Aufgabenbeschreibung im Rahmen der Ausschreibung 2012-II der Virtuellen Hochschule Bayern

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1 Aufgabenbeschreibung im Rahmen der Ausschreibung 2012-II der Virtuellen Hochschule Bayern Da es durchaus möglich sein kann, dass das Lehrangebot an den beteiligten Hochschulen unterschiedlich eingesetzt wird, sind bei jedem Punkt sämtliche eventuellen Varianten aufzuführen. 1. Beteiligte Hochschulen: Konsortialführende Hochschule der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Trägerhochschule Straße, Nr. Schloßplatz 4 Postleitzahl, Ort Erlangen Verantwortlicher Ansprechpartner der Bedarfsanmeldung Prof. Dr.-Ing. Dietmar Fey Telefon-Nr / Fax-Nr / dietmar.fey@cs.fau.de Studiengangsverantwortlicher PD Dr.-Ing. habil. P. Wilke (Studiengangsverantwortlicher Informatik) Prof. D. Fey (Studiengagsverantwortlicher Computational Engineering) Fakultät/Department Technische Fakultät - Department Informatik Telefon-Nr / (PD Dr.-Ing. Wilke) bzw / (Prof. Fey) Fax-Nr / (PD Dr.-Ing. Wilke) bzw / (Prof. Fey) wilke@cs.fau.de (PD Dr.-Ing. Wilke) bzw. dietmar.fey@cs.fau.de Hochschule 2 der Hochschule Regensburg Trägerhochschule Straße, Nr. Seybothstraße 2, Postfach Postleitzahl, Ort Regensburg Verantwortlicher Ansprechpartner der Bedarfsanmeldung Prof. Dr. Jürgen Mottok Telefon-Nr. 0941/ Fax-Nr. 0941/ juergen.mottok@hs-regensburg.de Studiengangsverantwortlicher Prof. Dr.-Ing. Thomas Fuhrmann Fakultät/Department Elektro- und Informationstechnik Telefon-Nr. 0941/ Fax-Nr. 0941/ thomas.fuhrmann@hs-regensburg.de 2. Titel des zu realisierenden Lehrangebots: HETRON Online - Ein Online Kurs für die Nutzung paralleler und heterogener Rechnerarchitekturen Aufgabenbeschreibung 2012-II - 1 -

2 3 a) Art des Lehrangebots: (online-vorlesung, -Seminar, -Übung, -Praktikum) Online-Vorlesung mit praktischer Online-Übung 3 b) Umfang des Lehrangebots: Zahl der SWS:4 Leistungspunkte nach ECTS:5 4. Inhalt: (ausführliche Beschreibung des benötigten Inhalts einschließlich der Prüfungsanforderungen: Ziele, Zielgruppe Lerner, Rolle/Einbindung der Lehrenden) Ziele: Ziel des Kurses ist es, möglichst die gesamte Bandbreite der Formen heterogenen Rechnens zu beleuchten. Diese fängt an bei fein-granularen Architekturen auf der Basis von FPGAs, die die höchste Flexibilität bei der Hardwareanpassung bieten, aber hinsichtlich Speicher- und bestimmten Rechenressourcen (Fließkomma-Arithmetik) beschränkt sind. Sie setzt sich fort über GPUs und CPUs, die praktisch wenig Flexibilität bei Applikations-spezifischer Hardwareanpassung bieten, jedoch eher für grob-granulare Aufgaben das Mittel der Wahl sind, und endet bei Parallelität in Grid-/Cloud-Strukturen, in denen durch Abstraktion und Virtualisierung die Heterogenität der Ressourcen für den Benutzer versteckt wird und dadurch für den Benutzer einen transparenten Zugriff auf die heterogene Hardware bereitstellt. Demzufolge sind die geplanten Lehreinheiten wie folgt strukturiert. Inhalt: 1. Einführung in Heterogenität und Grundlagen der Parallelität a. Grundlagen der Kopplung paralleler Prozess (Nachrichtenkopplung bzw. Speicherkopplung (NUMA vs. SMP)) b. Speicherkopplung (DSM, gemeinsamer Speicher) c. Entwicklung zu Multikern-/Vielkernarchitekturen