСР)
Реферат, текст доклада
Контрольная работа, тестирование
Зачет
Вид итогового контроля (зачет)
Распределение
по семестрам в часах
Номер семестра
IV
*
72
28
9
19
Всего
часов
72
28
9
19
40
22
4
14
4
0,5
1,5
2
—
40
22
4
14
4
0,5
1,5
2
5. Содержание дисциплины
№
раздела
1.
2.
Наименование разделов дисциплины
Расчеты на суперкомпьютерах с использованием специализированных программных пакетов.
Базовые понятия параллельных вычислений.
Объем занятий по видам в часах
Всего
Л
ПЗ
ЛР
18
5
13
10
4
6
5.1. Лекции
№
лекции
1
1-2
№ раздела
1
1
2
3
1
1
3
4
4
5
2
2
2
2
Наименование или краткое содержание
лекционного занятия
Модели, их типы и моделирование.
CAE/CAD системы. Основные понятия. Примеры CAE/CAD
систем.
Задачи для суперкомпьютеров.
Методы, используемые для решения задач на суперкомпьютерах в специализированных пакетах программ.
Понятие параллельных вычислений.
Обзор параллельных вычислительных систем.
Классификация параллельных вычислительных систем.
Оценка эффективности параллельных вычислений.
Кол-во
часов
1
2
1
1
1
1
1
1
5.2. Практические занятия, семинары
№ за-
№ раз-
Наименование или краткое содержание
Кол-во
4
дела
практического занятия, семинара
часов
1-2
нятия
1
4
3-7
1
8-10
2
Создание геометрической модели снизу вверх и сверху вниз. Копирование, перемещение, отражение объектов. Формирование модели при помощи булевых операций. Пакет программ ANSYS.
Решение задач с применением стержневых, балочных, двумерных,
оболочечных, объемных конечных элементов. Пакет программ
ANSYS.
Решение задач на суперкомпьютере. Пакет программ ANSYS.
9
6
5.3. Лабораторные работы
Не предусмотрено.
5.4. Самостоятельная работа студента и ее контроль
Вид работы
и содержание задания
Написание
рефератов
Выполнение СРС
Список литературы (с указанием
разделов, глав, страниц)
Студент самостоятельно подбирает литературу в библиотеке и сети
Интернет по теме реферата
Выполнение Басов, К.А. Графический интерконтрольных фейс комплекса ANSYS / К.А. Баработ
сов. – М.: ДМК-Пресс, 2006. – 247
с. Главы 6-9, 11, 12, 16, 17
Гергель, В.П. Высокопроизводительные вычисления для многопроцессорных многоядерных систем: учебник для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям ВПО
010400 "Прикладная математика и
информатика" и 010300 "Фундаментальная информатика и информационные технологии" / В.П.
Гергель. – Москва: Физматлит,
2010. – 539 с. Глава 1.
Подготовка
Басов, К.А. Графический интерк зачету
фейс комплекса ANSYS / К.А. Басов. – М.: ДМК-Пресс, 2006. – 247
с. Главы 6-9, 11, 12, 16, 17.
Гергель, В.П. Высокопроизводительные вычисления для многопроцессорных многоядерных систем: учебник для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям ВПО
010400 "Прикладная математика и
информатика" и 010300 "Фундаментальная информатика и информационные технологии" / В.П.
Гергель. – Москва: Физматлит,
Колво
часов
22
4
14
Контроль СРС
Форма
Содержание
конконтроля
троля
Реферат, Индивидутекст
альная беседа
доклада
КонРешение затроль- дач, ответы на
ная ра- вопросы теста
бота,
тестирование
Зачет
Решение задач
Индивидуальная беседа
Колво
часов
0,5
1,5
2
5
2010. – 539 с. Глава 1.
6. Образовательные технологии, используемые в учебном процессе данной
дисциплины
6.1. Интерактивные формы обучения
Интерактивные
формы обучения
Компьютерная симуляция
Деловая или ролевая игра
Разбор конкретных ситуаций
Вид
работы
Краткое описание
(Л, ПЗ, ЛР)
ПЗ
Компьютерное и суперкомпьютерное моделирование практических задач
Л
Обсуждение решения реальных
задач на суперкомпьютерах
Кол-во
ауд.
