Параллельные и конвейерные архитектуры

СуперЭВМ

К суперЭВМ относятся мощные многопроцессорные вычислительные машины с быстродействием сотни миллионов - десятки миллиардов операций в секунду.

Типичными областями применения суперЭВМ являются; научные исследования, прогнозирование погоды, проектирование авиационной и космической техники, ядерные исследования, сейсмический анализ и другие области, требующие быстрой обработки очень большого количества данных.

Создать такую высокопроизводительную ЭВМ по технологии на одном МП нельзя, из-за ограничения обусловленного конечным значением скорости распространения эл.маг. волн (300 000 км/с), т.к. время распространения сигнала на расстояние несколько мм (линейный размер стороны МП) при быстродействии 100 млрд.оп/сек становится соизмеримым с временем выполнения одной операции. Поэтому суперЭВм создаются в виде высокопараллельных многопроцессорных вычислительных систем (МВПС).

Аппаратно современный параллелизм ЭВМ поддерживается на четырех основных уровнях:

- многомашинном;

-мультипроцессорном;

-однопроцессорном с несколькими исполнительными устройствами;

-конвейеризацией обработки данных;

Подход на основе многомашинных ВС не дает качественного скачка повышения производительности. Идея симметричной мультипроцессорной системы или SMP довольно проста. Несколько одинаковых центральных процессоров совместно используют память и шины данных компьютера. В идеальных условиях производительность такой системы должна быть в N раз выше производительности одного процессора (где N- число процессоров). Однако это неверно, такт как, когда несколько процессоров пытаются обратится к совместно используемому ресурсу.

Все современные параллельные ВС являются мультипрорцессорными с различной архитектурой.

Рассмотрим также понятие параллельной обработки. Затраты времени как при числовой, так и нечисловой обработке легко снизить путем распараллеливания операций. Это означает, что сходные действия над группами данных выполняются одновременно одинаковыми процессорами. Параллелизм – это естественное решение проблемы обработки больших наборов данных с повторяющейся структурой.

Для организации параллельной обработки требуется:

Составление параллельных программ, т.е. отображение в явной форме параллельной обработки с помощью специальных конструкций языка, ориентированного на параллельные вычисления;

Автоматическое обслуживание параллелизма. Последовательная программа может быть автоматически проанализирована и выявлена явная или скрытая параллельная обработка. Она должна быть преобразована в явную

Отображение параллельной обработки вручную или автоматически на рабочие алгоритмы, использующие специфические характеристики заданной архитектуры.

При этом параллельные архитектуры, в особенности такие как матричные процессоры достигают высокой производительности именно с учетом архитектурных ограничений.

Конвейерная обработка. Конвейерная обработка улучшает использование аппаратных ресурсов для заданного набора процессов. Пример конвейерной организации сборочный транспортер на производстве. Если транспортер использует аналогичные, но не тождественные изделия, то это – последовательный конвейер., если же все изделия одинаковые, то это – векторный конвейер. В архитектуре вычислительных машин традиционными примерами последовательных конвейеров являются конвейерное устройство обработки команд и арифметико-логическое устройство. Конвейеры содержащие циклы называются циклическими. Конвейеры можно подразделять на однофункциональные и многофункциональные, а также на статические и динамические. Многофункциональный конвейер может перестраиваться при переходе от одной группы заданий к другой, тогда как в динамическом конвейере такая перестройка может производится между отдельными заданиями.

Неклассические типы архитектур вычислительных машин.

В ЭВМ классической архитектуры, чтобы найти значение элемента данных мы указываем начальное значение адреса блока памяти, а затем смещение конкретно элемента относительно начального адреса. Эти два значения складываются и получается искомый адрес. Этот вид памяти называется адресуемым. При ассоциативной адресации данные выбираются не по адресу, а по содержимому полей. Вначале пытались отразить ассоциативную адресацию и параллельную обработку на ЭВМ классической архитектуры, в которой один процессор обращается к памяти по адресу. В этой архитектуре для обработки всей информации мы располагаем всего лишь одним процессором. При этом миллиарды символов информации находятся в состоянии ожидания передачи через канал и обработки. При этом затраты времени будут очень большими. При использовании вышеизложенных концепций на этом уровне требуется внести в архитектуру два изменения:

А) использовать параллельные процессоров, т.е. параллелизм обработки;

Б) приблизить процессоры к данным, чтобы устранить постоянную передачу данных, т.е. распределенную логику. Кроме того в ЭВМ классической архитектуры обращение к памяти происходит по адресу, что приемлимо при числовой обработке, однако для организации нечисловой обработки, где обращение происходит по содержание приходится вводить режим эмуляции ассоциативной адресации с помощью основного адресного доступа. При этом создаются специальные таблицы для перевода ассоциативного запроса в адрес. Учитывая, количество информации, легко представить с какими затратами связана обработка этих таблиц.

Высокопараллельные МПВС имеют несколько разновидностей:

магистральные (конвейерные) МПВС, в которых процессоры одновременно выполняют разные операции над последовательным потоком обрабатываемых данных; по принятой классификации такие МПВС относятся к системам с многократным потоком команд и однократным потоком дан­ных (МКОД или MISD – Multiple Instruction Single Data);

векторные МПВС, в которых все процессоры одновременно выполняют одну команду над различ­ными данными – однократный поток команд с многократным потоком данных (ОКМД или SIMD – Single Instruction Multiple Data);

матричные МПВС, в которых МП одновременно выполняют разные операции над несколькими последовательными потоками обрабатываемых данных – многократный поток команд с много­кратным потоком данных (МКМД или МIМD – Multiple Instruction Multiple Data).

Условные структуры однопроцессорной (SISD – Single Instruction Single Data) и названных много­процессорных вычислительных систем показаны на рис. 3.8.

В суперЭВМ используются все три варианта архитектуры МПВС:

структура MIMD в классическом ее варианте (например, в суперкомпьютере BSP фирмы Burroughs);

параллельно-конвейерная модификация, или MMISD, т. е. многопроцессорная (Multiple) MISD-архитектура (например, в суперкомпьютере Эльбрус 3);

параллельно-векторная модификация, или MMISD, т. е. многопроцессорная SIMD‑архитектура (например, в суперкомпьютере Cray 2).

Рис. 3.8. Условные структуры вычислительных систем: А – SISD (однопроцессорная);

Б – MISD (конвейерная); В – SIMD (векторная); Г – MIMD (матричная)

Наибольшую эффективность показала MSIMD-архитектура.

Контрольные вопросы

1. Разница между мультипроцессорными компьютерами, многомашинными системами и вычислительной сетью.

2. Что такое архитектура компьютера?

3. Методы классификации компьютеров?

4. Понятие аналоговой передачи?.

5. Основные характеристики аналогового сигнала?

6. Что такое амплитуда аналогового сигнала?

7. Что такое частота аналогового сигнала?

8. Что такое длина волны аналогового сигнала?

9. Что такое полоса пропускания аналогового сигнала?

10. Разница между узкополосной и широкополосной передачей

11. Разница между аналоговыми и цифровыми ЭВМ;

12. Достоинства и недостатки АВМ.

13. Что такое SCADA-система?

14. Большие ЭВМ (Main Frame)? МиниЭВМ? МикроЭВМ?

15. Серверы.

16. Разница между процессорами CISC, RISC и MISC?

17. Виды неклассических архитектур?

18. Что такое параллелизм в архитектуре ЭВМ?

19. Перечислить виды архитектур суперкомпьютеров;

20. Векторные и конвейерные архитектуры?

21. Что такое ассоциативный процессор и его отличие от фон-Неймановской адресации?

Дата добавления: 2014-10-15