ICS-A1120 Ohjelmointi 2 (5 op, IV V, kevät 2016)

Transkriptio

1 ICS-A1120 Ohjelmointi 2 (5 op, IV V, kevät 2016) Petteri Kaski Tietotekniikan laitos Aalto-yliopisto 22. helmikuuta

2 Rekisteröidy kurssille Oodissa Want to take ICS-A1120 in English as a self-study? Please follow the instructions here:

3 Ohjelmointi 2 Ohjelmoinnin ja laskennan periaatteita porttitasolta funktionaaliseen rinnakkaisohjelmointiin Laskenta: Eräs vähiten ymmärretyistä luonnonilmiöistä Ohjelmointi: Keino valjastaa laskenta haluttuun tarkoitukseen

4 Tuhat miljoonaa laskutoimitusta sekunnissa def test(m: Long) = { var i = 1L var s = 0L } while(i <= m) { s = s + i i = i + 1 } s // s = m val NANOS_PER_SEC = 1e9 val test_start_time = System.nanoTime test( l) val test_end_time = System.nanoTime val test_duration = test_end_time - test_start_time println("test took %.2f seconds".format(test_duration/nanos_per_sec))

5 Tuhat miljoonaa kappaletta sekunnissa Valon nopeus tyhjiössä m/s Laskutoimituksia ~ kpl/s Yhden laskutoimituksen suorittamiseen kuluvassa ajassa valo etenee tyhjiössä m/s kpl/s ~ 30 cm/kpl

6 Koneen suorituskyvyn äärirajoilla (***) [demo]

7 Laitteisto Koejärjestely (1/2) CSC Tieteellinen laskenta Taito -superklusteri, Kajaani Varattu klusterista 1 kpl Haswell -laskentasolmu 2 x Intel Xeon E5-2690v3 2.6 GHz (2 prosessoria, Haswell-mikroarkk., = 24 suoritusydintä) 8 x HP DDR MiB 2133 MHz 1.2V RDIMM (128 GiB keskusmuistia, 4+4 muistikanavaa prosessoreille) Koe Kerrotaan keskenään 2 kpl tuplatarkkuus-liukulukumatriiseja kokoa x (= 4.8 GB/matriisi), jolloin suoritetaan noin 2 x ~= laskutoimitusta

8 (***)

9 (***)

10 (Intel Xeon E7 v2 -lastu, Haswell-mikroarkkitehtuuri, 2.8 GHz kellotaajuus, 15 suoritusydintä, 4.3 miljardia transistoria, 22 nanometrin litografia) (CSC Tieteellinen laskenta, Kajaani)

11 = GFLOPS (miljardia laskutoimitusta sekunnissa; teoreettinen maksimi) 2 prosessoria (Intel Xeon E5-2690v3) 2.6 GHz kellotaajuus (2.6 miljardia kellojaksoa/sekunti) 12 suoritusydintä/prosessori 2 FMA (fused-multiply-add) AVX2 suoritusporttia/ydin 2 liukulukulaskutoimitusta kellojaksossa/portti 4 kpl 64-bittisiä tuplatarkkuus-liukulukuja / AVX2-rekisteri

12 Intel Haswell konekieliesimerkki (***) 1029: c4 e2 7d vbroadcastsd (%rdx),%ymm0 102e: c4 e2 7d 19 0c 0a vbroadcastsd (%rdx,%rcx,1),%ymm1 1034: c4 e2 7d a vbroadcastsd (%rdx,%rcx,2),%ymm2 103a: c2 08 add $0x8,%rdx 103e: c5 fd vmovapd (%rax),%ymm3 1042: c4 e2 fd b8 e3 vfmadd231pd %ymm3,%ymm0,%ymm4 1047: c4 e2 f5 b8 eb vfmadd231pd %ymm3,%ymm1,%ymm5 104c: c4 e2 ed b8 f3 vfmadd231pd %ymm3,%ymm2,%ymm6 1051: c5 fd vmovapd 0x20(%rax),%ymm3 1056: c4 e2 fd b8 fb vfmadd231pd %ymm3,%ymm0,%ymm7 105b: c4 62 f5 b8 c3 vfmadd231pd %ymm3,%ymm1,%ymm8 1060: c4 62 ed b8 cb vfmadd231pd %ymm3,%ymm2,%ymm9 1065: c5 fd vmovapd 0x40(%rax),%ymm3 106a: c4 62 fd b8 d3 vfmadd231pd %ymm3,%ymm0,%ymm10 106f: c4 62 f5 b8 db vfmadd231pd %ymm3,%ymm1,%ymm : c4 62 ed b8 e3 vfmadd231pd %ymm3,%ymm2,%ymm : c5 fd vmovapd 0x60(%rax),%ymm3 107e: c4 62 fd b8 eb vfmadd231pd %ymm3,%ymm0,%ymm : c4 62 f5 b8 f3 vfmadd231pd %ymm3,%ymm1,%ymm : c4 62 ed b8 fb vfmadd231pd %ymm3,%ymm2,%ymm15 108d: c8 add %rcx,%rax 1090: 48 ff cb dec %rbx 1093: jne 1029 Esimerkki: Matriisikertolaskualirutiinin sisin silmukka Intel x86 64 konekielellä käyttäen hyväksi Haswell- mikroarkkitehtuurin tukemia AVX2 & FMA -käskykantalaajennuksia

