高性能科学与工程计算

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出版者:机械工业出版社
作者:[德] Georg Hager
出品人:
页数:330
译者:张云泉
出版时间:2014-7-1
价格:69.00
装帧:平装
isbn号码:9787111466529
丛书系列:计算机科学丛书
图书标签:
  • 高性能计算
  • HPC
  • 计算机
  • 并行
  • 计算科学
  • 算法
  • CUDA&GPGPU
  • 科学计算
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  • 并行计算
  • 线性代数
  • 偏微分方程
  • 计算物理
  • 计算化学
  • 算法设计
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具体描述

《计算机科学丛书:高性能科学与工程计算》从工程实践的角度介绍了高性能计算的相关知识。主要内容包括现代处理器的体系结构、为读者理解当前体系结构和代码中的性能潜力和局限提供了坚实的理论基础。接下来讨论了高性能计算中的关键问题,包括串行优化、并行、OpenMP、MPI、混合程序设计技术。作者根据自身的研究也提出了一些前沿问题的解决方案,如编写有效的C++代码、GPU编程等。

《高性能科学与工程计算》 这是一本深度探讨如何利用现代计算技术解决复杂科学与工程问题的权威指南。本书不仅涵盖了高性能计算(HPC)的核心概念和关键技术,更侧重于将这些理论知识转化为实际应用,帮助读者构建、优化和部署能够应对海量数据和计算密集型任务的解决方案。 本书内容概览: 并行计算基础与实践: 从多核处理器的架构原理出发,深入剖析共享内存模型(如OpenMP)和分布式内存模型(如MPI)的工作机制。本书将详细介绍如何设计和实现高效的并行算法,包括任务划分、数据分布、同步与通信策略,并辅以大量针对不同计算架构(CPU、GPU)的优化技巧,让读者掌握将串行代码转化为高性能并行程序的诀窍。 现代处理器架构与优化: 深入解析CPU的流水线、缓存层次、指令级并行等关键特性,以及GPU的SIMD/SIMT执行模型。读者将学习如何利用这些硬件特性来最大化计算效率,包括缓存友好的数据布局、向量化指令的使用、内存访问模式的优化,以及针对GPU特性的内核开发和显存管理。 高性能算法设计与分析: 重点介绍在科学与工程计算中常用的高性能算法,例如求解线性方程组的迭代方法、快速傅里叶变换(FFT)、矩阵乘法、粒子模拟算法等。本书将从算法复杂度、并行效率、内存占用等角度对这些算法进行深入分析,并指导读者如何根据具体问题和计算平台选择最优算法,以及如何进行算法的并行化改造。 数值库与编程框架: 系统介绍各种高性能数值库(如BLAS, LAPACK, cuBLAS, cuFFT等)的使用方法和底层优化原理。同时,本书还将探讨当前主流的高性能计算编程框架和中间件,如OpenACC、CUDA、SYCL等,帮助读者掌握利用这些工具高效开发跨平台并行应用程序的能力。 性能分析与调优: 提供一套系统化的性能分析方法论,包括使用性能分析工具(如`perf`、`gprof`、NVIDIA Nsight Systems等)识别性能瓶颈,分析CPU/GPU利用率、内存带宽、通信开销等关键指标。读者将学习如何根据分析结果进行有针对性的代码优化,包括算法改进、数据结构调整、并行度控制、内存访问优化等,最终实现计算任务的最优性能。 大规模数据处理与存储: 讨论如何在高性能计算环境中有效地处理和存储海量数据。内容涵盖并行文件系统、分布式存储解决方案,以及高效的数据读写策略,确保数据 I/O 不成为计算任务的瓶颈。 案例研究与应用实践: 结合科学与工程领域的具体问题,如天气预报、流体动力学模拟、结构分析、机器学习训练等,展示如何将本书介绍的理论和技术应用于解决实际挑战。通过分析真实世界的案例,读者可以更直观地理解高性能计算的威力,并获得启发,将其应用于自身的科研或工程项目中。 本书特色: 理论与实践并重: 既有扎实的理论基础,又强调实际操作和代码实现,确保读者能够学以致用。 面向现代计算架构: 紧跟HPC领域的发展趋势,重点关注多核CPU和GPU等主流硬件平台的优化技术。 丰富的示例代码: 提供大量易于理解和修改的示例代码,覆盖了各种并行编程模型和优化技术。 系统化的方法论: 引导读者建立起一套完整的科学与工程计算性能优化思路。 面向广泛读者群体: 适合对高性能计算感兴趣的计算机科学、工程学、物理学、数学等领域的学生、研究人员和工程师。 通过阅读《高性能科学与工程计算》,您将能够有效地提升计算效率,缩短模拟与分析时间,解决更具挑战性的科学与工程问题,从而在各自的领域取得突破。