часов
18
4
Тренинг
Мастер-классы экспертов
и специалистов
6.2. Встречи с представителями российских и зарубежных компаний, государственных и общественных организаций
Должность и место работы
Вид
работы
(Л, ПЗ)
Тема встречи
Кол-во
ауд.
часов
6.3. Инновационные способы и методы, используемые в образовательном процессе
Наименование
Краткое описание и примеры использования в темах и разделах
http://bit.sp.susu.ac.ru/
Использование информационных ресурсов и баз
данных
Применение электронных мультимедийных учеб- http://dolivanov.immpu.sgu.ru/teach_materi
ников и учебных пособий
al/lectures_ansys
http://dolivanov.immpu.sgu.ru/teach_materi
al/practice_ansys
Ориентация содержания на лучшие отечественные аналоги образовательных программ
Применение предпринимательских идей в содержании курса
Использование проблемно-ориентированного
междисциплинарного подхода к изучению наук
Применение активных методов обучения, «конОбзор отечественных и зарубежных
текстного» и «на основе опыта»
разработок по теме 1
Использование методов, основанных на изучении
практики (case studies)
6
Использование проектно-организованных технологий обучения работе в команде над комплексным решением практических задач
7. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной
аттестации по итогам освоения дисциплины и учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов
Темы эссе, рефератов, курсовых работ и пр.
1. История создания пакета программ ANSYS.
2. История создания пакета программ DEFORM.
3. История создания пакета программ LS-DYNA.
4. История создания пакета программ ABAQUS.
5. Пакеты программ, реализующие метод конечных элементов. Какие задачи они позволяют
решать.
6. Пакеты программ, реализующие метод конечных объемов. Какие задачи они позволяют решать.
7. История развития суперкомпьютерной техники.
8. Метод конечных элементов. Чем обусловлена его популярность.
9. История развития метода конечных элементов.
10. Сравнение метода конечных элементов и метода конечных объемов.
11. Параллельные вычисления. В каких областях науки они применяются.
12. Современные суперкомпьютеры. Самые мощные суперкомпьютеры стран СНГ.
13. Современные суперкомпьютеры. Самые мощные суперкомпьютеры стран мира.
14. История развития суперкомпьютерных вычислений.
15. Обзор технологий параллельного программирования (MPI, OpenMP и др.).
16. Параллельные вычисления сегодня. Чем обусловлен высокий интерес к ним?
Контрольные вопросы и задания для проведения текущего контроля
Выберите
1.
из приведенного списка
CAD (computer-aided
design/drafting) систему автоматизированного проектирования.
Выберите
2.
из приведенного списка
CAE (Computer-Aided Engineering)
систему автоматизации инженерных расчётов.
Какие
3. расчётные методы используются в CAE (Computer-Aided Engineering) системах?
LS-DYNA
 Компас
Abaqus
DEFORM
ANSYS
CATIA
Компас
 Abaqus
AutoCAD
SolidWorks
метод наименьших квадратов
 метод конечных разностей
 метод конечных элементов
метод главных компонент
 метод конечных объёмов
метод конечных определений
7
CAD
4. (computer-aided design/drafting) системы предназначены для:
 автоматизации двумерного и/или трехмерного геометрического проектирования
анализа и симуляции физических процессов
проектирования баз данных
решения сложных физических задач
 создания конструкторской и/или технологической документации
Перечислите
5.
этапы моделирования. 1. Постановка задачи
2. Разработка модели
3. Тестирование модели
4. Эксперимент
5. Анализ результатов
Вероятностные
6.
(стохастические)
модели.
Детерминированные
7.
модели.
не учитывают случайность событий в реальном мире
 учитывают случайность событий в реальном мире
связи между входными и выходными величинами жестко заданы
 при одинаковых входных данных каждый
раз получаются немного разные результаты
при одинаковых входных данных каждый
раз получаются результаты сильно отличающиеся между собой
при одинаковых входных данных каждый
раз получаются одинаковые результаты
не учитывают случайность событий в реальном мире
учитывают случайность событий в реальном
мире
 связи между входными и выходными величинами жестко заданы
при одинаковых входных данных каждый раз
получаются немного разные результаты
при одинаковых входных данных каждый раз
получаются результаты сильно отличающиеся между собой
 при одинаковых входных данных каждый раз
получаются одинаковые результаты
8
Метод
8. конечных объёмов – это:
Каким
9. выражением связаны между
собой вектор нагрузок (F), матрица
жесткости (K), и вектор перемещений (C)?