d. High-Performance Computing vs. Embedded Computing e. Heterogenität durch Beschleuniger-Hardware (Grundzüge des Architektur-Aufbaus eines FPGA und einer GPU) f. Parallele Programmierparadigmen / Parallele Design-Patterns (Pipelining,Task- /Datenparallelität...) g. Parallelisierungsstrategien (peinlich parallel, geometrische Partitionierung) 2. Programmierung und Aufbau von heterogenen Architekturen a. Vorstellung ausgewählter Programmier-Beispiele Anhand von ausgewählten Programmier-Beispielen soll aufgezeigt werden, welche Klassen von Anwendungen auf welchen Architekturen besonders geeignet sind. Vereinfacht gilt, je fein-granularer die Applikation desto geeigneter eine fein-granulare Architektur, wie z.b. eine GPU oder ein FPGA, und umgekehrt gilt, je grob-granularer die Applikation desto geeigneter eine grob-granulare Architektur, wie z.b. eine CPU. Außerdem sind neben der reinen Leistungsfähigkeit einer Architektur auch energetische Aspekte, gemessen in erzielbarer Rechenleistung pro aufzuwendendes Watt, zu vermitteln. Bei den Programmierbeispielen handelt es sich um folgende Applikationen, die sich hinsichtlich Aufgabenbeschreibung 2012-II - 2 -

3 des Grades an Granularität von fein- (i) zu grob-granular (iii) steigern und auch hinsichtlich der Kommunikation zwischen den Prozessoren untereinander lose bzw. eng gekoppelt sind (s. 1.g)). i. Bit shuffling stuff: BitCoin Mining - SHA1 (High-Throughput Computing, peinlich parallel), (FPGA) ii. Passwort-Knacken, Verschlüsselung, (peinlich parallel, aber rechenintensiver als i)) (FPGA, GPU, CPU) iii. Stencil Codes, (geometrische Partitionierung) (GPU, CPU) b. Einführung in OpenCL Als Programmiersprache für CPU und GPU soll OpenCL verwendet werden, deren Anspruch es ist, Heterogenität bei Multikern-Prozessoren zu verdecken. Daher soll eine Einführung in OpenCL erfolgen. c. x86 Multikern-Architekturen i. Multi-Core Programmierung (NUMA etc.) ii. Multi-Node Programmierung Die Grundzüge von homogenen Multikern-Architekturen anhand von x86-prozessoren werden aufgezeigt (Speicher-/Cachehierarchie). Die Unterschiede bei der Programmierung von Multi- Core und Multi-Node (Multiprozessorsystem aufgebaut aus Multicore) unter Ausnutzung von NUMA-Kopplung werden anhand von Beispielen erläutert. In den Übungen wird das Beispiel aus 2.a (ii) und 2.a (iii) umgesetzt. d. Architektur und Programmierung einer GPU Der Aufbau einer GPU wird gegenüber 1.e anhand einer GTX480/580 von Nvidia vertieft und in den Übungen werden die Beispiele 2.a (i) und 2.a (ii) umgesetzt. e. Architektur und Programmierung eines FPGA-Clusters Unter Nutzung von vorgefertigten IP-Blöcken werden konfigurierbare parallele Architekturen im FPGA aufgebaut und unter Nutzung einer C++-Schnittstelle programmiert. In den Übungen wird das Beispiel 2.a (i) umgesetzt. 