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95學年度教學卓越計劃

卓越計劃 Forward to Excellence  
95年教學卓越：推動『平行計算及格網計算』之教學計畫


【一、計畫目標內容】

　　平行計算實際上已發展多年，而近年來因為平行電腦叢集 (PC Cluster) 成本低，速度快，效能漸漸超過傳統的超級電腦，於是大量被使用。在國內各大學及研究單位已廣泛被使用，例如：高速電腦中心 FORMOSA PC Cluster 的300台平行電腦平台。

　　格網計算為整合多個計算設施共同運算之技術，如何快速將所有計算設施快速轉換成格網計算的環境，格網計算最大之用處，在於透過網路以軟體程式集合各台電腦及資料庫等，形成一個大型虛擬超級電腦，可以再其計有資源之下，依其需要隨時隨地，增加運算、儲存、分析資源不僅有效節省成本，在沒有共通資源下，同時可以降低單點電腦失誤之風險。

　　Garnter Group 近一步預測工商業用戶將逐漸以格網取代傳統高速計算電腦，所以，格網計算及平行計算將是學生進入產業界一個重要技能之一。

　　其中，MPI (Message Passing Interface 訊息傳輸介面) 是第一個標準化的 Message Passing　平行語言。它可以使用在Fortran、C等語言撰寫的程式上，可以用在各種平行電腦間，尤其是分散記憶體環境。主要的優點在於可攜帶性與容易使用。
MPI的目標有：
  • 設計一個應用程式介面
  • 允許有效傳輸：避免記憶體間複製、允許計算通訊重疊、卸載共同處理器
  • 允許異質 (heterogeneous) 環境的執行
  • 允許與方便的 C、FORTRAN 語言結合
  • 假設可靠傳輸介面：使用者不需應付傳輸失敗問題而交由子系統處理
  • 如同已實行多年的 PVM、NX、Experss、P4等介面，提供更大的擴充空間
  • 用於不同的平台不會有顯著的差異
  • 應設計於允許 thread-safety
　　MPI標準不但能夠在許多大型平台使用，也可用在PC Cluster上，所以相信不久應用會更加廣泛。


【二、具體執行內容與創新作法】

　(一)發展之基礎條件及規劃構想
　　學生可利用現有的電腦在電腦教室上課，再利用網路連線的方式，連到平行電腦叢集的平台上，作程式的撰寫及操作。
　(二)具體執行內容與創新作法可分為
  1. 建立平行電腦軟硬體之設備：
    第一年： 在已有的16台電腦為基礎之下，再增購另外8台共可串連成24台電腦叢集。此時，開設平行電腦基礎課程。
    第二年： 增購伺服器、16台電腦及大量硬碟，可讓學生練習處理大量資料之經驗。增購平行電腦叢集平台之相關軟體，以增強平行電腦的功能及效率，例如：NAG軟體的平行處理版及 Open MP 軟體等。除開設平行電腦基礎課程外，可再開設平行計算及格網計算相關的課程。
    第三年： 已有的40台平行電腦叢集的維護及軟體的添購，以因應使用者處理大量資料之需求。

  2. 應用於相關領域之研究：
    一方面聘任國內專家學者開設平行計算及格網計算，加強系上平行計算領域的開課科目，以奠定學生撰寫平行處理程式的基礎。另一方面，聘請其他相關領域的國內外專家學者進行專題講座與教學讓學生更加深刻了解平行計算及格網計算之應用。

【三、分年分期計畫重點】
第一年：
  1. 空間規劃：積極籌畫機房的空間。
  2. 設備規劃：積極規劃相關軟硬體的設備及規格。
  3. 課程規劃：開設平行電腦相關的程式基礎撰寫課程。
  4. 作成初步成果報告書。
第二年：
  1. 設備規劃：擴增教學平台功能 (增購2台伺服器，另外8台電腦) 及增購平行電腦叢集平台之相關軟體，因應使用者處理大量資料之需求。
  2. 課程規劃：除開設基礎課程及延請校外專家學者來校開設相關課程外，聘請國內外相關領域的專家學者進行專題講座與教學讓學生更加深刻了解平行計算及格網計算之應用。
  3. 舉辦校內撰寫平行程式之競賽。
  4. 作成初步成果報告書。
第三年：
  1. 設備規劃：擴增教學平台功能(增購2台伺服器)及增購平行電腦叢集平台之相關軟體，因應使用者處理大量資料之需求。
  2. 課程規劃：持續前兩年的教學計劃。
  3. 舉辦學生成果發表觀摩展。
  4. 舉辦校內撰寫平行程式之競賽。
  5. 檢討本計畫課程成果缺失。
  6. 作成成果報告書。

【四、預期成效指標及評量機制】

　(一)預期成效指標
  1. 首先，可讓更多學生熟悉Linux作業系統並撰寫平行處理程式。
  2. 學生可進一步處理大量資料的經驗。
  3. 學生更加深刻了解平行計算及格網計算在其他領域之應用。
　(二)評量機制：由學生的教學評量做為此教學計劃改進之指標。


【五、計畫成果之呈現與推廣】

　　定期舉辦學生成果觀摩，可呈現學生對平行電腦認知的成熟度，對學生進入職場的競爭力將有莫大提升。另一方面，國小進修教師亦可藉由學習此套電腦之經驗，傳承於國小電腦設備之中。


【六、經費需求】
九十五年度計畫所需經費 (單位：仟元)
經費項目單價數量總額說明備註
經常門 業務費 教學材料費 17.5 1 17.5 電腦耗材費，文具，紙張費及補助教師開課所需教材
  
工讀費 4 12 48 平行電腦的管理及維護  
教學軟體 2.1 45 94.5 45套X-manager介面軟體 (由電腦室的Window系統透過介面軟體連接到平行電腦平台)  
資本門 硬體設備費 平行電腦叢集 460 1 460 8台雙核心個人電腦另加一台伺服器及螢幕一個  
網路設備 20 1 20 網路線，交換器等  
電腦機架 20 1 20 放置電腦  
合　計 660


【七、與學校整體目標之配合】

　　國立新竹教育大學正值轉型期，尤其本系因師資培育法之施行，以及國內新生兒出生率降低，導致學生就業市場變遷，為因應這些新的情勢，本系發展方向，除了數學教育之外，我們希望更積極朝科學或實務之數學應用上發展，此課程計劃不僅可奠定學生以後就業之基礎，且達到訓練學生學習電腦資訊科技及應用科學之目的，實為本系及學校發展目標之一。


【八、計畫成果】
  1. 購買X-manager介面軟體50套已安裝在4406電腦教室。

  2. [平行電腦一套](含8台電腦網路線交換器)已購買並測試完成。
    平行電腦實物照片

  3. 開設[平行計算]及[科學計算]兩門課，並在課堂利用4406教室連結上機練習使用。
    老師及助教輔導學生上機01 老師及助教輔導學生上機02

  4. 將於5月25日邀請校外專家演講有關平行電腦之應用。