라즈베리 파이와 슈퍼컴퓨팅

라즈베리 파이와 싱글 보드 컴퓨터의 근본에서 출발해 슈퍼컴퓨팅과 병렬 프로그래밍의 기초를 다룬다. 파이의 노드를 준비하고 네트워크로 연결해 하나의 클러스터로 동작하게 하며, MPI4PY로 클러스터의 기능을 활용한다.

또한 파이썬을 활용한 수치 연산을 위해 NumPy 라이브러리, 과학 연산 라이브러리인 SciPy와 신호 처리 및 영상 처리에서 SciPy의 애플리케이션을 살펴본다. 마지막으로 이미지 데이터를 표현하는 방법과 matplolib 라이브러리로 히스토그램을 계산하는 방법을 다룬다.

이 책은 과학 연산의 놀라운 세계로 떠나는 여정의 시작에 불과하다. matplotlib, OpenCV, SciKit 라이브러리를 탐색할 수 있으며, OS 프로그래밍을 하려는 독자들은 라즈베리 파이의 C에서 pthread와 POSIX 라이브러리를 탐색할 수 있다. 라즈베리 파이의 가능성이 무한하다. 이 경이로운 여정의 시작을 위해 최선을 다하길 바란다.

★ 이 책에서 다루는 내용 ★

■ 슈퍼컴퓨팅의 핵심

■ 저가의 라즈베리 파이 클러스터 구축

■ 병렬 프로그래밍의 성능과 메시지 전달 인터페이스의 사용

■ 라즈베리 파이를 활용한 심볼릭, 수치, 과학 프로그래밍

★ 이 책의 대상 독자 ★

라즈베리 파이와 병렬 프로그래밍을 시작하는 사람을 위한 책이다. 사람들은 저비용 슈퍼컴퓨터를 만드는 방법에 관심이 있고, 매우 적은 비용으로 과학 프로그래밍을 시작하고 싶어한다. 하지만 이 책은 컴퓨터 과학의 세계를 완전 처음 접하는 사람을 위한 책이 아니다. 독자가 컴퓨터의 기본 지식을 갖고 있으며, 그와 관련된 대부분의 근본 개념을 처음 접하는 것이 아니라고 가정한다. 컴퓨터를 좋아하고, 컴퓨터 과학을 좀 더 탐구하기 위한 강력한 툴을 배우길 원하는 학생과 그와 같은 취미를 가진 사람에게 적합하다. 메이커와 해커 역시 이 책이 흥미롭다고 여길 것이다. 마지막으로 독자가 왜 이 책을 읽는지 모른다면 아마 라즈베리 파이, 슈퍼컴퓨터, 과학 프로그래밍, 병렬 프로그래밍에 관심이 있기 때문일 것이다. 내가 이 책을 집필하는 것을 즐겼던 것처럼 모든 독자가 이 책을 즐기며 읽기 바란다.

★ 이 책의 구성 ★

1장, ‘싱글 보드 컴퓨터와 라즈베리 파이의 소개’에서는 싱글 보드 컴퓨터의 역사와 철학을 소개한다. 또한 라즈베리 파이의 기초를 알아보고, 라즈베리 파이를 설치하며, 하나의 네트워크로 연결하는 방법을 소개한다.

2장, ‘중요한 리눅스 명령어와 원격 연결’에서는 중요한 리눅스 명령어를 소개한다. 또한 라즈베리 파이로 원격 연결을 구축하기 위한 절차를 상세히 설명한다.

3장, ‘파이썬 소개’에서는 파이썬 역사와 철학을 소개하고, 파이썬 2와 파이썬 3 사이의 차이를 논의하며, 파이썬 3 인터프리터의 다양한 모드를 알아본다.

4장, ‘슈퍼컴퓨팅의 개요’에서는 슈퍼컴퓨팅의 개념을 소개한다.

5장, ‘메시지 전달 인터페이스’에서는 MPI4PY를 라즈베리 파이에 설치하는 방법을 시연한다.

6장, ‘슈퍼컴퓨터 구축’에서는 멀티 파이로 슈퍼컴퓨팅을 구축하는 방법을 소개한다.

7장, ‘라즈베리 파이 오버클럭킹’에서는 안전하게 파이의 다양한 모델을 오버클럭하는 방법을 소개한다.