3. Parallelität in Cloud/Grid Computing Im letzten Kapitel wird die Parallelität im Sinne eines verteilten Rechnens im Grid bzw. in der Cloud vermittelt. Heterogenität wird hierbei versteckt durch die Konzepte der Virtualisierung und Abstrahierung, welche die heterogenen Welten vereinen. In den Übungen wird ein (welt)weit verteilter Cluster genutzt, der alle unter c)-e) gelernten Architekturen einsetzt anhand eines Beispiels aus dem High-Throughput-Computing 2.a (i). Prüfungsanforderungen: Die erfolgreiche Teilnahme an der Lehrveranstaltung erfolgt durch eine abschließende mündliche Prüfung von 30 Minuten Dauer, in der Inhalte aus den Vorlesungen und den Übungen geprüft werden. Zielgruppe Lerner: Studierende an Hochschulen für Angewandte Wissenschaften und Universitäten in Informatikoder Informatik-nahen Studiengängen, bzw. Studiengängen mit Ausrichtung wissenschaftliches Rechnen / Computational Engineering in Bayern. Z.B. Ohm-Hochschule Nürnberg Studiengang Aufgabenbeschreibung 2012-II - 3 -

4 Angewandte Mathematik und Physik, Hochschule München Studiengang Scientific Computing. Speziell an der FAU in den Studiengängen Bachelor/Master Informatik (Vertiefungsrichtung Rechnerarchitektur) bzw. Bachelor Computational Engineering (Technisches Wahlfach) und an der Hochschule Regensburg in den Bachelor-Studiengängen a) Elektro- und Informationstechnik (Bachelor) SPO vom b) Mechatronik (Bachelor) SPO vom c) Regenerative und Energieeffizienz (Bachelor) SPO vom platziert werden. Ebenfalls soll das Angebot im Studiengang Master of Applied Research genutzt werden können. Rolle / Einbindung der Lehrenden: Die Inhalte bzw. die Lehrmaterialien werden von qualifiziertem wissesnchaftlichem Personal der beteiligten Hochschulen erstellt. Die Prüfung wird von den Hochschulllehren durchgeführt. 5. Mediendidaktische Anforderungen: (unter Angabe der Medien, die für die gewählten Lehr- und Lernmethoden, wie z. B. Problemorientiertes Lernen erforderlich sind) Besondere mediendidaktische Anforderungen bestehen für den geplanten Kurs nicht. Es kann weitgehend auf die bereits für die Durchführung des VHB-Kurses FPGA-Online bewährte Infrastruktur zurückgegriffen werden. Diese besteht aus einem Webportal über das die Lerninhalte bezogen werden können. Die Kommunikation zwischen Tutoren und Studenten wird hingegen über abgewickelt. Dazu wurden Mailinglisten eingerichtet, wodurch auf einfache Art und Weise alle Studenten erreicht werden können und somit Gruppendiskussion ermöglicht werden. Außerdem ist für schnelle Rückfragen ein Chat eingerichtet. Um schwierigere Probleme zu lösen besteht außerdem die Möglichkeit der Videotelefonie (z.b. mit Skype), welche eine Desktopfreigabe umfasst, um eine induviduelle Betreung zu ermöglichen. 6. Technische Anforderungen: (sofern Vorgaben notwendig: ausführliche Beschreibung der benötigten Anforderungen an die ContentManagementSysteme, die einzelnen Tools und die LearningManagementSysteme) Auch hier gilt, dass für die Durchführung des Kurses HETRON auf die am Lehrstuhl Rechnerarchitektur der FAU vorhandene Infrastruktur für den VHB-Kurs FPGA-Online zurückgegriffen werden kann. Konkret handelt es sich um einen Apache Webserver für die Bereitstellung der Lehrmaterialien. Ergänzt wird dieses System durch Mailinglisten (mailman) und einen IRC Server für den Chatbetrieb. Für die Erstellung der Lehrinhalte wurde eine Infrastruktur auf Basis von elml geschaffen. Diese umfasst einfache Bearbeitung (XML basierend), Sicherung in einem Repository (git), automatische Transformation in HTML und PDF (XSLT), Upload auf den Server, sowie Veröffentlichung (Apache Konfiguration). Um den Anforderungen der Informatik gerecht zu werden wurde elml außerdem