作者简介

目录信息

Introduction to High Performance Computing for Scientists and Engineers
出版者的话
译者序

前言
缩略词
第1章 当代处理器
1.1 存储程序的计算机体系结构
1.2 基于高速缓存的通用微处理器体系结构
1.2.1 性能指标和基准测试
1.2.2 晶体管:摩尔定律
1.2.3 流水线
1.2.4 超标量
1.2.5 SIMD
1.3 存储层次
1.3.1 高速缓存
1.3.2 高速缓存映射
1.3.3 预取
1.4 多核处理器
1.5 多线程处理器
1.6 向量处理器
1.6.1 设计原理
1.6.2 最高性能估计
1.6.3 程序设计
习题
第2章 串行代码基本优化技术
2.1 标量剖析
2.1.1 基于函数和代码行的程序剖析
2.1.2 硬件性能计数器
2.1.3 手工代码插入
2.2 优化常识
2.2.1 少做工作
2.2.2 避免耗时运算
2.2.3 缩减工作集
2.3 小方法,大改进
2.3.1 消除常用子表达式
2.3.2 避免分支
2.3.3 使用SIMD指令集
2.4 编译器作用
2.4.1 通用优化选项
2.4.2 内联
2.4.3 别名
2.4.4 计算准确性
2.4.5 寄存器优化
2.4.6 利用编译日志
2.5 C++优化
2.5.1 临时变量
2.5.2 动态内存管理
2.5.3 循环与迭代器
习题
第3章 数据访存优化
3.1 平衡分析与lightspeed评估
3.1.1 基于带宽的性能建模
3.1.2 STREAM 基准测试
3.2 存储顺序
3.3 案例分析:Jacobi算法
3.4 案例分析:稠密矩阵转置
3.5 算法分类和访存优化
3.5.1 O(N)/O(N)
3.5.2 O(N2)/O(N2)
3.5.3 O(N3)/O(N2)
3.6 案例分析:稀疏矩阵向量乘
3.6.1 稀疏矩阵的存储机制
3.6.2 JDS sMVM优化
习题
第4章 并行计算机
4.1 并行计算模式分类
4.2 共享存储计算机
4.2.1 cache一致性
4.2.2 UMA
4.2.3 ccNUMA
4.3 分布式存储计算机
4.4 混合型系统
4.5 网络
4.5.1 网络的基本性能特征
4.5.2 总线
4.5.3 交换网络和胖树网络
4.5.4 Mesh 网络
4.5.5 混合网络
习题
第5章 并行性基础
5.1 为什么并行化
5.2 并行性
5.2.1 数据并行性
5.2.2 功能并行性
5.3 并行扩展性
5.3.1 限制并行执行的因素
5.3.2 可扩展性指标
5.3.3 简单可扩展性定律
5.3.4 并行效率
5.3.5 串行性能与强可扩展性
5.3.6 改进的性能模型
5.3.7 选择正确的扩展性基准
5.3.8 案例分析:低速处理器计算机能否变得更快
5.3.9 负载不均衡
习题
第6章 使用OpenMP进行共享存储并行编程
6.1 OpenMP简介
6.1.1 并行执行
6.1.2 数据作用域
6.1.3 循环的OpenMP工作共享
6.1.4 同步
6.1.5 归约
6.1.6 循环调度
6.1.7 任务
6.1.8 其他方面
6.2 案例分析:OpenMP并行实现Jacobi算法
6.3 高级OpenMP:波前并行化
习题
第7章 高效OpenMP编程
7.1 OpenMP程序性能分析
7.2 性能缺陷
7.2.1 减轻Open MP共享区开销
7.2.2 决定短循环的OpenMP开销
7.2.3 串行化
7.2.4 伪共享
7.3 案例分析:并行稀疏矩阵向量乘
习题
第8章 ccNUMA体系结构的局部性优化
8.1 ccNUMA的局部访问
8.1.1 首次访问方式分配页面
8.1.2 通过其他方式的局部性访问
8.2 案例分析:稀疏MVM的ccNUMA优化
8.3 页面布局缺陷
8.3.1 非NUMA友好的OpenMP调度
8.3.2 文件系统高速缓存
8.4 C++中的ccNUMA问题
8.4.1 对象数组
8.4.2 标准模板库
习题
第9章 使用MPI进行分布式存储并行内存编程
9.1 消息传递
9.2 MPI简介
9.2.1 一个简单例子
9.2.2 消息和点对点通信
9.2.3 集合通信
9.2.4 非阻塞点对点通信
9.2.5 虚拟拓扑
9.3 实例:Jacobi解法器的MPI并行
9.3.1 MPI实现
9.3.2 性能特征
习题
第10章 高效MPI编程
10.1 MPI性能工具
10.2 通信参数
10.3 同步、串行化和竞争
10.3.1 隐式串行化和同步
10.3.2 竞争
10.4 降低通信开销
10.4.1 最优化区域分解
10.4.2 聚合消息
10.4.3 非阻塞与异步通信
10.4.4 集合通信
10.5 理解节点内点对点通信
习题
第11章 MPI与OpenMP混合编程
11.1 基本MPI/OpenMP混合编程模型
11.1.1 向量模式实现
11.1.2 任务模式实现
11.1.3 案例分析:混合Jacobi解法器
11.2 MPI线程交互分类
11.3 混合分解及映射
11.3.1 每个节点一个MPI进程
11.3.2 每个插槽一个MPI进程
11.3.3 每个插槽多个MPI进程
11.4 混合编程的优势和劣势
11.4.1 改善的收敛速度
11.4.2 共享高速缓存中的数据重用
11.4.3 利用额外级别的并行性
11.4.4 重叠MPI通信和计算
11.4.5 减少MPI开销
11.4.6 多级别开销
11.4.7 向量模式下批量同步通信
附录A 多核环境中的拓扑和亲缘性
A.1 拓扑
A.2 线程和进程分布
A.2.1 外部亲缘性工具
A.2.2 程序控制亲缘性
A.3 非页面首次访问分配策略
附录B 习题解答
参考文献
· · · · · · (收起)

