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高性能科学计算架构与优化入门

共计 30 章节
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01
课程导入与高性能科学计算全景
明确课程目标与学习路径 · 建立科学计算问题到计算架构的映射关系 · 理解性能度量指标（浮点性能
课程导入高性能科学计算全…
02
科学计算负载特征分析
剖析稠密线性代数 · 稀疏迭代 · N体模拟
科学计算负载特征…剖析稠密线性代数
03
现代处理器架构基础
理解流水线 · 超标量 · 乱序执行
现代处理器架构基…理解流水线
04
内存层次与数据局部性优化
掌握缓存行 · 预取 · TLB与NUMA对科学计算的影响
内存层次数据局部性优化
05
向量化编程与SIMD优化
学习编译器自动向量化条件与报告解读 · 使用intrinsics或编译指示显… · 分析对齐
SIMD向量化编程
06
共享内存并行编程基础（OpenMP）
掌握OpenMP线程创建 · 工作共享 · 数据作用域与同步机制
OpenMP共享内存并行编程…
07
OpenMP性能调优与任务并行
深入调度策略 · 线程亲和性 · 伪共享与任务依赖图
OpenMP性能调优
08
分布式内存并行编程基础（MPI）
理解进程 · 通信域 · 点对点与集合通信语义
MPI分布式内存并行编…
09
MPI通信优化与拓扑感知
学习非阻塞通信 · 通信与计算重叠 · 派生数据类型与虚拟拓扑
MPI通信优化
10
GPU架构与CUDA编程模型
理解GPU的SIMT执行模型 · 线程层次 · 内存层次与warp调度
GPUCUDA
11
GPU内核性能优化技术
掌握共享内存分块 · 寄存器分块 · bank冲突避免
GPU内核性能优化技术
12
异构计算与多GPU编程
学习CUDA流 · 事件与多GPU通信（NVLink/M… · 设计CPU-GPU协同的科学计算工作…
GPU异构计算
13
性能分析工具与方法论
使用perf · VTune · Nsight等工具进行热点识别
性能分析工具方法论
14
编译器优化与代码生成
理解优化级别 · 内联 · 循环展开
编译器优化代码生成
15
科学计算库与框架的高性能使用
学习BLAS · LAPACK · FFTW
科学计算库框架的高性能使用
16
稠密线性代数优化实战
以矩阵乘法 · Cholesky分解或LU分解为例 · 综合应用分块
稠密线性代数优化…以矩阵乘法
17
稀疏矩阵计算优化实战
针对CSR/COO/ELL等稀疏格式 · 优化稀疏矩阵向量乘与稀疏三角求解 · 处理负载不均衡与不规则访存
稀疏矩阵计算优化…CSR/COO/ELL
18
快速傅里叶变换高性能实现
理解FFT的分治与蝶形运算结构 · 分析缓存与并行优化策略 · 使用FFTW或自研内核完成一维/二维…
快速傅里叶变换高…FFT
19
模板计算与Stencil优化
以热传导或波动方程为例 · 应用时间分块 · 空间分块
Stencil模板计算
20
N体模拟与粒子方法优化
分析短程/长程力的计算模式 · 应用空间分块 · 邻居列表
N体模拟粒子方法优化
21
蒙特卡洛科学计算并行化
理解随机数生成与统计收敛 · 设计可复现的并行蒙特卡洛方案 · 应用OpenMP/MPI/GPU加速
蒙特卡洛科学计算…理解随机数生成
22
混合并行编程模型（MPI+OpenMP/GPU）
设计节点内共享内存与节点间消息传递的… · 优化进程/线程绑定与通信域划分 · 完成混合并行模板计算或线性代数应用
MPI+OpenMP/G…混合并行编程模型
23
性能建模与可扩展性分析
学习强扩展与弱扩展度量 · Amdahl与Gustafson定律 · 通信复杂度模型
性能建模可扩展性分析
24
I/O与数据管理优化
理解并行文件系统与MPI-IO · 优化科学计算应用的数据读写模式 · 应用分块I/O
I/O数据管理优化
25
科学计算工作流与容器化部署
构建可复现的高性能计算环境 · 使用容器与模块系统管理依赖 · 设计批处理作业脚本与性能基准测试流程
科学计算工作流容器化部署
26
低精度与混合精度计算
理解FP16/BF16/FP32/F… · 应用混合精度迭代求精与误差补偿技术 · 在GPU上优化线性代数或模板计算内核
低精度混合精度计算
27
面向新硬件架构的优化策略
了解多核/众核 · FPGA · Tensor Core与领域专用加速…
面向新硬件架构的…了解多核
28
并行算法设计与负载均衡
学习区域分解 · 任务分解与动态负载均衡策略 · 针对非规则科学计算问题设计并行算法
并行算法设计负载均衡
29
性能优化案例综合实战（一）
选择一个中等规模科学计算应用（如CF… · 完成性能剖析 · 热点优化
性能优化案例综合…CF
30
性能优化案例综合实战（二）与课程总结
对综合案例进行多级并行与通信优化 · 完成强/弱扩展性测试与性能建模 · 总结高性能科学计算架构与优化的方法论…
性能优化案例综合…课程总结