8장, ‘파이썬 3에서 병렬 프로그래밍’에서는 파이썬 3로 MPI4PY 프로그래밍하는 방법을 소개한다. 또한 병렬 프로그래밍의 중요한 개념들과 구조들을 알아본다.

9장, ‘SciPy 스택과 심볼릭 프로그래밍 소개’에서는 SciPy 스택의 구성 요소를 소개한다. 또한 SymPy를 이용해 심볼릭 프로그래밍(symbolic programming)하는 방법을 알아본다.

10장, ‘NumPy 소개’에서는 Numpy를 이용한 수치 연산의 세계를 소개한다.

11장, ‘SciPy 소개’에서는 SciPy 라이브러리의 다양한 모듈을 소개한다.

12장, ‘SciPy를 활용한 신호 처리’에서는 시각적으로 신호와 신호 처리의 놀라운 세계를 탐험한다.

13장, ‘SciPy를 활용한 처리’에서는 영상 처리의 기초를 알아본다.

14장, ‘Matplotlib’에서는 파이썬의 Matplotlib으로 데이터 시각화에 대한 짧은 소개를 제공한다. 

지은이 : 애쉬윈 파얀카 

프로그래머, 메이커, 작가, 유튜버로 박학다식하며 과학의 대중화에 힘쓰고 있다. 인도의 IIT 하이데라바드 MTech에서 컴퓨터 과학과 공학을 전공했다. 과학, 기술, 공학, 수학(STEM, science, technology, engineering, and mathematics)의 진흥에 관심을 갖고 있다. 팩트출판사(Packt Publication)에서 3권, 린펍(Leanpub)에서 6권, 에이프레스(Apress)에서 2권의 책을 출판했다. 또한 팩트출판사에서 출판한 4권의 책을 리뷰했다. 이 책은 에이프레스에서 출판하는 세 번째 책이며, 현재 몇 권의 책을 더 집필하고 있다. 

옮긴이 : 배진호

웨이브엠 책임 연구원으로, 물류 로봇의 자율 주행 애플리케이션과 펌웨어 연구 개발 업무를 담당하고 있다. 서울과학기술대학원에서 기계설계로봇공학 석사 학위, 로즈헐맨공과대학(Rose-hulman Institute of Tech)에서 레이저공학 석사 학위를 받았다. 새로운 것을 배우고, 문제를 해결했을 때의 성취감에 매료돼 공학에 빠져들었다. 역서로는 에이콘출판사에서 출판한 『ROS 로보틱스 프로그래밍』(2017)이 있다.