Сколько
10.
степеней свободы в узле
существует в общем случае?
Основным
11.
достоинством метода
конечных элементов (МКЭ) является:
Погрешности
12.
метода конечных
элементов связаны с:
Основные
13.
недостатки метода конечных элементов:
численный метод дифференцирования систем
интегральных уравнений
 численный метод интегрирования систем
дифференциальных уравнений в частных
производных
аналитический метод решения задач гидрогазодинамики
численный метод дифференцирования уравнений Навье – Стокса
F·C=K
K·F=C
C·K=F
 K·C=F
F·K=C
3
6
1
2
4
5
возможность определения напряжений и
перемещений в конструкции
возможность решения физических задач
 возможность решения задач для области
любой формы
возможность решать задачи динамики
возможность определять равновесное положение системы
ошибками в векторе нагрузок
 ошибками базисной функции
 ошибками округления
ошибками в матрице жесткости
 ошибками дискретизации
ошибками в векторе перемещений
необходимость разбивать модель на конечные элементы
 зависимость результатов расчета от выполняемого пользователем выбора (построения)
сетки конечных элементов
трудность построения сетки конечных элементов
 трудность оценки точности получаемых результатов
9
При
14.какой форме конечных элементов ошибки округления минимальны?
Наилучшими являются конечные элементы в
виде правильных многоугольников (квадрат,
равносторонний треугольник, куб, правильный
тетраэдр); приемлемыми являются элементы с
отношением сторон до – примерно – 1:4 и углами
от 25о до 155о
Что
15.содержит в себе информационная часть конечно элементного
пакета программ?
Информационная часть – база данных (БД) пакета – содержит описания используемых данным
пакетом типов элементов (библиотеку элементов), библиотеку материалов, справочную систему. Физически представляет собой набор файлов,
расположенных в том каталоге, куда был установлен пакет.
Что
16.содержит в себе вычислительная часть конечно элементного пакета программ?
Вычислительная часть пакетов МКЭ представляет собой набор модулей (называемых обычно
процессорами), выполняющих определенные
функции и объединенных общей оболочкой.
Какая
17. информация не может храниться в файле базы данных
(*.DB)?
Какая
18. информация не может храниться в файле протокола (*.LOG)?
Какова
19. последовательность работы
в препроцессоре программы
ANSYS?
1) Указание опций проведения расчета и вывода расчетных данных
2) Создание сетки конечных элементов
3) Приложение нагрузок
4) Выбор применяемых типов конечных элементов, указание данных материалов, размеров и формы
поперечных сечений, а также геометрических характеристик
5) Импорт или создание геометрической модели
информация о геометрической и расчетной
моделях
нагрузки
результаты расчета
 время решения задачи
информация о геометрической и расчетной моделях
нагрузки
 результаты расчета
 время решения задачи
 5, 4, 2, 3, 1
1, 4, 2, 3, 5
1, 2, 3, 4, 5
5, 4, 3, 2, 1
5, 2,4, 1, 3
5, 2,4, 3, 1
10
С 20.
помощью каких конечных элементов можно создать сетку конечных элементов для конструкции
любой формы?
В 21.
каком модуле программы
ANSYS можно проводить расчеты?
балочные конечные элементы
оболочечные конечные элементы
 объемные конечные элементы
стержневые конечные элементы
элементы сосредоточенной массы
препроцессор
постпроцессор
 процессор
ни в каком модуле программы нельзя
проводить расчеты
22. Для передачи файлов на суперкомпьютер, какой программой необходимо воспользоваться?
FAR, WinSCP
23. С помощью какой программы
можно произвести запуск задачи на
выполнение в параллельном режиме на суперкомпьютере?
PuTTY
24. Как переводится однородный доступ к памяти
 UMA
SMP
MPP
DMA
25. Особенность систем NUMA
1.
2.
3.
4.
