рограммирование и информатика екция 1. воднаяofvp.phys.msu.ru/upload/iblock/a94/Lecture1_2019.pdfинформатика екция 1. водная

Программирование и информатика

Лекция 1. Вводная

Святослав Александрович Шлёнов

кафедра общей физики и волновых процессов

[email protected]

История развития

вычислительной техники

Корпоративная среда для студентов,

аспирантов и сотрудников физфака МГУ

@physics.msu.ru

(В сотрудничестве с компанией Google)

Основные службы информационной системы

3

•Почта

•Календарь

•Документы

•Сайты

•Контакты

Web-интерфейс: mail.physics.msu.ru

14.11.2019 Программирование и информатика: Лекция 1 4

План лекции

Структура курса

Краткое историческое введение(от простейших счет до суперкомпьютеров)


Мотивация (потребности)

Редакторы,

Пакеты научной

графики,

Аналитические

вычисления

и др.

Общие

Языки

программи-

рования Си, Си++

Численные

методы

Компьютерное

моделирование

Программирование

аппаратуры

Автоматизация

эксперимента

Знакомство

с возможностями

Навыки

работыКурсы по выбору

Программирование и информатика – 1-ый курс

+ дисциплины блока компьютерной физики – 2-ой курс


Дисциплины по выбору(2-ой курс)

•Компьютерная физика(текстовые редакторы и пакет для построения научных графиков, символьные

вычисления, графический интерфейс + 2D графика в Си++, финальный проект)

• Параллельное программирование для решения задач

физики

• Система компьютерного моделирования Mathematica и ее

применение для решения физических задач

• Системы твердотельного трёхмерного проектирования

• Использование среды графического программирования

LabView для создания систем автоматизации физического

эксперимента

• Проектирование на ПЛИС (архитектура, методы работы и

применения)

кафедра общей физики и волновых процессов


Распределение материала курса«Программирование и

информатика» по семестрам

Язык программирования Си++Объектно-ориентированноепрограммирование

Семинары+практикум

II семестр

Основы программирования на языке СиФундаментальные компьютерные алгоритмы. (сортировка, поиск, работа со списками)Методы и алгоритмы вычислительной физики

Лекции+семинары+практикум5-42 1-31, 1-32

I семестр

В конце семестра – зачет с оценкой


Краткое историческое

введение

«В мире есть много трудных вещей, но нет

ничего труднее, чем четыре действия

арифметики».

Беда Достопочтенный, 673-735 гг.

Р.С Гутер, Ю.Л. Полунов «От абака до компьютера». М.: Знание, 1981.


Доисторические примитивные вычислительные устройства

Счеты – первый

калькулятор с

движущимися

механическими

частями

(3000 лет b.c., Вавилон)

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/b5/RomanAbacusRecon.jpg

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/b5/RomanAbacusRecon.jpg

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/7a/Schoty_abacus.jpg

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/7a/Schoty_abacus.jpg


Механические компьютеры

В 1642, в Париже Блез Паскаль (Blaise Pascal, 1623-1662)

построил первую механическую счетную машину – «колесо Паскаля»

Действия: + и –

350х125х75 мм


Арифметическая машина Паскаля

Около 10 лет - 50 разных экземпляров (из меди, слоновой

кости и т.п.).

Проблемы: материалы, механические, кадровые

Вычислительные: физическое представление чисел (угол!),

ввод и вывод данных, как выполнить операции (+/-)

механическим путем, перенос в разрядах.

Вычитание: сложение с десятичным дополнением

50 - 13 = 50 – (100-87) = 50 + 87 [-100] = 137 = 37

(в Машине Паскаля 6 разрядов, двоично-дополнительное представление в

современных системах)

2: 0000 0010

инвертируем: 1111 1101

+1

-2: 1111 1110

Двоично-дополнительное представ-ление отрицательных чисел


Знак кодируется старшим битом (в двоичном представлении)

Отрицательное число хранится в двоично-дополнительном

виде: пример -2 при хранении данных в одном байте (8 бит):

210 = 0000 00102

-2: 1000 00102 ?2-2=2+(-2) = 0 ?

0000 0010

1111 1110

0000 0000

+


Механическиекомпьютеры (продолжение)

В 1673 г. Готфрид Лейбниц (Gottfried Leibniz, 1646-1716)

построил т.н. “Калькулятор Лейбница”

Действия: +, -, *, /, sqrt(x)

Имел коммерческий успех, производился с 1862 по 1930


Механическиекомпьютеры (продолжение)

“Железный Феликс” прошлого века во многом напоминает

своего собрата, Калькулятор Лейбница


Механические компьютеры –ткацкий станок Жаккарда

В 1801 г. Жозеф Жаккард

(Joseph-Marie Jacquard)

создал ткацкий станок для

материй с узором с

программным управлением,

в котором использовал

перфоленту.