13 Laitteisto Koejärjestely (2/2) Apple MacBook Pro (early 2015 model) 1 x Intel Core i7-5557u 3.10 GHz (1 prosessori, Broadwell-mikroarkkitehtuuri, 2 suoritusydintä) 2 x 8 GiB LPDDR DIMM (16 GiB keskusmuistia, 2 muistikanavaa prosessorille) Koe Kerrotaan keskenään 2 kpl tuplatarkkuus-liukulukumatriiseja kokoa 6144 x 6144 (~= 300 MB/matriisi), jolloin suoritetaan noin 2 x ~= laskutoimitusta

14 = 99.2 GFLOPS (miljardia laskutoimitusta sekunnissa; teoreettinen maksimi) 1 prosessori (Intel Core i7-5557u) 3.1 GHz kellotaajuus (3.1 miljardia kellojaksoa/sekunti) 2 suoritusydintä/prosessori 2 FMA (fused-multiply-add) AVX2 suoritusporttia/ydin 2 liukulukulaskutoimitusta kellojaksossa/portti 4 kpl 64-bittisiä tuplatarkkuus-liukulukuja / AVX2-rekisteri

15 Laskenta ja ohjelmointi Laskenta on luonnonilmiö Ohjelmointi on keino valjastaa laskenta haluttuun tarkoitukseen Ohjelmointitaito ja ymmärrys laskennasta ovat välttämätön osa tieteellistä yleissivistystä tietojenkäsittelytieteen alkeet

16 Tietojenkäsittelytiede on nuori tieteenala (P vs NP -ongelma on erinomainen esimerkki siitä että ymmärryksemme laskennasta ja siitä mitä tehtäviä voidaan ratkoa tehokkaasti ei ole vielä erityisen kypsä töitä siis riittää!)

17 Esimerkki NP-täydellisestä tehtävänasettelusta Voidaanko luku 2016 muodostaa summana kokonaisluvuista 87, 115, 153, 265, 394, 476, 516, 664, 670, 791 jos jokaista lukua saa käyttää enintään kerran? Ei tunneta menetelmää joka tehokkaasti ratkaisisi tehtävän sen yleisessä muodossa (= mielivaltaisen monta mielivaltaisen suurta lukua)

18 2016 = (Pienillä syötteillä ratkaisu toki onnistuu.)

19 Osajoukkosumma-ongelmasta enemmän (***) STACS 16 February 17 20, 2016 Orléans, France

20 Comm. ACM, January 2016 (***) Comm. ACM, March 2013 (***)

21 Ohjelmointi 2 Ohjelmoinnin ja laskennan periaatteita porttitasolta funktionaaliseen rinnakkaisohjelmointiin Laskenta: Eräs vähiten ymmärretyistä luonnonilmiöistä Ohjelmointi: Keino valjastaa laskenta haluttuun tarkoitukseen

22 Porttitasolta tehdashallitietokoneeseen (Intel Xeon Phi Knights Landing -lastu, 72 suoritusydintä, 8 miljardia transistoria, 14 nanometrin litografia) (Google Hamina)

23 ICS-A1120 kevät tehtäväkierrosta (yhteispisteistä arvosana) Huom: Kevään 2016 toteutuksessa kurssisuoritukseen ei kuulu tenttiä Lämmittelykierros + 3 moduulia (4+4+3 tehtäväkierrosta)

24 Sisältö (kierrokset ja moduulit) I 1. Lämmittelykierros Tietokoneen mysteeri 2. Bitit ja data 3. Kombinaatiologiikka 4. Sekventiaalilogiikka 5. Ohjelmoitava kone II Abstraktiot ja analyysi III Funktionaalinen ohjelmointityyli Suorituskykyanalyysi Rekursio Algoritmit ja informaation esitykset Uuden äärellä 10. Rinnakkaisuus ja samanaikaisuus 11. Virtualisointi ja skaalautuvuus 12. Ohjelmoitava vai oppiva kone?

25 Määräajat Jokaisen kierroksen tehtäviin liittyy kaksi kierroskohtaista määräaikaa ("deadline"): varsinainen palautusmääräaika, ja jatkoajan määräaika Kierroskohtaiset tarkat määräajat seuraavalla kalvolla Kaikki määräajat Suomen aikaa Kierroksen varsinaiseen määräaikaan mennessä palautetut tehtävät arvostellaan täysillä pisteillä Kierroksen varsinaisen määräajan umpeuduttua alkaa jatkoaika Jatkoajalla, jatkoajan määräaikaan mennessä palautetut tehtävät arvostellaan 70% täysistä pisteistä Jatkoajan määräajan umpeuduttua kierroksen tehtäviä ei ole enää mahdollista palauttaa arvosteltavaksi

