Напрямки досліджень і розвитку кіберфізичних систем
Спеціальність: Кіберфізичні системи
Код дисципліни: 7.123.04.E.022
Кількість кредитів: 4.50
Кафедра: Електронні обчислювальні машини
Лектор: Мельник А. О.
Семестр: 3 семестр
Форма навчання: денна
Завдання: Вивчення навчальної дисципліни передбачає формування у здобувачів освіти компетентностей:
Інтегральна компетентність (ІНТ)
Здатність розв’язувати складні спеціалізовані задачі та практичні проблеми під час професійної діяльності у галузі інформаційних технологій або у процесі навчання, що передбачає застосування теорій та методів комп’ютерної інженерії і характеризуються комплексністю та невизначеністю умов.
Загальні компетентності:
ЗК3. Здатність проводити дослідження на відповідному рівні.
ЗК4. Здатність до пошуку, оброблення та аналізу інформації з різних джерел.
ЗК5. Здатність генерувати нові ідеї (креативність).
Спеціальні (фахові, предметні) компетентності
СК7. Здатність досліджувати, розробляти та обирати технології створення великих і надвеликих систем.
СК9. Здатність представляти результати власних досліджень та/або розробок у вигляді презентацій, науково-технічних звітів, статей і доповідей на науково-технічних конференціях.
Фахові компетентності:
ФКС1.4. Здатність використовувати професійно-профільні знання і практичні навички для оптимізації проектних, технологічних рішень з метою підвищення ефективності роботи кіберфізичних систем.
Результати навчання: У результаті вивчення навчальної дисципліни здобувач освіти повинен бути здатним продемонструвати такі результати навчання:
1. знати принципи розвитку та напрямки дослідження кіберфізичних систем;
2. знати методику дослідницької роботи в області кіберфізичних систем ;
3. знати засоби та технології експериментального дослідження кіберфізичних систем та мереж;
4. вміти використовувати методи науково-дослідної роботи при проектуванні та реалізації кіберфізичних систем та мереж;
5. мати практичні навички по застосуванню методів науково-дослідної роботи при тестуванні та налагодженні кіберфізичних систем та мереж;
6. мати навички дослідницької та експериментальної роботи з методами та засобами кіберфізичних систем та мереж.
7. Здійснювати пошук інформації в різних джерелах для розв’язання задач комп’ютерної інженерії, аналізувати та оцінювати цю інформацію.
Необхідні обов'язкові попередні та супутні навчальні дисципліни: Попередні навчальні дисципліни:
Мережні інформаційні технології;
Дослідження і проектування КФС.
Короткий зміст навчальної програми:
Дисципліна “Напрямки досліджень і розвитку кіберфізичних систем ” ставить на меті виробити у студентів систематизоване розуміння напрямків досліджень та розвитку кіберфізичних систем та мереж, в тому числі про новітні технології проектування універсальних та спеціалізованих апаратних і програмних комп’ютерних засобів (в тому числі і сумісного), а також прищепити вміння виконувати аналітичну роботу з актуальних проблем розвитку комп’ютерних систем та мереж. В результаті освоєння учбового матеріалу дисципліни студенти повинні розуміти концептуальні питання та багатогранність проблеми проектування кіберфізичних систем та мереж, знати принципи побудови та напрямки розвитку сучасних кіберфізичних систем та мереж, вміти застосовувати методи науково-дослідної роботи при створенні та тестуванні кіберфізичних систем та мереж. Для освоєння даної дисципліни необхідне знання таких дисциплін: “ Архітектура комп’ютерів ”, “Дослідження і проектування КСМ ”.
Опис: Лекційні заняття
1. Методика та організація наукових досліджень в галузі кіберфізичних систем та мереж
Структура наукового дослідження. Різновиди дослідження. Програма дослідження. Формулювання проблеми дослідження. Вирішення проблеми. Мета, об’єкт і предмет дослідження. Мета і завдання дослідження. Гіпотеза в дослідженні. Перевірка гіпотези. Наукове доведення й аргументація. Наукові ідеї. Узагальнення. Висновки та рекомендації за результатами дослідження. Поняття методу дослідження. Класифікація методів наукових досліджень. Обґрунтування методів досліджень. Аналіз і синтез. Діалектична і формальна логіка. Індукція. Дедукція. Якісний і кількісний аналіз. Моделювання. Системний підхід. Наукове прогнозування. Методи емпіричних досліджень. Спостереження. Вимірювання. Метод класифікацій. Вибірковий метод. Тестування. Експериментальний метод. Вибір і обґрунтування теми дослідження. Складання плану наукових досліджень. Інформаційне забезпечення роботи. Збирання матеріалу. Аналіз і обробка літературної інформації. Математичне забезпечення дослідження. Накопичення та обробка експериментальних даних. Інтерпретація отриманих результатів. Наукові дискусії. Інтернет ресурси науки. Презентація наукових результатів. Впровадження наукових результатів.