um ein Quellcode-Formatierungs-Tool erweitert, womit es möglich ist, beliebigen Quellcode in den Lehrinhalten automatisch zu formatieren. Durch die visuelle Hervorhebung wird die Vermittlung des hochkomplexen Stoffes vereinfacht, wodurch ein schnellerer Lernerfolg erzielt werden kann. Für die Realisierung der praktischen Arbeiten existiert am Lehrstuhl eine Serverinfrastruktur, bestehend aus mehreren Servereinheiten, Grafikkarten und einem zentralen Kopfknoten für die Verwaltung. Weitere Recheneinheiten sind am Standort Regensburg verfügbar (Tilera Aufgabenbeschreibung 2012-II - 4 -

5 Platform). Für die Benutzung, Verwaltung und Maintaining der Infrastruktur kommen Programme wie SGE (Sun Grid Engine), Puppet und Ganglia zum Einsatz. Der in diesem Projekt als Sachmittel beantragte FPGA Cluster lässt sich außerdem in die bestehenden Systeme integrieren. Dies wurde bereits in einer anderen Lehrveranstaltung mit Erfolg vorgenommen (FPGA-Online). 7. Anforderungen an die Betreuung: (Soll die Betreuung für alle beteiligten Hochschulen gemeinsam oder separat erfolgen? Wer soll die Betreuung übernehmen? Qualifikation der Tutoren) Die Betreuung der Lehrveranstaltung hinsichtlich der Prüfungsmodalitäten erfolgt für die Studierenden an den beteiligten Hochschulen an der jeweiligen Einrichtung durch die verantwortlichen Ansprechpartner, Prof. Fey und Prof. Mottok. Die Prüfung für die auswärtigen Studierenden wird durch die FAU durchgeführt. Die tutorielle Betreuung für alle Studierenden, also den Studierenden der beteiligten Hochschulen und der auswärtigen Studierenden, erfolgt durch die FAU, insbesondere durch die wissenschaftlichen Mitarbeiter, die die einzelnen Lektionen für die Lerninhalte ausarbeiten. Diese führen zeitnah zu Semesterbeginn in Erlangen eine 1-malige Tutoriumsveranstaltung zum Semesterbeginn als konstitutiver Bestandteil der Online-Lehrveranstaltung durch. Hier werden die Modalitäten des Zugangs zu dem heterogenen Compute-Cluster, der im Rahmen des Kurses in den Übungen verwendet wird, geklärt. Optional kann bei Bedarf seitens der teilnehmenden Studierenden am Ende der Vorlesung zeitnah vor der Prüfung noch ein Prüfungs-vorbereitendes Tutorium angeboten werden. Ferner wird ein FAQ-Forum aufgebaut, dessen Nutzen sich mehr auf immer wiederkehrende Fragen fokussiert und vor allem während der Durchführung der Vorlesung und der Übung eingesetzt wird. Erfahrungen, die hier seitens der FAU mit dem VHB-Kurs FPGA-Online gemacht wurden, zeigen, dass sich diese Methode für die Betreuung sehr gut bewährt hat. Bei den Tutoren handelt es sich um qualifiziertes wissenschaftliches Personal, das z.t. bereits durch eigene Vorlesungen Lehrerfahrung gesammelt hat. Alle Tutoren besitzen Erfahrung in der Lehre und Didaktik durch Abhalten von Übungen oder Betreuung des Bachelor-Praktikums "Parallele Rechnerarchitekturen". Die Tutoren sind aufgrund ihrer wissenschaftlichen Arbeit Spezialisten für die in den einzelnen Vorlesungen (Lessons, s. Abschnitt 4) zu vermittelnden Inhalte. Sie werden diese auch selbst ausarbeiten. Konkret handelt es sich bei den Tutoren um Prof. Fey (Kapitel 1), Herren Johannes Hofmann (M.Sc. Informatik, Kap. 2a u. Kap. 2e, Kap. 2c), Thomas Heller (M.Sc. Informatik, Kap. 2b, 2d), Dipl.