1. Введение.
Назначение элементов суперкомпьютера. Правила пользования и основы безопасности работы с многопользовательскими компьютерными системами. Лицензионные соглашения, договоры о неразглашении, открытое программное обеспечение, свободное программное обеспечение. Подключение к суперкомпьютеру: основы асимметричной криптографии, ключи SSH, OpenSSH, PuTTY, Cygwin, OpenPGP, GNUPG.
2. Операционные системы и менеджеры ресурсов.
Дистрибутивы Linux. FreeBSD. Утилиты командной строки. FHS. POSIX. Система прав UNIX. STDIO. Управление процессами. Текстовые редакторы, кодировки, перенос каретки. Системы контроля версий, GIT. Основы Bash. Менеджер ресурсов SLURM.
3. Информатика и программирование.
Архитектура процессора, набор инструкций, x86, ARM, RISC-V. Исходный код, бинарный код, ASM, компиляция, GCC, ELF, objdump, GDB. Stack, пространство ядра, пространство пользователя, системный вызов, heap, утечка памяти, strace, valgrind. Профилирования, perf. Объектные файлы, статические и динамические библиотеки, линковка, переменные окружения PATH, INCLUDE_PATH, LIBRARY_PATH, LD_LIBRARY_PATH. Низкоуровневые пакетные менеджеры dpkg, rpm. Высокоуровневые пакетные менеджеры apt, yum. Репозитории программного обеспечения. Установка ПО в многопользовательской ОС с правами пользователя. Внесистемные пакетные менеджеры, pip —user. Системы конфигурирования и сборки исходного кода, make, cmake, autotools.
4. Векторное программирование.
Переменные с плавающей точкой, FP32, FP64. Сопроцессор x87. SIMD, MMX, 3DNow!, SSE, AVX, FMA4, AVX2, AVX512. FLOPS. HPL. Автоматическая оптимизация и векторизация компилятором, переносимость бинарных файлов. Intrinsic. BLAS, LAPACK, Atlas, OpenBLAS. Memory Gap, RAM cache, оптимизация времени исполнения, FFTW.
5. Параллельное программирование на общей памяти.
Многозадачность, прерывания, переключение контекста, вымывание cache, HyperThreading, Shared memory, UMA, NUMA, distributed memory, distributed-shared memory. OpenMP, fork-join model, состояние гонки, атомарность.
6. Параллельное программирование на распределенной памяти.
MPI. OpenMPI, MPICH. Rank, Send. Broadcast, scatter, gather, reduction. Блокирующие и неблокирующие сообщения. Кривая масштабируемости. Задержки ввода-вывода. Последовательный и параллельный ввод-вывод.
7. Программная и аппаратная топология современных суперкомпьютеров при параллельном программировании.
LLC, общие и раздельные кэши, каналы оперативной памяти, SNC, UPI, multi-socket platform topology, system bus topology, PCIe, NVLink. Конвергентные и неконвергентные сети, ethernet, TCP/IP stack, прерывания при передаче данных по сети, InfiniBand link level flow control, драйвер в пространстве пользователя. Блокирующие и неблокирующие сетевые топологии, Tree, FatTree, HyperCube. Данные, метаданные, размер сообщения и производительность. Кластерные файловые системы, POSIX, ROMIO, NCDF4, HDF5.
8. Графические ускорители.
Программирования на неполных по Тьюрингу сопроцессорах. Пропускная способность и задержки различных архитектур оперативной памяти. DDR, GDDR, HBM. Длина процессорного конвейера. Аппаратная поддержка перемеренных разной точности и типов. PCIe, NVLink, InfinityFabric. Свободные и проприетарные драйверы. OpenCL, clBLAS, clFFT. NVIDIA HPC SDK, CUDA, CUDA compute capability, cuBLAS, cuFFT, cuSOLVER. AMD ROCm, HIP, hipSOLVER. ARRAY FIRE, MAGMA. CuPy, Numba. Аппаратное ускорение нейросетей, Nvidia CuDNN, MiOpen, pyTorch, TensorFlow. Google TPU, Google Coral.
9. Квантовые компьютеры.
Квантовая суперпозиция. Кубит. Понятие квантовой логики. Твердотельные и ионные реализации. Классические компьютеры до использования транзисторов: механические, пневматические, ламповые. Квантово-сильное и квантово-слабое измерение. Измерение в классических аналоговых сопроцессорах. Нарушение суперпозиции. Вероятностный характер квантовых операций. Статистический анализ результатов. Квантовое превосходство. Квантовая оптимизация. Квантовая факторизация и криптография. Квантовое моделирование. Эмуляторы квантовых компьютеров. QOSF.

