آموزش برنامه نویسی موازی در متلب

متلب یکی از زبان های محاسباتی فنی است که در حوزه های مختلفی از علوم مورد استفاده قرار می گیرد. متلب به عنوان یکی از ابزارهای مورد علاقه برای انجام محاسبات پیچیده و شبیه سازی های علمی شناخته شده است. به منظور بهبود عملکرد و سرعت اجرای کدها، توسعه دهندگان متلب تکنولوژی های جدیدی را معرفی کرده اند. یکی از این تکنولوژی ها Parallel Computing Toolbox است که به کاربران این امکان را می دهد تا از چند پردازنده به صورت همزمان استفاده کنند و از GPU برای افزایش سرعت اجرای برنامه ها بهره ببرند. این امکان باعث افزایش بهره وری و کاهش زمان انجام محاسبات می شود و به کاربران کمک می کند تا به راحتی و سریع تر به نتایج مورد نظر خود برسند.

مفهوم برنامه نویسی موازی

برنامه‌های کامپیوتری عموما به صورت سریال نوشته می‌شوند، به این معنی که وظایف به ترتیب اجرا می‌شوند و هر وظیفه فقط پس از اتمام وظیفه قبلی اجرا می‌شود، اما در محاسبات موازی، از واحدهای پردازش چندتایی برای اجرای همزمان چند وظیفه استفاده می‌شود. در محاسبات موازی، مسئله به بخش‌های کوچک تر شکسته می‌شود که می‌توانند به صورت همزمان اجرا شوند. این بخش‌ها به تعدادی از دستورات تقسیم می‌شوند و این دستورات روی واحدهای پردازشی مختلف اجرا می‌شوند که این باعث افزایش سرعت و کارایی در حل مسائل پیچیده و بزرگ می‌شود.

متلب رو از صفر تا صد یاد بگیر!

ویژگی‌ و کاربردهای زبان متلب

متلب امکانات فراوانی برای تحلیل داده و رسم نمودارها ارائه می‌دهد و به کاربران امکان انجام تحلیل‌های پیچیده و محاسبات ریاضی را بدون نیاز به دانش عمیق برنامه‌نویسی می‌دهد. همچنین، این زبان برنامه‌نویسی امکان ادغام با زبان‌های دیگر مانند جاوا و سی را نیز فراهم می‌کند، که این امر اجازه می‌دهد تا کاربران از این زبان در بسترهای مختلف استفاده کنند و به راحتی با آن ارتباط برقرار کنند.

برنامه‌های ساخته شده با استفاده از متلب در حوزه‌های مختلفی از علوم و فناوری کاربرد دارند. این برنامه‌ها برای پردازش سیگنال و مخابرات استفاده می‌شوند تا اطلاعات به صورت دیجیتال انتقال یابند. همچنین در زمینه‌ی پردازش فیلم و تصویر، سیستم‌های کنترل خودکار، تست و اندازه‌گیری، امور مالی محاسباتی و زیست شناسی محاسباتی نیز از این برنامه بهره می‌برند تا عملکرد خود را بهبود بخشند.

به عنوان مثال، در صنایع هوافضا و دفاعی، شرکت‌ها از متلب برای نمونه‌گیری اولیه و تست‌های مختلف استفاده می‌کنند. همچنین، در صنعت خودروسازی، این ابزار برای توسعه سیستم‌های کنترل و بهینه‌سازی مصرف سوخت استفاده می‌شود. صنعت روباتیک نیز یکی از حوزه‌هایی است که از مزایای استفاده از متلب برخوردار است.

افزایش کارایی با برنامه نویسی موازی در متلب

برنامه نویسی موازی در متلب یک ابزار قدرتمند است که به کاربران امکان محاسبات همزمان با استفاده از چندین هسته را فراهم می کند. این ابزار با استفاده از Parallel Computing Toolbox، به کاربران این امکان را می دهد تا با بهره گیری از فواید کامپیوترهای چند هسته ای و سیستم های توزیع شده، محاسبات خود را بهبود ببخشند. از آنجایی که این ابزار روی سیستم دسکتاپ اجرا می شود، کاربران می توانند با توجه به مشخصات سخت افزاری سیستم خود، تا ۸ یا ۱۲ هسته را بهره ببرند. به این ترتیب، امکان انجام محاسبات پیچیده و حجیم به صورت سریع تر و با کارایی بالاتر فراهم می شود و به کاربران امکان انجام پروژه های خود به صورت بهینه تر را می دهد.

برنامه‌ها را می‌توان به صورت موازی اجرا کرد تا زمان و انرژی را صرفه‌جویی کرد. این کار به سه روش امکان‌پذیر است. اولین روش این است که کاربر دستورات مورد نظر خود را تایپ کند تا برنامه‌ها به صورت موازی اجرا شوند. روش دوم این است که کاربر یک file-M را فراخوانی کند تا برنامه‌ها به صورت موازی اجرا شوند. روش سوم نیز این است که کاربر یک file-M را برای اجرا به batch ارسال کند. در این حالت، اجرا بصورت پس‌زمینه و بدون برهم‌کنش تعاملی انجام می‌شود.