2. Основні напрямки досліджень в галузі комп’ютерних систем та мереж: Інтелектуалізація обчислень. Автономні обчислення. Адаптивні обчислення. Розподілені обчислення. Мобільні обчислення. Хмарні та крайові технології обчислень. Повсюдні обчислення. Квантові обчислення. Біомолекулярні обчислення. Реконфігуровні обчислення. Неоднорідні обчислення. Безпечні обчислення.
3. Нові моделі обчислень з застосуванням технологій штучного інтелекту. Принципи реконфігурування, самоконфігурування та самовдосконалення.
Новітні архітектури комп’ютерів: RISC, VLIW, EPIC, векторні, з елементами машини потоків даних, EDGE, на основі пам’яті з впорядкованим доступом.
Новітні процесори з відкритою архітектурою. RISC V, комп’ютерні системи на його основі: характеристики та застосування.
Усього годин 12, кожна тема по 4 години.
Практичні (семінарські, лабораторні) заняття
1. Реконфігуровні середовища, реконфігуровні, самоконфігуровні та самовдосконалювальні комп’ютерні системи: мотивація і концепції.
2. Програмні моделі на основі ПЛІС основних виробників. Розвиток технологій проектування. Методологія проектування на системному рівні. Засоби проектування системного рівня.
3. Засоби автоматичного проектування спеціалізованих процесорів. Елементарні моделі комп’ютерних пристроїв та підсистем. Розробка високорівневих моделей та автоматичний синтез НВІС на основі ПЛІС засобами SystemC+MS Visual Studio+Celoxica Agility Compiler, Vivado, Chameleon.
4. Інтернет речей та кіберфізичні системи. Крайові та хмарні обчислення.
5. Закріплення результатів наукових досліджень - журнал ACPS.
Дослідження інформаційних джерел - IEEExplore.
6. Семінарські заняття
Стилі Word статей до журналу ACPS .Стилі Word для пояснювальної записки до МКР - стилі кафедри ЕОМ.
Використання закладок та гіперпосилань у пояснювальній записці до МКР.
Організація публікацій результатів МКР.
Копіювання стилів кафедри ЕОМ.
Нормоконтроль статей у журналі ACPS.
Пошук джерел інформації та їхніх анотацій в базі IEEExplore.
Обговорення та апробація результатів досліджень.
Підсумкове заняття. Внесення результатів практичних занять в екзаменаційну оцінку.
Усього годин 24, теми 1-5 по 2 години, тема 6 - 14 годин.
Методи та критерії оцінювання: Оцінювання знань студентів з дисципліни “Напрямки досліджень і розвитку кіберфізичних систем” проводиться відповідно до робочого навчального плану у вигляді семестрового контролю, який проводиться в кінці семестру і включає в себе результати поточного контролю знань студентів, який оцінюється за виконання лабораторних робіт, та контрольного заходу – відповідь на відповідний білет на іспиті. Контрольний захід є обов’язковим видом контролю і проводиться в письмово-усній формі в кінці семестру.
Поточний контроль на лекційних заняттях проводиться з метою виявлення готовності студента до занять у таких формах:
- вибіркове усне опитування перед початком занять;
- оцінка активності студента у процесі занять, внесених пропозицій, оригінальних рішень, уточнень і визначень, доповнень попередніх відповідей і т. ін.
Контрольні запитання поділяються на:
а) тестові завдання – вибрати вірні відповіді;
б) проблемні – створення ситуацій проблемного характеру;
в) питання-репліки – виявити причинно-наслідкові зв’язки;
г) ситуаційні завдання – визначити відповідь згідно певної ситуації;
д) питання репродуктивного характеру – визначення практичного значення.
Критерії оцінювання результатів навчання: Максимальна оцінка в балах
Поточний контроль (ПК) Екзаменаційний контроль Разом за дисципліну
Практичні заняття Разом за ПК письмова
компонента усна
компонента
40 40 50 10 100
Порядок та критерії виставляння балів та оцінок:
1. Розподіл балів при умові виконання навчального плану, виконання усіх контрольних робіт і календарного плану виконання курсової роботи, інакше за результатами проведення семестрових іспитів студент вважається не атестованим.