1. Введение в стандарт MPI.
Основные понятия. Реализации стандарта. Программная модель MPI. Обзор базовых функций MPI. Первые программы.
2. Коммуникационные операции.
Понятие коммуникационных операций точка-точка. Блокировка. Программная реализация точечного обмена данными на примере простейших вычислительных задач.
3. Коллективные операции.
Обзор коллективных операций обмена данными. Распределение и сбор блоков памяти. Примеры реализации коллективных операций на примере задач математической физики.
4. Использование стандарта MPI в языке Python.
Глобальная блокировка. Библиотека MPI for Python.
5. Введение в OpenMP.
Основные понятия. Программная модель OpenMP. Взаимодействие потоков. Первые программы.
6. Применение базовых функций OpenMP.
Условия выполнения. Параллельные циклы. Средства синхронизации. Критические и атомарные секции. Примеры решения вычислительных задач.
7. Совместное использование MPI и OpenMP.
Топология реальных вычислительных систем. Использование MPI и OpenMP для некоторых задач линейной алгебры.

1. Основные понятия технологии CUDA.
Сетки, блоки, нити, варпы. Первая программа. Версии Compute Capability.
2. Архитектура видеокарт NVidia.
Типы видеокарт, поддерживающих CUDA. Программные интерфейсы. CUDA C API.
3. Программная модель.
Встроенные переменные. Спецификаторы функций. Спецификаторы переменных. Запуск ядра. Синхронизация. Специальные функции. Потоки.
4. Особенности работы с памятью.
Типы аппаратной памяти. Глобальная, регистровая, разделяемая память. Функции выделения памяти. Функции копирования. Оптимизация программы по перемножению двух матриц с использованием разделяемой памяти.
5. Обзор библиотек CUDA.
CUBLAS, CUFT, CUSPARSE, CURAND.

1.Введение в САПР системы и методы разработки точных 3D-моделей..
Назначение САПР систем и изучение их интерфейса. Подготовка к работе.
2. Работа с эскизами при создании 3D - моделей.
Разработка эскизов как база для построения твердотельной модели. Базовые принципы работы с эскизами и логика построения.
3. Твердотельные операции методом «Выдавливание».
Применение операции выдавливание для построения твердотельной модели. Создание простейших 3D - моделей при помощи операции «выдавливание».
4. Твердотельные операции методом «Вращение».
Применение операции вращение для построения твердотельной модели. Создание простейших 3D - моделей при помощи операции «вращение».
5.Дополнительные и вспомогательные твердотельные операции.
Применение дополнительных операции для построения твердотельной модели. Создание простейших 3D - моделей при помощи комбинирования операций.
6.Оптимизация точных моделей для работы в сторонних CAE - системах.
Упрощение и оптимизация моделей методом совмещения. Оптимизация моделей и сборок методом слияния.
7. Форматы и методы экспорта и преобразования моделей.
Введение в форматы и типы 3D-моделей. Преобразование точных моделей в полигональные и сеточные.

1. Введение в моделирование задач механики сплошной среды.
Примеры задач механики сплошной среды (МСС). Алгоритм процесса решения задач механики сплошной среды. Примеры пакетных решений. Свободное программное обеспечение (СПО) для задач МСС.
2. OpenFOAM – математическое моделирование МСС.
Основные принципы. Системное окружение OpenFOAM. Файловая структура пакета. Формат хранения данных.
3. Salome – CAD/CAE интегрированная платформа.
Поверхностный обзор возможностей Salome. Основной интерфейс. Трехмерное моделирование, подготовка геометрии. Генерация сетки. Создание структурированных и неструктурированных сеток. Контроль качества расчетных сеток. Визуализация.
4. ParaView – визуализация результатов моделирования..
Основная панель, использование фильтров. Конвейер визуализации. Панель управления объектом. Панель отображения. Практика применения: визуализация скалярного поля, визуализация векторного поля, интерполяция, визуализация линий тока. Графики распределения вдоль направлений. Анализ результатов. Экспорт данных и результатов визуализации.
5.Работа с пакетами OpenFOAM и Paraview на основе готовых примеров.
Задача теплопроводности в 2D и 3D случае. Несжимаемое течение в каверне. Турбулентное течение за обратным уступом. Подготовка расчетного кейса к запуску на нескольких ядрах.
6.Запуск вычислительной задачи на кластере.
Подготовка расчетной задачи OpenFOAM к запуску на кластере. Пример решения задачи с двухжидкостной моделью, с использованием решателя interFoam реализующим метод объема жидкости (Volume of fluid method, VOF). Визуализация результатов. Примеры постпроцессинга.

Практика, подготовка к защите и защита итогового проекта. В рамках модуля обучающиеся проходят практику на базе индустриального партнера, развивая навыки, полученные в предыдущих модулях, готовят и представляют к защите итоговый проект.