科学与工程中的并行计算课程教学大纲
课程基本信息（Course Information）
课程代码 （Course Code）
*课程名称 （Course Name）
课程性质 (Course Type)
授课对象 （Audience）
授课语言 (Language of Instruction)
*开课院系 （School） 先修课程 （Prerequisite） 授课教师 （Instructor）
*课程简介（Description）
The basics part includes the following several parts. a) Linux operation system and it's common commands; the installation of packages, compiling of source code, linking of objects, running of executables and data visualization. b) The hardware part of parallel machine including the discussion of the effect of memory on the FLOPS in a parallel machine. c) Two kinds of parallel machines, shared-address-space machines or multiprocessors and message passing platforms or multicomputers. The programming patterns for this two kinds of parallel machines. The topological connection in parallel machines. The principle for designing of parallel algorithms. d) The communication pattern based on message passing and its realization MPI. The course does not include the programming for shared-address-space machines，e.g., OpenMP, etc.. e) The performance metrics for parallel systems, e.g., parallel runtime, speedup, efficiency, scalability and optimal cost, etc..
应用部分包括三部分。1）和数值线性代数相关算法的并行实现。如矩 阵相乘、Gauss 消去法、大型稀疏矩阵的 LU 分解、QR 算法以及实现这 些并行并行算法的软件包 ScaLAPACK。线性方程组和特征根问题的迭代 算法的并行实现归结为矩阵和向量相乘的并行实现，所以迭代算法的 并行实现不在该课程中。基于快速 FFT 在数值模拟的重要性，我们着 重介绍它的并行实现和标准软件包 FFTW。2）工程问题中常见的偏微分 方程的数值模拟方法，包括差分、有限元和谱方法。差分方法和有限
MA3151
*学时 （Credit Hours）48源自*学分 （Credits）
3
（中文）科学与工程中的并行计算
（英文）An Introduction to Parallel Computation: Applications in Science and Engineering
专业方向选修 B 组
数学、物理、化学、材料、机械工程、核工程、航空航天工程等专业 本科生
中文
数学系
《C 语言》，《微积分》、《线性代数》
课程网址
李大明
无
(Course Webpage)
该课程包含两部分：1）并行计算基础；2）并行计算在科学和工程问
题中的几个应用。该课程不包含非数值模拟的并行计算。
*课程简介（Description）
基础部分包含若干部分。a）Linux 操作系统和常用命令，软件包安装、 编译源码、库连接产生可执行代码、运行和数据可视化等过程。b）并 行机器的硬件方面，特别介绍内存的限制对并行性能（峰值 FLOPS）的 影响。c）地址共享和非地址共享的并行机器，以及它们对应不同的编 程模式。介绍并行机器的网络连接的，以及并行算法设计的基本原理。 d）基于地址非共享并行机器中进程间的通信方式（即消息的发送和接 受操作）的并行算法以及性能评价，以及它们在 MPI 标准库中的实现。 地址共享机器的编程方式（基于多线程的 OpenMP）不做介绍。e）并行 算法性能的评价指标，如执行时间、加速比、效率、可扩展性、费用 最优等。
元的并行实现基于区域分解方法。我们分别用软件 Petsc 和 Deal.ii 实现差分方法和有限元的并行计算，并评价它们的并行性能。对于无 结构网格，我们介绍 Metis 软件，它实现了网格的均匀分割，同时相 邻子网格间的节点个数尽可能少。把子网格映射到进程后，确保进程 的负载平衡，同时进程间的通信尽可能少。谱方法的并行实现通过并 行的快速 FFT 实现。我们以 Poisson 为例说明这些方法的具体实现， 以及模拟结果对精度和进程个数的依赖。3）在科学应用部分，我们强 调一些普遍算法：分子动力学模拟、Monte Carlo 方法和 Langevin 动 力学，以及它们的并行实现。描述一个物理系统关键在于自由度的选 择。一个描述方法是以很多粒子（如它们的位置、动量等）作为自由 度，我们以 Brownian 运动为例通过分子动力学实现并行计算。另一个 是以连续场作为自由度，我们以量子场论的若干模型为例通过 Monte
Carlo 方法和 Langevin 动力学实现并行计算。
This course includes two parts: 1) The basics of parallel computation; 2) Applications of parallel computation in science and engineering. Non-numerical simulations are not included in this course.