2. Максимальна кількість балів для оцінки поточного контролю (ПК) знань за семестр – 40 балів.
3. Контрольний захід (КЗ) – іспит - проводяться в письмовій формі – 60 балів.
4. Всі іспити проводяться в письмово-усній формі.
5. Іспит перед комісією студент складає також в письмово-усній формі з фіксацією запитань та оцінок відповідей на екзаменаційному листі.
6. До іспиту студенти допускаються при умові виконання навчального плану (усіх лабораторних робіт).
Порядок та критерії виставляння балів та оцінок: 100–88 балів – («відмінно») виставляється за високий рівень знань (допускаються деякі неточності) навчального матеріалу компонента, що міститься в основних і додаткових рекомендованих літературних джерелах, вміння аналізувати явища, які вивчаються, у їхньому взаємозв’язку і роз витку, чітко, лаконічно, логічно, послідовно відповідати на поставлені запитання, вміння застосовувати теоретичні положення під час розв’язання практичних задач; 87–71 бал – («добре») виставляється за загалом правильне розуміння навчального матеріалу компонента, включаючи розрахунки , аргументовані відповіді на поставлені запитання, які, однак, містять певні (неістотні) недоліки, за вміння застосовувати теоретичні положення під час розв’язання практичних задач; 70 – 50 балів – («задовільно») виставляється за слабкі знання навчального матеріалу компонента, неточні або мало аргументовані відповіді, з порушенням послідовності викладення, за слабке застосування теоретичних положень під час розв’язання практичних задач; 49–26 балів – («не атестований» з можливістю повторного складання семестрового контролю) виставляється за незнання значної частини навчального матеріалу компонента, істотні помилки у відповідях на запитання, невміння застосувати теоретичні положення під час розв’язання практичних задач; 25–00 балів – («незадовільно» з обов’язковим повторним вивченням) виставляється за незнання значної частини навчального матеріалу компонента, істотні помилки у відповідях на запитання, невміння орієнтуватися під час розв’язання практичних задач, незнання основних фундаментальних положень.
Рекомендована література: Базова
1. Мельник А.О., Мельник В.А. Персональні суперкомп’ютери: архітектура, проектування, застосування: монографія / А.О. Мельник, В.А. Мельник. – Львів: Видавництво Львівської політехніки, 2013. – 516 с.
2. Мельник А. О. Пам'ять із впорядкованим доступом: монографія / А. О. Мельник. – Львів: Видавництво Львівської політехніки, 2014. – 296 c.
Допоміжна
1. Anatoliy Melnyk. Design Basics of the OAM-Based Fast Orthogonal Transforms Processor IP Cores Generator, in: Recent Developments in Mathematics and Informatics, Contemporary Mathematics and Computer Science. Vol. 2, Ed. A. Zapala, Wydawnictwo KUL, Lublin 2016, Part II, Chapter 8, pp. 103-118. ISBN: 978-83- 8061-345- 4. http://www.wydawnictwokul.lublin.pl/sklep/product_info.php?cPath=26&products_id=3412&language=en
2. Глухов В.С., Мельник А. О., Мельник В.А., Сало А.М. Кіберфізичні системи: багаторівнева організація та проектування. За редакції професора Мельника А.О. Львів. Магнолія-2006. 2019. – 230 с.
3. Anatoliy Melnyk, Viktor Melnyk. Ordered Access Memory Based Programmable Hardware Accelerator Parallel Architecture. 2019. 15th International Conference on the Experience of Designing and Application of CAD Systems (CADSM). February 26 – March 2, 2019 Polyana-Svalyava (Zakarpattya), Ukraine. (Scopus).
4. Anatoliy Melnyk, Alexey Botchkaryov. Master of Computer Engineering Program with a Specialization in Cyber-Physical Systems. Advances in Cyber-Physical Systems. – 2019; Volume 4, Number 1. pp. 37 – 41. https://doi.org/10.23939/acps2019.01.037
5. A. Melnyk and V. Melnyk, "Remote Synthesis of Computer Devices for FPGA-Based IoT Nodes," 2020 10th International Conference on Advanced Computer Information Technologies (ACIT), 2020, pp. 254-259, doi: 10.1109/ACIT49673.2020.9208882 (Scopus, Web of Science).