 память физически распределена, но логически общедоступна
совмещает разнообразные процессоры
память локально доступна всем процессорам
это разновидность Dataflow
Построить в программе ANSYS объем (сферу, куб, тор, пирамиду, конус, параллелепипед)
и выполнить над ним операции переноса, копирования и отражения. Построить в программе ANSYS два пересекающихся объема и применить к ним булевы операции.
Определить напряжения и перемещения в упругой квадратной пластине, нагруженной
равномерно распределенным давлением и защемленной по двум сторонам. Числовые данные: сторона пластины a = 200 мм; толщина h = 2 мм; давление p = 100 000 Па; модуль
упругости E = 2·105 МПа; коэффициент Пуассона μ = 0.3.
Определить напряжения и перемещения в трубе, нагруженной внутренним давлением,
края трубы жестко закреплены. Числовые данные: длина трубы l = 1 м; диаметр d = 10 см;
Толщина стенки 1 мм; Давление P = 1000 Па; модуль упругости E = 2·105 МПа; коэффициент Пуассона μ = 0.3.
Для данной задачи определить силу, действующую на якорь. Размеры модели указаны в
сантиметрах. Якорь – подвижный компонент соленоидного привода. Железная стенка –
стационарный компонент соленоидного привода, который завершает магнитную цепь вокруг катушки. Катушка состоит из 650 витков с магнитодвижущей силой 1 Ампер-виток.
Поток через обмотку 1 Ампер. Воздушный зазор представляет собой тонкую прямоугольную область воздуха между якорем и полюсным наконечником железной стенки.
11
5.
Выполнить 3-D анализ стального штифта контактирующего с гладким отверстием в блоке.
В задаче два шага нагружения. Цель первого шага нагружения - это определить напряжения при посадке с натягом штифта, который геометрически больше, чем отверстие в блоке. Цель второго этапа нагрузки – это определить напряжения, контактные давления и силу реакции в связи при вытаскивании штифта из блока. Размеры модели таковы: Штифт
радиус = 0,5 единицы, длина = 2,5 единицы. Ширина блока = 4 единицы, длина = 4 единицы, глубина = 1 единица. Радиус отверстия = 0,49 единиц, глубина отверстия = 1 единица.
Оба твердых деформируемых тела выполнены из конструкционной стали (Модуль упругости (Юнга) E = 2·105 МПа, коэффициент Пуассона = 0,3).
Контрольные вопросы и задания для проведения промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины
1. Перечислите цели моделирования.
2. Назовите этапы моделирования.
3. Назовите этапы развития CAE/CAD систем.
4. Перечислите приложения, где используются суперкомпьютерные вычисления.
5. Что такое локальная базисная функция?
6. Каким выражением связаны между собой вектор нагрузок, матрица жесткости, и вектор перемещений?
7. Сколько степеней свободы в узле существует в общем случае?
8. Будет ли базисная функция непрерывной, если узел одного элемента лежит на стороне другого и не совпадает с его вершиной?
9. Назовите основные недостатки метода конечных элементов (МКЭ).
10. С чем связаны погрешности метода конечных элементов?
11. Уменьшаются ли ошибки дискретизации с уменьшением размера конечного элемента?
12. Существует ли метод оценки погрешности МКЭ на сегодняшний день?
13. Какой прием используется для оценки погрешности метода конечных элементов?
14. Точность определения упругой энергии методом конечных элементов, запасенной в конструкции при заданных нагрузках, оказывается выше или ниже, чем точность определения
перемещений?
15. Точность определения напряжений методом конечных элементов оказывается выше или
ниже, чем точность определения перемещений?
16. При какой форме конечных элементов ошибки округления возрастают?
17. При какой форме конечных элементов ошибки округления минимальны?
12
18. Что содержит в себе информационная часть конечно элементного пакета программ?
19. Что содержит в себе вычислительная часть конечно элементного пакета программ?
20. Что такое препроцессор?
21. Что такое процессор?
22. Что такое постпроцессор?
23. Можно ли создать геометрию в постпроцессоре?
24. Можно ли создать сетку конечных элементов в постпроцессоре?
25. Можно ли задать нагрузки в постпроцессоре?
26. В каком модуле программы происходит решение задачи?
27. В каком модуле программы можно задать нагрузки?
28. В каком модуле программы можно просмотреть результаты расчета?