1장. 싱글 보드 컴퓨터와 라즈베리 파이의 소개

__싱글 보드 컴퓨터

____SBC와 범용 컴퓨터의 차이

____시스템 온 칩

____SBC의 역사

____대중적인 SBC 계열

__라즈베리 파이

__라즈베리 파이 설정

____라즈베리 파이 설정을 위해 필요한 하드웨어

____라즈베리 파이를 위해 MicroSD 카드 준비

____필요한 무료 소프트웨어의 다운로드

____라즈베리안 OS를 MicroSD 카드에 쓰기

____VGA 모니터를 사용하는 경우, config.txt의 내용 변경

____파이 부팅

____파이의 환경 설정

__라즈비안

__config.txt

__네트워크와 인터넷에 라즈베리 파이 연결

____와이파이

____이더넷

__파이의 업데이트

____펌웨어 업데이트

____라즈비안의 업데이트와 업그레이드

____raspi-config의 업데이트

__라즈베리 파이의 종료와 재시작

__결론

2장. 중요한 리눅스 명령어와 원격 연결

__중요하고 유용한 리눅스 명령어

____리눅스 명령어 도움말

____네트워크 관련 명령어

__시스템 정보 명령어

____CPU 관련 정보

____메모리 관련 정보

____시스템과 OS 버전 정보

____파티션 관련 정보

____기타 유용한 명령어

__raspi-config로부터 SSH하기 위해 파이 활성화

__윈도우에서 원격으로 라즈베리 파이에 연결

____다른 컴퓨터에서 파이에 연결 확인

____PuTTY

____원격으로 라즈베리 파이 데스크톱에 접근

____WinSCP

__리눅스와 맥OS를 사용한 라즈베리 파이로 연결

____SSH로 원격 로그인

____SSH를 사용해 전달

____파일 전송을 위한 SCP

__결론

3장. 파이썬 소개

__파이썬의 역사

__파이썬의 특징

____단순함

____배우기 쉽다

____읽기 쉽다

____코드 유지보수가 쉽다

____오픈소스

____하이 레벨 언어

____이식성

____인터프리터

____객체지향성

____확장성

____풍부한 라이브러리

____강건성

____신속한 프로토타입

____메모리 관리

____영향력 있는 언어

____커뮤니티 지원

__파이썬 3

____파이썬 2와 파이썬 3 사이의 차이

____왜 파이썬 3을 사용하는가?

__라즈비안에서 파이썬 2와 파이썬 3

__파이썬 프로그램과 파이썬 모드의 실행

____인터랙티브 모드

____노멀 모드

__파이썬을 위한 IDEs

____IDLE

____Geany

__결론

4장. 슈퍼컴퓨팅의 개요

__슈퍼컴퓨팅의 개념

__슈퍼컴퓨터의 간략한 역사

__클러스터

____이종 클러스터

____베오울프 클러스터

__병렬성과 동시성

____병렬성

____동시성

____병렬 프로그래밍

__결론

5장. 메시지 전달 인터페이스

__메시지 전달 인터페이스

____MPI 표준의 역사와 발전

____MPI의 특징

____MPI의 구현

__MPI4PY

____파이썬, MPI4PY, MPI 조합을 사용하는 이유

____라즈비안에서 파이썬 3을 위한 MPI4Y 설치

__nmap의 설치

__결론

6장. 슈퍼컴퓨터 구축

__MicroSD 카드의 백업

__슈퍼컴퓨터의 노드 준비

__파이들의 네트워크

____DHCP를 사용하는 LAN

____와이파이 네트워크

____정적 IP 주소를 사용하는 LAN

__파이의 IP 주소를 찾기 위한 nmap의 활용

__mpirun으로 멀티 파이에서 호스트명 명령어 실행

____자동 인증을 위한 ssh-keygen 키 교환

__클러스터에서 파이의 조직

__결론

7장. 라즈베리 파이 오버클럭킹

__라즈베리 파이 오버클럭킹의 위험성

__파이에 방열판 설치

____방열판의 구매

__raspi-config를 이용한 파이의 오버클럭킹

__/boot/config.txt를 이용한 파이의 오버클럭킹

____/boot/config.txt 내의 옵션

__다양한 파이 모델에 대한 /boot/config.txt 옵션

____파이 B와 파이 B+를 위한 옵션

____파이 2를 위한 옵션

____파이 3을 위한 옵션

__결론

8장. 파이썬 3에서 병렬 프로그래밍

__MPI4PY의 기초

__MPI4PY로 시작

__조건문

__프로세스 개수 확인

__데이터의 송수신

__동적 데이터 송수신

__데이터 태깅...

__데이터 브로드캐스팅

__데이터 분산

__데이터 수집

__결론

9장. SciPy 스택과 심볼릭 프로그래밍 소개

__과학 파이썬 스택

__SciPy 스택의 설치

__SymPy

____SymPy 시작

____심볼

____SymPy 표현식으로 문자열의 변환

____SymPy의 출력 기능

____SymPy에서 단순화

____미적분

__결론

10장. NumPy 소개

__NumPy의 기초

____주피터

____주피터 노트북스

____N차원 배열(ndarray)

__ndarray 속성

____데이터 타입

__배열 생성 루틴

__행렬과 선형 대수

__삼각 메서드

__난수과 통계

__푸리에 변환

__결론

11장. SciPy 소개

__SciPy에서 과학과 수학 상수

__선형 대수

__적분

__보간

__결론

12장. SciPy를 활용한 신호 처리

__파형

__창 함수

____멕시코 모자 파형

____컨볼루션

__결론

13장. SciPy를 활용한 처리

__첫 번째 영상 처리 프로그램

__간단한 영상 처리

__영상 처리를 위한 NumPy 소개

__영상 처리를 위한 Matplotlib

__이미지 채널

__결론

14장. Matplotlib

__이미지 읽기

__컬러 맵

__컬러 바

__영상 처리를 위한 matplotlib

__보간 메서드

__결론