6. Anatoliy Melnyk, Viktor Melnyk. Self?Improvable Computer System Model and Architecture Based on Reconfigurable Hardware, Automatic Design and Synthesis Tools and Artificial Intelligence Technologies. Proceedings of the Fourth International Workshop on Computer Modeling and Intelligent Systems (CMIS-2021). Zaporizhzhia, Ukraine, April 27, 2021. Pp.
356-367. CEUR Workshop Proceedings (CEUR-WS.org).
7. Anatoliy Melnyk, Yurii Morozov, Bohdan Havano, Petro Hupalo. HealthSupervisor: Mobile Application for Round-the-Clock Remote Monitoring of the Human Functional State (keynote). Proceedings of the 2nd International Workshop on Intelligent Information Technologies & Systems of Information Security with CEUR-WS. Khmelnytskyi, Vol-2853, Ukraine, March 24–26, 2021, pp. 24-37. - http://ceur-ws.org/Vol-2853/ CEUR Workshop Proceedings (CEUR-WS.org).
8. Anatoliy Melnyk. Parallel Conflict-Free Ordered Access Memory Device. Proceedings of the 2021 11th International Conference on Advanced Computer Information Technologies. Deggendorf, Germany, September 15-17, 2021. DOI: 10.1109/ACIT52158.2021.9548539. (Scopus, Web of Science).
9. Anatoliy Melnyk, Valerii Hlukhov. DMQC Project: Design Technologies, Implementation, and Research of the Properties of a Digital Multi-Qubit Coprocessor. Proceedings of the 11th IEEE International Conference on Intelligent Data Acquisition and Advanced Computing Systems: Technology and Applications. September 22-25, 2021, Cracow, Poland. (Scopus, Web of Science).
10. Agility Synthesizable SystemC Reference Manual. - Celoxica Limited. 2005. 38p.
11. David C. Black and Jack Donovan. SYSTEMC: FROM THE GROUND UP. - Kluwer Academic Publishers. 2004. 244p.
12. Thomas Hill. Using MATLAB to Create IP for System Generator for DSP. - White Paper: Xilinx FPGAs WP241 (v1.0) April 19, 2006.
13. AccelDSP Synthesis Tool Supported MATLAB Constructs and Functions. - White Paper: Xilinx FPGAs WP240 (v1.1) December 11, 2006.
14. Thomas Hill. AccelDSP Synthesis Tool. Floating-Point to Fixed-Point Conversion of MATLAB Algorithms Targeting FPGAs. - White Paper: Xilinx FPGAs WP239 (v1.0) April 19, 2006.
15. AccelDSP Synthesis Training Lab Instructions. - Xilinx, Inc. 2002-2007. 70 p.
16. DK2. Handel-C Language Reference Manual. Celoxica Limited. 2003. 291 p.
17. DK2. DK Design Suite User Guide. - Celoxica Limited.. 2003. 204 p.
18. Getting Started with EDK. EDK 9.1i. - Xilinx, January 8, 2007. 12 p.
19. BFM Simulation in Platform Studio/ - Xilinx. January 8, 2007. 12 p.
20. PowerPC 405 Processor. Block Reference Guide. Embedded Development Kit. – Xilinx. UG018 (v2.1) July 20, 2005. 250 p.
Уніфікований додаток: Національний університет «Львівська політехніка» забезпечує реалізацію права осіб з інвалідністю на здобуття вищої освіти. Інклюзивні освітні послуги надає Служба доступності до можливостей навчання «Без обмежень», метою діяльності якої є забезпечення постійного індивідуального супроводу навчального процесу студентів з інвалідністю та хронічними захворюваннями. Важливим інструментом імплементації інклюзивної освітньої політики в Університеті є Програма підвищення кваліфікації науково-педагогічних працівників та навчально-допоміжного персоналу у сфері соціальної інклюзії та інклюзивної освіти. Звертатися за адресою:
вул. Карпінського, 2/4, І-й н.к., кімн. 112
E-mail: nolimits@lpnu.ua
Websites: https://lpnu.ua/nolimits https://lpnu.ua/integration
Академічна доброчесність: Політика щодо академічної доброчесності учасників освітнього процесу формується на основі дотримання принципів академічної доброчесності з урахуванням норм «Положення про академічну доброчесність у Національному університеті «Львівська політехніка» (затверджене вченою радою університету від 20.06.2017 р., протокол № 35).