26 Määräajat (klo 20:00) 1. Lämmittelykierros I Tietokoneen mysteeri 2. Bitit ja data 3. Kombinaatiologiikka 4. Sekventiaalilogiikka 5. Ohjelmoitava kone II Abstraktiot ja analyysi 6. Funktionaalinen ohjelmointityyli 7. Suorituskykyanalyysi 8. Rekursio 9. Algoritmit ja informaation esitykset III Uuden äärellä 10. Rinnakkaisuus ja samanaikaisuus 11. Virtualisointi ja skaalautuvuus 12. Ohjelmoitava vai oppiva kone? Tämän viikon perjantai Varsinainen määräaika Jatkoajan määräaika (70% pisteistä)

27 Mitoitus (= 5 op) 5 op = noin 133h työtä 12 tehtäväkierrosta Kierros = 11h työtä 2h luento 9h itsenäinen työskentely (tehtävät)

28 Tehtävät Saatavilla ja palautetaan A+ järjestelmään: Jaetaan Eclipse -paketteina Kahta tyyppiä: Normaalit tehtävät Haastetehtävät ( Challenge problems )

29 Kurssin suorittaminen ja arvostelu Ratkaisemalla tehtäviä (riittävä pistemäärä arvosanaan 1) 12 kierrosta Jokaiselta mahdollisuus saada ainakin 400 pistettä, poislukien lämmittelykierros, josta mahdollista saada ainakin 200 pistettä Arvosteluasteikko: alle 1200 pistettä hylätty vähintään 1200 pistettä arvosana 1 vähintään 1900 pistettä arvosana 2 vähintään 2600 pistettä arvosana 3 vähintään 3300 pistettä arvosana 4 vähintään 4000 pistettä arvosana 5

30 Normaalit tehtävät ja haastetehtävät Assistentti auttaa, normaalitehtävissä Arvosanan 5 saa täysin ilman haastetehtäviäkin Haastetehtävät = haasta itsesi, omalla vastuulla Tausta: Miksi haastetehtävät? Ohjelmointitaito vaihtelee suuresti Ohjelmointi 1 kurssipalautteessa toive myös haastavammasta materiaalista Mainos: Kilpaohjelmointia

31 Kotitehtävät ovat luottamuksellisia yksilötöitä Ohjelmointi on sekä yksilö- että joukkuelaji, jossa riittävät itsenäiset taidot luovat pohjan tuottavalle joukkuetyöskentelylle Kurssilla ICS-A1120 Ohjelmointi 2 työskennellään itsenäisesti riittävän itsenäisen ohjelmointitaidon saavuttamiseksi Koska ohjelmatekstin itsenäinen laatiminen on ohjelmointityössä välttämätön yksilötaito, ohjelmatekstin laatiminen yhteistyössä on kurssilla kielletty Kurssin ohjelmointitehtävät ratkaistaan ja palautetaan sähköisesti arvosteltavaksi itse, luottamuksellisina yksilötöinä Luottamuksellisuudella tarkoitetaan tässä sitä, että omaa yksilötyötä ei saa erikseen tai julkisesti jakaa siten, että toisen opiskelijan itsenäiset ohjelmointitaidot jäävät puutteellisiksi tai niitä ei voida arvosteltavaksi palautettujen kurssisuoritteiden perusteella arvioida, esimerkiksi ohjelmatekstin kopioinnin takia

32 Työmuodot ja foorumit Luennot (luentoaikataulu ks. MyCourses) Itsenäinen työ Palaute assistenteilta (A+ kautta) IRC-kanava #ics-a1120 Assistentit auttavat (vuorot Maari A ja T7) (vertaistuki & assistenttipäivystys) Vastuuopettajan vastaanottoaika (keskiviikkoisin klo T-talo 3.krs. huone A334; tenttiviikkoina ei vastaanottoa) tarkista poikkeukset MyCourses-sivulta

33 Kurssikalenteri

34 Viikkoharjoitukset (Maari A ja T7) Määräaikapäivinä (ti, pe) yksi tuplavuoro

35 Materiaali Tehtävät ja palautus (A+ kautta) Lukemisto index.html MyCourses

36 1. Lämmittelykierros Scala-konsoli, yksikkötestit, ym. tutuksi (ks. lukemisto) Kerrataan jonojen (sequence) käsittelyä Kerrataan rekursion perusteet Kerrataan luokat, oliot, perintä

37 Tehtävät sequences workout jonojen käsittelyä (map, filter, jne) Pascal s triangle rekursion harjoittelua polynomials luokkien, olioiden, perinnän ja rakenteellisen rekursion harjoittelua longest increasing subsequence (haastetehtävä) pisin kasvava alijono lukujonossa

38 Kolme tärkeää asiaa (demo): 1) Verkkolukemisto index.html 2) Oikeat työkalut asennettuna 3) Eclipse-taitojen ABC A) Tehtäväpakettien tuonti Eclipseen B) Scala-konsolin käynnistäminen C) ** Yksikkötestit ennen tehtäväpalautusta **

39 Lämmittely-tehtäväkierros Määräaika perjantaina (26.2.) Rohkeasti tehtävien pariin!