29. В каком модуле программы можно создать сетку конечных элементов?
30. Что записывается файл протокола?
31. Можно ли восстановить задачу, если имеется только файл протокола?
32. Можно ли редактировать файл протокола?
33. Какая информация может храниться в файле базы данных (*.DB)?
34. Можно ли редактировать файл базы данных (*.DB)?
35. Какой файл больше по объему базы данных (*.DB) или файл протокола (*.LOG)?
36. Сколько степеней свободы имеет элемент сосредоточенной массы?
37. Поддерживают ли стержневые элементы LINK кручение?
38. Поддерживают ли стержневые элементы LINK изгиб?
39. Поддерживают ли стержневые элементы LINK растяжение-сжатие?
40. Какие характеристики поперечного сечения необходимо указать при использовании стержневых элементов?
41. Какие виды нагружения поддерживают балочные элементы BEAM?
42. Какую форму могут иметь двумерные элементы плоского деформированного, плоского
напряженного и осесимметричного состояния PLANE?
43. Какую форму могут иметь объемные элементы SOLID?
44. Можно ли создать сетку конечных элементов объемными элементами SOLID для конструкции любой формы?
45. Можно ли создать сетку конечных элементов балочными элементами BEAM для конструкции любой формы?
46. Можно ли создать сетку конечных элементов оболочечными элементами SHELL для конструкции любой формы?
47. Какие геометрические характеристики нужно указывать при использовании оболочечных
элементов SHELL?
48. Какова последовательность расчета конструкции в среде комплекса МКЭ ANSYS?
49. Для передачи файлов на вычислительный кластер, какой программой необходимо воспользоваться?
50. С помощью какой программы можно произвести запуск задачи на выполнение в параллельном режиме на кластере?
51. Определение параллельных вычислений?
52. Назовите режимы выполнения задач.
53. В чем заключается последовательный режим выполнения задач?
54. В чем заключается многозадачный (псевдопаралльный) режим выполнения задач?
55. В чем заключается параллельный режим выполнения задач?
56. Назовите виды параллельной обработки.
57. В чем заключается многопроцессорная обработка?
58. В чем заключается конвейерная обработка?
59. В чем заключается векторная обработка?
60. В чем заключается векторно-конвейерная обработка?
61. В каких случаях необходимы параллельные вычисления?
62. Назовите несколько примеров приложений, в которых используются параллельные вычисления.
13
63. Какое значение параллельные и суперкомпьютерные вычисления имеют для страны?
64. Назовите пути достижения параллелизма.
65. Что такое суперкомпьютер?
66. В чем измеряют производительность суперкомпьютеров?
67. Что такое флопс (FLOPS)?
68. Всегда ли можно использовать флопс (FLOPS) в качестве меры производительности суперкомпьютеров?
69. Что такое пиковая производительность?
70. Что такое Linpack производительность?
71. Почему Linpack популярен?
72. Что такое кластерная вычислительная система (кластер)?
73. Как классифицируются вычислительные системы по способам взаимодействия потоков выполняемых команд и потоков обрабатываемых данных?
74. На какие классы разделяется вычислительная система с множественным потоком команд и
множественным потоком данных (MIMD)?
75. На какие классы разделяются мультипроцессорные системы?
76. На какие классы разделяются мультикомпьютерные системы?
77. Назовите основные недостатки мультипроцессорных систем с однородным доступ к памяти
(uniform memory access, UMA).
78. Каким образом можно преодолеть недостатки мультипроцессорных систем с однородным
доступ к памяти (uniform memory access, UMA)?
79. Назовите основные преимущества кластерных систем.
80. Назовите основные недостатки кластерных систем.
81. Назовите виды топологии соединительной сети мультикомпьютеров.
82. Что из себя представляет вид топологии соединительной сети мультикомпьютеров «Полный граф»?
83. Что из себя представляет вид топологии соединительной сети мультикомпьютеров «Линейка»?
84. Что из себя представляет вид топологии соединительной сети мультикомпьютеров «Кольцо»?
85. Что из себя представляет вид топологии соединительной сети мультикомпьютеров «Звезда»?
86. Что из себя представляет вид топологии соединительной сети мультикомпьютеров «Решетка»?
