9.1 Векторні, паралельні, конвеєрні системи.

Оксфордский толковый словарь по вычислительной технике, изданный в 1986 году, сообщает, чтосуперкомпьютер - это очень мощная ЭВМ с производительностью свыше 10 MFLOPS. Сегодня этот результат перекрывают уже не только рабочие станции, но, по пиковой производительности, и ПК. В начале 1990-х годов границу проводили уже около отметки в 300 MFLOPS. В 2001 году специалисты двух ведущих "суперкомпьютерных" стран, США и Японии, договорились о подъеме планки до 5 GFLOPS.

Таким образом, основные признаки, характеризующие супер-ЭВМ, следующие:

• самая высокая производительность;

• самый современный технологический уровень (например, GaAs-технология);

• специфические архитектурные решения, направленные на повышение быстродействия (например, наличие операций над векторами);

• цена, обычно свыше 1-2 млн. долларов.

Какой из факторов является решающим в достижении современных фантастических показателей производительности? Обратимся к историческим фактам. На одном из самых первых компьютеров EDSAC (1949 г.), имевшем время такта 2 мкс, можно было выполнить в среднем 100 арифметических операций в секунду. А пиковая производительность суперкомпьютера CRAY C90 с временем такта порядка 4 нс - около 1 миллиарда арифметических операций в секунду. Таким образом, производительность компьютеров за этот период возросла примерно в 10 миллионов раз, а время такта уменьшилось лишь в 500 раз. Следовательно, увеличение производительности происходило и за счет других факторов, важнейшим среди которых является использование новых архитектурных решений, в частности - принципа параллельной обработки данных.

Параллельная обработка данных имеет две разновидности: конвейерность и параллельность.

Идея конвейерной обработки заключается в выделении отдельных этапов выполнения общей операции, причем так, чтобы каждый этап, выполнив свою работу, передавал бы результат следующему, одновременно принимая новую порцию входных данных. Выигрыш в скорости обработки данных получается за счет совмещения прежде разнесенных во времени операций.

Параллельная обработка данных предполагает наличие нескольких функционально независимых устройств.

Закон Амдала

Закон Амдала

S<= 1/ [f + (1-f)/p]

где S - ускорение, f - доля операций, которые нужно выполнить последовательно, p - число процессоров.

Следствие из закона Амдала: для того чтобы ускорить выполнение программы в q раз, необходимо ускорить не менее чем в q раз и не менее чем (1-1/q)-ую часть программы. Следовательно, если нужно ускорить программу в 100 раз по сравнению с ее последовательным вариантом, то необходимо получить не меньшее ускорение на не менее чем 99,99 % кода!

История появления параллелизма в архитектуре ЭВМ

Все современные процессоры используют тот или иной вид параллельной обработки. Изначально эти идеи внедрялись в самых передовых, а потому единичных компьютерах своего времени:

• 1953 г. - IBM 701, 1955 г. - IBM 704: разрядно параллельная память и арифметика, АЛУ с плавающей точкой.

• 1958 г. - IBM 709: независимые процессоры ввода/вывода (т.е. контроллеры ВУ).

• 1961 г. - IBM STRETCH: опережающий просмотр вперед, расслоение памяти на 2 банка.

• 1963 г. - ATLAS: реализована конвейерная обработка данных - конвейер команд.

• 1964 г. - CDC 6600: независимые функциональные устройства.

• 1969 г. - CDC 7600: конвейерные независимые функциональные устройства (8 конвейеров).

• 1974 г. - ALLIAC: матричные процессоры (УУ + матрица из 64 процессоров).

• 1976 г. - CRAY1: векторно-конвейерные процессоры. Введение векторных команд, работающих с целыми массивами независимых данных.

I. Векторно-конвейерные компьютеры (PVP). Имеют MIMD-архитектуру (множество инструкций над множеством данных).

Основные особенности:

• конвейерные функциональные устройства;

• набор векторных инструкций в системе команд;

• зацепление команд (используется как средство ускорения вычислений).

Характерным представителем данного направления является семействовекторно-конвейерных компьютеров CRAY.

Рассмотрим, например, суперкомпьютер CRAY Y-MP C90, имеющий следующие характеристики:

1. Максимальная конфигурация - 16 процессоров, время такта - 4,1 нс, что соответствует тактовой частоте почти 250 МГц.

2. Разделяемые ресурсы процессора:

   • Оперативная память (ОП) разделяется всеми процессорами и секцией ввода/вывода, разделена на множество банков, которые могут работать одновременно.

   • Секция ввода/вывода. Компьютер поддерживает три типа каналов с разной скоростью передачи:

Low-Speed Channels - 6 Мбайт/с

High-Speed Channels - 200 Мбайт/с

Very High-Speed Channels - 1800 Мбайт/с

• Секция межпроцессорного взаимодействия содержит регистры и семафоры, предназначенные для передачи данных и управляющей информации.

Вычислительная секция процессора состоит из:

• регистров (адресных, скалярных, векторных);

• функциональных устройств;

• сети коммуникаций.