n n4 Первая

разность

вторая

разность

третья

разность

четвертая

разность

1

2

3

4

5

6

7

8

…

1

16

81

256

625

1296

2401

4096

…

15

65

175

369

671

1105

1695

…

50

110

194

302

434

590

…

60

84

108

132

156

…

24

24

24

24

…

Разностная машина Чарльза Бэббеджа

94 = 24 + 156 + 590 + 1695 +4096 = 6561

0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4

2

4

6

8

10

12

14

Конвейерная система маркизаде Прони

5 чел. – формулы и методы

7 чел. – численные значения в узловых точках

90 чел. – уплотняют таблицу


Табулирование

функций (tg(x))


В 1833 г. Чарльз Бэббидж начал работу над своей аналитической

машиной – первым в мире компьютером общего назначение, который

считывал инструкции с перфокарт (имела память – 1000 регистров,

логарифмические и др. вычисления). Разностная машина была

снабжена печатающим устройством.

В 1842 леди Ада Лавлейс

составила первую программу

(числа Бернулли, язык Ада)

Аналитическая машина Чарльза Бэббеджа


Механические компьютеры -табулятор Холлерита

В 1896 г. Герман Холлерит

создал первую электро-

механическую машину—

Табулятор Холлерита—

для переписи населения

США

Основал в 1911 г. Tabulating

Machine Company, которая

в 1924 г. переименована в

International Business

Machines Corporation (IBM)

http://darudar.org/var/files/img/27/ff/27ff0aef15f22a4bb3e66963277ad8dc_600.jpg



Компактные механические компьютеры – логарифмическая

линейка“Карманный калькулятор” инженеров до 70-х годов

прошлого века - логарифмическая линейка

Первая логарифмическая линейка была создана

Уильямом Оутредом в Англии в 1622 г.!

«Вы, конечно, шутите, мистер Фейнман?»


«… чтобы понять, что именно происходит во время

взрыва бомбы, … требовалась намного больше

выкладок, чем мы могли делать. Но один умный

человек по имени Стэнли Френкель сообразил, что

вычисления, можно, сделать на машинах IBM.

Компания IBM выпускала устройства для сложения,

называемые табуляторами, и машины для умножения

– мультипликаторы, в которые можно было

закладывать карточки: машина считывала два числа с

карточки и умножала их. Были также устройства,

которые сравнивали числа, сортировали их и т.д. И

вот Френкель придумал замечательную программу.

Если бы мы собрали довольно много таких машин в

одной комнате, то мы смогли бы взять карточки и

запустить их по циклу.»


Первые ЭВМ

В 1942 г. Джон Атанасов и Клиффорд Берри создали

в университете штата Айова первую цифровую ЭВМ--ABC

Атанасов сформулировал принципы

цифрового компьютера: в своей

работе он будет использовать

электричество и достижения

электроники:

•его работа будет основана на

двоичной системе счисления;

•основой запоминающего устройства

будут служить конденсаторы;

•будут использованы логические

электронные схемы.


Первые ЭВМ - ENIAC

В 1946 г. в США Мочли и Эккертом

построена ЭВМ

ENIAC (Electronic Numerical Integrator

and Computer), University of Pennsylvania

Параметры: вес 30 тон, 2 этажа,

18000 ламп, 70000 сопротивлений,

10000 емкостей, 6000 реле

5000 арифм. оп/с;

программирование — перетыкание

проводов


Архитектура фон Неймана

В 1946 г. фон Нейман

разработал концепцию

архитектуры компьютера

(принцип совместного

хранения программ и данных

в памяти компьютера )

В 1949 г. в Англии создан прототип современной

ЭВМ — EDSAC (ОЗУ, 512 ячеек памяти)

В общем случае - физическое отделение процессорного

модуля от устройств хранения программ и данных.

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/3c/%D0%90%D1%80%D1%85%D0%B8%D1%82%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%83%D1%80%D0%B0_%D1%84%D0%BE%D0%BD_%D0%9D%D0%B5%D0%B9%D0%BC%D0%B0%D0%BD%D0%B0.png

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/3c/%D0%90%D1%80%D1%85%D0%B8%D1%82%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%83%D1%80%D0%B0_%D1%84%D0%BE%D0%BD_%D0%9D%D0%B5%D0%B9%D0%BC%D0%B0%D0%BD%D0%B0.png


А что происходило в СССР?

1947 г., МЭСМ (малая электронно-счетная машина); Киев, ин-т электротехники под рук. акад. С.А. Лебедева

1951 г., запуск в производство

1952-54 гг., БЭСМ-1, Стрела, М-2, М-3(серийно!!!)