-Inf. Max Schneider (Kap. 2e), Dipl.- Inf. Steffen Limmer (Kap. 2e, Kap. 3), Dipl.-Inf. Franz Richter (Kap. 3) und Dipl.-Inf. Marc Reichenbach (Kap. 3, bereits als Tutor im VHB-Kurs FPGA-Online tätig). Die Gesamt- Koordination wirde neben Prof. Fey Herr Johannes Hofmann übernehmen. 8. Besondere Anforderungen: Für den Aufbau der heterogenen Rechnerlandschaft, die zentraler Bestandteil der Übungen ist, wird ein FPGA-Cluster und ein GPU-Clusterrechner sowie der an der Hochschule Regensburg vorhandene Multi-Core-Rechner Tilera benötigt, die bereits z.t. vorhanden sind bzw. im Rahmen des Projektes aufgebaut werden. Für die Anschaffung der dafür erforderlichen Hardware im Umfang von T vorgesehen. Bzgl. des Einsatzes der Entwurfssoftware kann auf frei verfügbare Software zurückgegriffen werden bzw. es wird CAE-Software auf den Servern der FAU genutzt. Über ein entsprechendes Zeitmodell für die Nutzung, in dem eingeteilt wird wie viele Nutzer wann maximal den Online-Kurs durchführen, kann sicher Aufgabenbeschreibung 2012-II - 5 -

6 gestellt werden, dass immer eine bestimmte Zahl von Lizenzen zur Verfügung steht. 9. Zeitvorgabe: Vom Konsortium gewünschter Ersteinsatz (Bitte unbedingt Semester angeben.) Wintersemester 2014/ Erklärungen der beteiligten Trägerhochschulen: Konsortialführende Hochschule der Trägerhochschule Das von der konsortialführenden Hochschule benannte und beschriebene Lehrangebot wird nach Fertigstellung in das Curriculum des nebenstehenden Studiengangs bzw. die Curricula der nebenstehenden Studiengänge eingefügt als Pflichtfach als Wahlpflichtfach und zwar als vollständiger Ersatz als teilweiser Ersatz als Ergänzung (Zutreffendes bitte ankreuzen). Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) a) Bachelor / Master Informatik b) Bachelor Computational Engineering ( des Studiengangs/der Studiengänge) Die Hochschule verpflichtet sich, die Entwicklung des Lehrangebots zu begleiten und insbesondere an den Projekttreffen teilzunehmen. Diese Funktion übernimmt der unter Punkt 1 benannte Studiengangsverantwortliche. Erlangen, Ort, Datum Prof. Dr.-Ing. Dietmar Fey PD Dr.-Ing. Peter Wilke und Unterschrift der/des Studiengangsverantwortlichen bzw. der Studiendekanin/des Studiendekans Hochschule 2 der Trägerhochschule Hochschule Regensburg Das von der konsortialführenden Hochschule benannte und beschriebene Bachelor-Studiengängen Lehrangebot wird nach Fertigstellung in a) Elektro- und Informationstechnik (Bachelor) das Curriculum des nebenstehenden SPO vom Studiengangs bzw. die Curricula der b) Mechatronik (Bachelor) SPO vom nebenstehenden Studiengänge eingefügt c) Regenerative und Energieeffizienz als Pflichtfach als Wahlpflichtfach ( des Studiengangs/der Studiengänge) und zwar als vollständiger Ersatz als teilweiser Ersatz als Ergänzung (Zutreffendes bitte ankreuzen). Die Hochschule verpflichtet sich, die Entwicklung des Lehrangebots zu begleiten und Aufgabenbeschreibung 2012-II - 6 -

7 insbesondere an den Projekttreffen teilzunehmen. Diese Funktion übernimmt der unter Punkt 1 benannte Studiengangsverantwortliche. Regensburg, Ort, Datum Prof. Dr.-Ing. Thomas Fuhrmann und Unterschrift der/des Studiengangsverantwortlichen bzw. der Studiendekanin/des Studiendekans Aufgabenbeschreibung 2012-II - 7 -