87. Что из себя представляет вид топологии соединительной сети мультикомпьютеров «Гиперкуб»?
88. Перечислите характеристики топологии сети.
89. Дайте определение характеристике топологии соединительной сети мультикомпьютеров
«Диаметр».
90. Дайте определение характеристике топологии соединительной сети мультикомпьютеров
«Связность».
91. Дайте определение характеристике топологии соединительной сети мультикомпьютеров
«Ширина бинарного деления».
92. Дайте определение характеристике топологии соединительной сети мультикомпьютеров
«Стоимость».
93. Перечислите показатели эффективности параллельных вычислений.
94. Приведите выражение для определения ускорения - показателя эффективности параллельных вычислений.
95. Приведите выражение для определения ускорения - показателя эффективности параллельных вычислений.
96. Приведите выражение для определения эффективности использования процессоров - показателя эффективности параллельных вычислений.
97. Приведите выражение для определения стоимости вычислений - показателя эффективности
параллельных вычислений.
14
98. В каком случае показатель эффективности параллельных вычислений - ускорение будет
линейным?
99. В каком случае показатель эффективности параллельных вычислений - ускорение будет
сверхлинейным?
100. Приведите формулу, определяющую закон Амдала.
101. Приведите формулу, определяющую закон Густафсона.
102. Какой параллельный алгоритм называют масштабируемым?
Вопросы и задания самопроверки обучающегося по отдельным разделам
дисциплины
1. Модели, их типы.
2. Природа моделей.
3. Моделирование.
4. Цели моделирования.
5. Этапы моделирования.
6. CAE/CAD системы. Основные понятия.
7. История развития CAE/CAD систем.
8. Примеры CAE/CAD систем.
9. Возможности CAE/CAD систем.
10. Обмен файлами между суперкомпьютером и персональным компьютером, постановка задачи на решение на суперкомпьютере.
11. Задачи для суперкомпьютеров.
12. Приложения, где используются суперкомпьютерные вычисления.
13. Методы, используемые для решения задач на суперкомпьютерах в специализированных
пакетах программ.
14. Метод конечных элементов. Метод конечных объемов. Преимущества и недостатки методов. Сходимость и точность.
15. Общие принципы построения пакетов программ, реализующих метод конечных элементов
и метод конечных объемов.
16. Необходимость и значимость параллельных вычислений.
17. Режимы выполнения задач: последовательный, псевдопараллельный, параллельный.
18. Виды параллелизма: многопроцессорная обработка, конвейерная обработка, векторная обработка.
19. Пути достижения параллелизма вычислений.
20. Суперкомпьютеры: производительность, списки Top500, Top50.
21. Классификация параллельных систем: систематика Флинна.
22. Кластеры.
23. Топология соединительных сетей мультикомпьютеров.
24. Оценка эффективности параллельных вычислений: ускорение, эффективность, стоимость.
25. Закон Амдала.
26. Закон Густафсона.
8. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
Печатная учебно-методическая документация
а) основная литература:
1.
Гергель, В.П. Высокопроизводительные вычисления для многопроцессорных многоядерных систем: учебник для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям ВПО 010400 "Прикладная математика и информатика" и 010300 "Фундаментальная информатика и информационные технологии" / В.П. Гергель. – Москва: Физматлит,
2010. – 539 с.
15
2.
3.
Трушин, С.И. Метод конечных элементов. Теория и задачи: учеб. пособие по направлению 653500 "Стр-во" / С.И. Трушин. – М.: Издательство Ассоциации строительных вузов,
2008. – 256 с.
Практикум по методам параллельных вычислений: учебник для вузов по направлениям
ВПО 010400 "Прикладная математика и информатика" и 010300 "Фундаментальная информатика и информационные технологии" / А.В. Старченко и др.; под ред. А.В. Старченко. – М.: Издательство Московского университета, 2010. – 199 с.
б) дополнительная литература:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
Кузьмин, М.А. Решение задач механики методом конечных элементов: учеб. пособие для
вузов по направлению подгот. дипломир. специалистов 651700 "Материаловедение, технологии материалов и покрытий" (по специальности 150502 "Конструирование и пр-во
изделий из композиц. материалов" / М.А. Кузьмин, Д.Л. Лебедев, Б.Г. Попов. – М.: Академкнига, 2008. – 159 с.