1961 г., Раздан-2 – первая транзисторная ЭВМ в СССР

Затем, Минск, Урал, Мир, БЭСМ-4, М-220, БЭСМ-6, …


ЭВМ БЭСМ-6

Знаменитая ЭВМ БЭСМ-6, во многом предвосхитившая

свое время




Прогресс технологии -транзистор

В 1947 г. Вильям Шокли,

Джон Бардин и Уолтер Браттейн

(Bell Labs) продемонстрировали первый

транзистор


Прогресс технологии –интегральные схемы

В 1961 г. – первая ИС

из 4-х транзисторов

(фото)

В 1968 – ИС из 180

транзисторов


Прогресс технологии -микропроцессор

В 1976 г. – первый 16 рр.

микропроцессор

(20000 транзисторов)


Прогресс технологии -интегральные схемы

Так выглядит

кремниевая

пластина с

напыленными на

нее ИС


Поколения ЭВМ

1 Электронные

лампы

1945-55

2 Транзисторы

(п/п триоды)

1955-65

3 Интегральные

схемы (ИС)

1965-70

4 БИС 1970-1980

5 СБИС + новые

технологии

1980-…


Закон Мура

Закон Мура

гласит, что число

транзисторов на

кристалле

удваивается

каждые два года

wikipedia.org

Высокопроизводительные вычисления (High Performance Computing)


Области применения

Высокие технологии, научные исследования, шоу

бизнес

Рост производительности

Много процессоров (100, 1000 и больше) –

суперкомпьютеры

Векторные процессоры

SMP – системы (symmetric multiprocessing, разделяют общую

память)

MPP – (massive parallel processing, системы с массовым

параллелизмом)


Высокопроизводительные вычисления

SMP – системы (symmetric multiprocessing) разделяют

общую память Пример: двухпроцессорные системы

бытового уровня



В MPP (massive parallel processing) системе каждый

процессор имеет собственное ОЗУ



Вычислительный кластер: MPP система, объединяющая

компьютеры- потенциально более дешевая система


Вычислительные кластеры

Кластер состоит из отдельных машин (узлов) и объединяющей их сети: узлы, фронтальная машина, сервер, рабочая станция для

визуализации)

сеть: Gigabit Ethernet

Myrinet

Scalable Coherent Interconnection (SCI)

Infiniband — высокоскоростная коммутируемая последовательная шина (до 120 ГБит/c)

ПО: ОС Linux, ПО поддержки параллельного программирования и распределения вычислительной нагрузкиПараллельное программирование:

библиотеки MPI и OpenMP


Проект Beowulf

1994 г., NASA: 16-

процессорный

кластер: 486DX4/100

MHz, 16 MB

10 Mbit Ethernet


Вычислительный кластер МГУ


Количество ядер: 5000

Пиковая производительность: 60

Tflop/s

Производительность на Linpack:

47 Tflop/s (78.4 %)

ОЗУ 5.5 Тбайт

Узлы кластера:

Два 4-х ядерных

процессора Intel Xeon

3.0 ГГц, 8 Гбайт ОЗУ

HDD 160 Гбайт

Кластер СКИФ

им. Чебышёва

Суперкомпьютер МГУ

TFlops (терафлопс) – 1012 операций с плавающей точкой в секунду

по тесту LINPAK – решение системы линейных уравнений.


Число вычислительных узлов:

6199

Пиковая производительность:

1,7 Pflop/s


901,9 Tflop/s (53%)

ОЗУ 92 Тбайт

Основные узлы кластера:

Два 4-х ядерных

процессора Intel Xeon

X5570/5670 2.93 ГГц

Кластер «Ломоносов»

Cуперкомпьютер «Ломоносов»

+ графический процессор Nvidia

X2070


Число вычислительных узлов:

1696 (14 cores)

Пиковая производительность:

4,946 Pflop/s


2,478 Pflop/s (50%)

ОЗУ 64 ГБ/узел

Основные узлы кластера:

14-и ядерные

процессоры Intel

Haswell-EP E5-2697v3

2.6 ГГц

Кластер «Ломоносов-2»

Cуперкомпьютер «Ломоносов-2»

+ ускоритель NVidia Tesla K40M


Высокопроизводительные системы: список Top500, июнь 2019

ww

w.t

op500.o

rg


Высокопроизводительные системы: список Top500, июнь 2019, Россия

ww

w.t

op

500.o

rg

июнь 2011


Высокопроизводительные системы: список Top500, июнь 2018, Россия

ww

w.t

op

500.o

rg


Страны в списке Top500www.top500.org

1,4% 7 шт

2011 Россия (8)

Россия (19-23)

0,4% 2 шт


Архитектура в списке Top500www.top500.org


Рост производительностиw

ww

.top500.o

rg


Литература по лекционному материалу

1. Р.С. Гутер, Ю.Л. Полунов. От абака до компьютера. – М.: Знание, 1975, 192 с(2-ое издание – 1981).

2. www.top500.org

Материал лекций доступен на сайте:

http://ofvp.phys.msu.ru/science_education/lections/

- Раздел «Программирование и информатика»

Documents

рограммирование и информатика екция 1. воднаяofvp.phys.msu.ru/upload/iblock/a94/Lecture1_2019.pdfинформатика екция 1. водная