读后感

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用户评价

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我是一名对计算机科学充满好奇的学习者,虽然我目前的研究或工作领域并不直接与高性能计算紧密相关,但我一直对计算机如何能够“更快”地解决复杂问题感到着迷。看到《高性能科学与工程计算》这本书,我希望它能以一种相对易懂的方式,为我揭示高性能计算背后的奥秘。我期待书中不仅能介绍各种先进的计算方法和技术,更能解释它们为什么有效,以及在哪些场景下能够发挥出惊人的效果。我希望它能从基础的算法复杂度分析,讲到如何通过并行化、向量化等手段来提升计算速度,再到如何利用多核CPU、GPU等现代硬件的特性。我尤其希望这本书能提供一些具体的案例分析,让我能够看到这些理论是如何在实际的科学研究和工程应用中得到体现的。虽然我可能不会立刻成为一名高性能计算专家,但我希望通过这本书,能够建立起对这个领域的基本认知,了解其重要性,并且能够理解一些核心的概念和技术。这本书的厚度和深度让我觉得它是一份扎实的学习资料,我期待它能为我打开一扇通往高性能计算世界的大门,让我对这个充满挑战和机遇的领域有一个更清晰的认识。

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作为一名在金融领域从事量化分析的从业者,我们经常需要处理海量的市场数据,进行复杂的风险模拟和策略回测,这些都对计算能力提出了极高的要求。我一直关注如何能够提升我们模型运算的效率,缩短分析周期,从而更快地捕捉市场机会。因此,《高性能科学与工程计算》这本书对我来说具有极大的吸引力。我希望这本书能够提供关于如何优化金融模型中的数值算法,如何利用并行计算技术加速蒙特卡洛模拟、因子分析等常用计算任务的方法。我特别期待书中关于如何设计高效的并行算法,以及如何利用GPU进行加速的内容,这对于处理我们大规模的交易数据和复杂的数学模型非常有帮助。此外,我也希望这本书能够为我们提供关于如何进行性能瓶颈分析和优化的指导,帮助我们识别代码中的低效之处,并给出具体的改进方案。我相信,通过学习这本书中的知识,我能够显著提升我们量化交易系统的运算速度和效率,在竞争激烈的金融市场中获得更强的优势。这本书在我看来,不仅是一本技术书籍,更是一项能够直接转化为商业价值的投资。

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我一直对计算机硬件如何工作以及如何榨干硬件的每一分性能充满好奇。虽然我不是一个专业的科学家或工程师,但我对《高性能科学与工程计算》这本书所涵盖的“高性能”理念非常感兴趣。我希望这本书能够以一种相对易于理解的方式,解释清楚现代计算机架构是如何实现高速计算的,比如CPU的流水线、缓存、超线程技术,以及GPU的并行处理能力。我希望它能介绍一些基本的并行计算思想,例如如何将一个大的计算任务分解成许多小任务,然后同时在多个处理器上执行。我对书中关于如何通过代码优化来提升程序运行速度的内容也同样期待,比如如何更有效地使用内存,如何利用向量指令来处理数据。我希望这本书能提供一些具体的编程示例,让我能够直观地感受到这些优化技术带来的效果。对我而言,这本书不仅是对高性能计算技术的一次探索,也是对计算机底层运作原理的一次深入了解。我希望通过阅读,能够对计算机的计算能力有一个更深刻的认识,并学到一些可以应用到日常编程中的优化技巧。