مطلب پیشنهادی: آموزش زنجیره مارکوف در نرم افزار متلب

سرور محاسبات توزیع شده یا Server Computing Distributed، به کاربر این امکان را می‌دهد تا اجراهای موازی را بر روی یک Cluster با ده‌ها یا صدها هسته کنترل کند. این سیستم با استفاده از یک cluster که مطلب را به صورت موازی اجرا می‌کند، به کاربر این قابلیت‌ها را می‌دهد:

• ارسال فایل‌ها از یک کامپیوتر Desktop برای اجرا بر روی Cluster
• اجرای برنامه‌های خود به صورت تعاملی و برهم‌کنشی در سیستم cluster
• ارسال فایل‌ها برای اجرا به صورت batch در سیستم cluster

استفاده از گزینه‌های 1 و 3 به کاربر این امکان را می‌دهد که از نرم‌افزار در سیستم کامپیوتر شخصی یا خوشه خارج شده و در زمان بعدی برای بررسی پایان یافتن محاسبات به آن بازگردد. به عنوان مثال، اجازه اجرای همزمان برنامه موازی بر روی 96 هسته پردازنده را در خوشه آزمایشگاه تخصصی فراهم می‌کند.

انواع روش برای اجرای برنامه موازی متلب

روش‌هایی برای اجرای برنامه‌های موازی در متلب وجود دارد. برای سیستم‌های desktop، می‌توان از matlabpool که یک برهم‌کنش محلی است، استفاده کرد. این روش به کاربر این امکان را می‌دهد که برنامه‌های خود را به صورت موازی اجرا کند.

استفاده از batch یا createTask به صورت محلی غیر مستقیم نیز از روش‌های دیگر برای اجرای برنامه‌های موازی است. همچنین، استفاده از batch یا createTask به صورت غیرمحلی غیر مستقیم نیز امکان اجرای برنامه‌های موازی را فراهم می‌کند، اما برای این منظور نیازمند راه‌اندازی می‌باشد.

Cluster یک تکنولوژی پیشرفته است که به کمک آن می‌توان وظایف موازی را اجرا کرد و نتایج را به صورت موثر و سریع به کاربر ارائه داد. این روش به کاربران این امکان را می‌دهد که وظایف پیچیده‌ای را به صورت موازی و همزمان انجام دهند، به جای اینکه همه چیز را به صورت ترتیبی و تک به تک انجام دهند. برای این کار، سیستم کاربر باید به درستی پیکربندی شود تا بتواند ارتباط مناسبی با cluster برقرار کند و به نرم‌افزار مورد نیاز دسترسی پیدا کند.

آموزش آنلاین برنامه نویسی در کارآموز

راه های نوشتن یک برنامه موازی در متلب

برنامه نویسی موازی یکی از روش‌های مهم برای افزایش کارایی و سرعت اجرای برنامه‌هاست.

حلقه Parfor

حلقه Parfor یکی از روش های ساده برای نوشتن برنامه های موازی، استفاده از دستور parfor است. این دستور به صورت ساده حلقه های for را به حلقه های parfor تبدیل می کند و اجازه می دهد که عملیات مورد نظر به صورت موازی انجام شود.

دستور spmd

دستور spmd یکی از ابزارهای مهم در برنامه نویسی موازی است که امکان همکاری و هماهنگی بین پروسس ها را فراهم می کند. این دستور قابلیت طراحی انواع مختلف مدل های محاسباتی موازی را به کاربر می دهد و امکان اجرای قدرتمند و هماهنگ برنامه ها را فراهم می کند. با این حال، برای استفاده بهینه از این ابزار، لازم است که روند اجرای برنامه و مدیریت داده ها به درستی طراحی شود.

استفاده از Graphic Process Unit (GPU)

استفاده از GPUArray از Parallel Computing Toolbox در متلب، به کاربران این امکان را می دهد تا محاسبات پیچیده را با سرعت بالا انجام دهند. با استفاده از GPUArray، می توان به طور موثر از قدرت GPU های NVIDIA برای اجرای عملیات محاسباتی استفاده کرد. این ابزار با ارائه آرایه های مخصوص و توابع متنوع، به کاربران امکان می دهد که به راحتی محاسبات خود را به GPU انتقال دهند و بهینه سازی های لازم را بر روی آن ها اعمال کنند.

مطلب پیشنهادی: رگرسیون خطی چیست؟

نمایش کدها در متلب

برای اجرای کدهای متلب به صورت موازی، باید ساختار کلی کدها به صورت زیر باشد:

matlabpool(‘open’,2) ;

your code%

;matlabpool(‘close’)

در این قسمت، باید کدهای متلب خود را به جای عبارت % your code  وارد کنید. حتما به عدد 2 که در پرانتز اول نوشته شده توجه کنید. این عدد تعداد هسته هایی است که میخواهید کدها به صورت موازی اجرا شوند. به عنوان مثال، اگر پردازنده شما چهار هسته دار است، باید حداکثر عدد 4 را وارد کنید.

همچنین به یاد داشته باشید که شما می توانید انتخاب کنید که تمام یا یک یا چند بخش دلخواه از کدهای برنامه متلب خود را، به صورت همزمان، اجرا کنید؛ بنابراین فقط کافی است که آن بخش های مورد نظر از کدها را بین دو عبارتی که در بالا استفاده کردیم، قرار دهید.

جمع بندی

برنامه نویسی موازی یکی از روش‌های پردازش داده‌های بزرگ و پیچیده است که با استفاده از چندین پردازنده یا هسته همزمان انجام می‌شود. در متلب، این قابلیت به صورت پیش‌فرض فراهم نیست، اما با استفاده از ابزارها و توابع مختلف، می‌توان به راحتی برنامه‌های موازی را پیاده‌سازی کرد. برای مثال، با استفاده از توابع parallel computing toolbox یا parfor می‌توان به سادگی برنامه‌های موازی را در متلب ایجاد کرد. این روش می‌تواند به شما کمک کند تا زمان اجرای برنامه‌های پیچیده را به شدت کاهش دهید و به بهینه‌ترین نتیجه برسید.