Абашев, В.М. Основы метода конечных элементов: учеб. пособие / В.М. Абашев. – М.:
МАИ-ПРИНТ , 2008. – 82 с.
Бабанов, В.В. Строительная механика Т. 2: учебник для вузов по направлению бакалавриата "Стр-во": в 2 т. / В.В. Бабанов. – М.: Академия, 2011. – 285 с.
Дарков, А.В. Строительная механика: учебник / А.В. Дарков, Н.Н. Шапошников. – СПб. и
др.: Лань, 2010. – 655 с.
Русанов, О.А. Применение метода конечных элементов в расчетах конструкций автомобильной техники: учеб. пособие / О.А. Русанов. – М.: Издательство МГИУ, 2008. – 54 с.
Строительная механика Кн. 1: Статика упругих систем : учеб. для вузов по направлению
подгот. дипломир. специалистов "Трансп. стр-во": в 2 кн. / В.Д. Потапов, А.В. Александров, С.Б. Косицын, Д.Б. Долотказин; под ред. В.Д. Потапова. – М.: Высшая школа, 2007.
– 511 с.
Воеводин, В.В. Параллельные вычисления: Учеб. пособие для вузов по направлению
510200 "Прикладная математика и информатика" / В.В. Воеводин, Вл.В. Воеводин. –
СПб.: БХВ-Петербург, 2004. – 599 с.
Басов, К.А. Графический интерфейс комплекса ANSYS / К.А. Басов. – М.: ДМК-Пресс,
2006. – 247 с.
Чернявский, А.О. Метод конечных элементов. Основы практического применения / А.О.
Чернявский // Инженерный журнал "Справочник". Приложение. – М.: Машиностроение,
2003. – №11. – С.1-24.
Чигарев, А.В. ANSYS для инженеров: Справ. пособие / А.В. Чигарев, А.С. Кравчук, А.Ф.
Смалюк. – М.: Машиностроение: Машиностроение-1, 2004. – 511 с.
в) отечественные и зарубежные журналы по дисциплине, имеющиеся в
библиотеке:
1.
2.
Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Математическое моделирование и программирование, науч. журн., Юж.-Урал. гос. ун-т; ЮУрГУ.
Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Вычислительная математика и информатика, науч. журн., Юж.-Урал. гос. ун-т; ЮУрГУ.
г) методические пособия для самостоятельной работы студента, для
преподавателя:
1. Белкин, А.Е. Расчет пластин методом конечных элементов: учеб. пособие для вузов по
направлению "Прикладная механика" специальности "Динамика и прочность машин" /
А.Е. Белкин, С.С. Гаврюшин. – М.: Издательство МГТУ, 2008. – 230 с.
Электронная учебно-методическая документация
Вид учебноНаименование
методической
разработки
документации
Ссылка на информационный ресурс
Наименование ресурса в
электронной
форме
Доступность
(сеть Интернет /
локальная сеть;
авторизованный /
свободный доступ)
16
Дополнительная литература
Дополнительная литература
Иванов Д.В.
Метод конечных элементов. Курс
лекций.
Практические
занятия по
ANSYS
http://dolivanov.immpu.sgu. DOLIVANOV.
ru/teach_material/lectures_ RU Расчет и
ansys
моделирование
Доступ свободный
http://dolivanov.immpu.sgu. DOLIVANOV.
ru/teach_material/practice_ RU Расчет и
ansys
моделирование
Доступ свободный
9. Материально-техническое обеспечение дисциплины
Вид занятий
ПЗ
ПЗ
Л
Основное оборудование, стенды, макеты, компьютерная техника,
предустановленное программное обеспечение, обеспечивающие
проведение всех видов занятий
276/3, 276а/3,
Ноутбуки, подключение к сети Интернет через беспроводные
290/3, 490/3
точки доступа Wi-Fi, электрические розетки, суперкомпьютер,
система «Персональный виртуальный компьютер», пакет программ ANSYS
110/3г, 112/3г
Компьютеры, подключение к сети Интернет, суперкомпьютер,
система «Персональный виртуальный компьютер», пакет программ ANSYS
Мультимедийная Компьютер, проектор
ауд.
№ ауд.
17