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作为一名在生物医药领域进行计算建模和模拟的研究人员,我们经常需要处理分子动力学模拟、基因序列比对、蛋白质折叠预测等计算密集型任务。这些任务对计算性能的要求极高,往往需要利用高性能计算集群来完成。因此,《高性能科学与工程计算》这本书对我来说非常有价值。我希望书中能够详细介绍针对我们领域常用算法的优化策略,例如如何并行化分子动力学模拟中的粒子间力计算,如何加速大规模基因组数据的比对过程,以及如何利用GPU进行深度学习模型的训练以加速蛋白质结构预测。我特别期待书中关于如何设计高效的并行算法,减少通信开销,以及如何进行内存访问优化和缓存管理的内容,这些对于在大规模计算集群上获得最佳性能至关重要。此外,我也希望书中能够提供一些关于如何评估和选择合适的计算硬件平台,以及如何利用容器化技术(如Docker)来管理和部署高性能计算环境的指导。我相信,通过学习这本书,我能够更有效地利用计算资源,加速我的研究进程,从而在基因组学、药物发现等领域取得更重要的突破。

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作为一名在航空航天领域从事仿真计算的研究员,我们经常需要处理大规模的有限元分析、计算流体力学(CFD)和结构动力学等问题,这些计算任务往往耗时巨大,需要强大的计算资源。《高性能科学与工程计算》这本书,从它的名字和初步的目录来看,恰好切中了我们工作的核心需求。我非常期待书中能够提供关于如何设计和实现高效并行算法的深入指导,特别是针对我们领域常用的数值方法,比如隐式或显式时间积分、求解大规模线性方程组等。我希望书中能够详细介绍MPI、OpenMP等分布式内存和共享内存并行编程模型在科学计算中的应用,以及如何利用GPU进行混合精度计算或特定模块的加速。我尤其关注书中关于如何进行数值模型的性能分析和优化,例如如何识别计算瓶颈、如何进行数据局部性优化、如何减少通信开销等。我相信,通过系统地学习这本书,能够帮助我开发出更快速、更准确的仿真程序,从而缩短研发周期,降低实验成本,并可能发现更优的设计方案。这对我来说,绝对是一本能够直接提升工作效率和研究水平的宝贵资料。

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作为一名在能源行业从事勘探开发模拟的研究人员,我们经常需要处理复杂的油藏数值模拟、地震数据处理和地球物理反演等计算任务,这些任务通常需要进行大规模的空间离散和时间积分,对计算资源的需求非常庞大。《高性能科学与工程计算》这本书,从其内容涵盖的广泛性和对“高性能”的强调来看,正是我急需的学习资料。我希望书中能够详细介绍针对我们领域常用算法的优化方法,例如如何并行化有限差分或有限体积法的求解器,如何优化地震数据处理中的傅里叶变换和卷积计算,以及如何利用GPU加速大规模逆问题求解。我特别关注书中关于如何进行高效的并行通信、数据局部性优化以及如何利用现代CPU和GPU的并行计算能力来加速模拟过程的详细讲解。此外,我也希望书中能够提供一些关于如何进行性能瓶颈分析和调优的实用工具和方法,帮助我们识别计算中的低效环节,并给出具体的改进策略。我相信,通过系统地学习这本书,能够帮助我开发出更快速、更准确的勘探开发模拟软件,从而提升我们对油气资源的勘探效率和开发效益。

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这本书我早就关注了,一直想入手,终于下定决心买了。拿到书的时候,感觉沉甸甸的,纸质相当好,印刷也很清晰,拿在手里很有质感。我是一名在校的博士生,研究方向是计算流体力学,平时需要处理大量的数值模拟数据,对计算效率的要求非常高。我之前也看过不少相关的书籍,但总觉得不够深入,很多关于底层优化和并行计算的细节讲得比较模糊。这次买《高性能科学与工程计算》,主要就是看中了它在“高性能”这个关键词上的侧重。我希望这本书能为我提供更系统的理论指导和更实用的技术方法,帮助我在科研中突破计算瓶颈。目前我只翻阅了目录和部分章节,但从初步的了解来看,这本书的结构安排非常合理,从基础的数值算法优化,到并行计算的模型和策略,再到GPU加速和分布式计算,涵盖了高性能计算的各个关键领域。我尤其期待书中关于内存访问优化、缓存利用、SIMD指令以及不同并行编程模型(如MPI、OpenMP、CUDA)的深入剖析,这些都是我目前在实际应用中经常遇到的挑战。虽然我还没有开始系统阅读,但仅仅是目录和部分章节的质量,就让我对这本书充满了期待。我相信它能够为我的研究提供强大的理论支持和实践指导,帮助我解决科研中遇到的实际问题,做出更有价值的研究成果。

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作为一名在某大型企业负责高性能计算平台建设和优化的工程师,我一直在寻找一本能够全面系统地讲解高性能计算原理、技术和实践的书籍。市面上关于并行计算、分布式计算的资料很多,但往往要么过于理论化,要么只停留在某个具体的框架或工具层面。而《高性能科学与工程计算》这本书,从书名就能看出其定位的广泛性和深度。我希望这本书能够提供关于硬件架构、并行算法设计、性能分析与调优、以及新型计算范式(如异构计算、AI硬件加速)等方面的系统性介绍。尤其是我对书中关于如何根据具体问题选择合适的计算模型、如何进行细粒度并行优化、如何利用现代CPU和GPU的特性来最大化计算效率等方面的内容非常感兴趣。我希望通过阅读这本书,能够更深入地理解当前高性能计算的最新发展趋势,掌握更先进的计算技术,从而在实际工作中,能够更有效地设计、构建和管理高性能计算系统,为企业提供更强大、更经济的计算解决方案,支持公司在各个领域的研发和创新。目前我刚拿到书,还没有来得及细读,但从其内容覆盖的广度和深度来看,这本书无疑是我一直在寻找的那个“宝藏”。

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我是一名软件开发者,但我最近开始对涉及大量数据处理和复杂算法的领域产生了浓厚的兴趣,比如人工智能、大数据分析,甚至是科学研究中的一些计算密集型任务。《高性能科学与工程计算》这本书,引起了我对如何让程序运行得“更快”的思考。我希望这本书能够为我提供一个从零开始理解高性能计算的途径。我期待书中能够解释清楚,为什么有些计算任务会如此缓慢,以及有哪些通用的策略和技术可以用来提升计算速度。我希望它能介绍一些基础的并行计算概念,比如任务并行和数据并行,以及如何利用多线程和多进程来实现。我对书中关于如何利用CPU的向量指令集(如AVX)以及GPU的强大并行处理能力来加速计算的内容特别感兴趣,因为这在很多现代应用中都至关重要。此外,我也希望能学到一些关于如何分析和优化代码性能的实用技巧,比如如何使用性能分析工具,如何进行内存访问优化等。这本书对我来说,是一次学习全新计算范式的机会,我希望它能帮助我拓宽技术视野,为我未来的开发工作打下坚实的基础。

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我在大学期间学习过一些基础的数值计算和算法课程,但对于如何将这些理论应用到实际的、大规模的科学问题中,特别是如何追求“高性能”,一直感到困惑。《高性能科学与工程计算》这本书的出现,正是我所需要的。我希望它能够填补理论与实践之间的鸿沟,为我提供一个清晰的学习路径。我期待书中能够详细讲解如何根据不同的科学问题(例如,物理模拟、化学反应、气象预测等)选择合适的数值方法,并对这些方法进行性能上的评估和优化。我尤其希望看到书中关于如何利用现代计算机架构的特性,比如多核处理器、向量指令集(SIMD)、图形处理器(GPU)以及分布式计算系统,来加速这些计算过程的详细阐述。这本书给我的感觉是,它不仅仅是一本介绍计算技术,更是一本教我如何“思考”计算效率的书。我希望通过阅读,能够培养出一种对计算效率的敏锐度,理解如何在代码层面进行优化,以及如何利用并行和分布式计算来解决那些单个处理器无法处理的复杂问题。我对书中可能包含的各类性能剖析工具和调优技巧也充满了好奇。

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书是好书,但是中文翻译有点坑爹。外文的斜体也不加粗注明。还有很多外文句子直接遗漏。程序是用fortran写的。

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书是好书,但是中文翻译有点坑爹。外文的斜体也不加粗注明。还有很多外文句子直接遗漏。程序是用fortran写的。

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翻译烂的想撕书

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书是好书,但是中文翻译有点坑爹。外文的斜体也不加粗注明。还有很多外文句子直接遗漏。程序是用fortran写的。

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此书建议直接读英文版的,起码这个版本的翻译烂的不行,还在读英文版中,前面的理论讲解很精彩。

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