7. Вычислительные системы параллельной обработки данных

7.1. Параллельная обработка как архитектурный способ повышения производительности

Производительность - важнейший показатель ВС. Увеличение требований к производительности постоянно опережает возможности вычислительных систем. Поэтому задачи повышения производительности находятся в центре внимания исследователей и разработчиков средств и систем вычислительной техники.

Имеются три метода, обеспечивающих увеличение производительности систем: совершенствование элементной базы, структурные и математические методы. Совершенствование элементной базы позволяет увеличивать тактовую частоту работы устройств и систем, интегрировать в одном кристалле процессор, память и часть устройств ввода-вывода, увеличивать разрядность шин, памяти и операционных устройств, использовать внутри кристалла более совершенные структуры устройств. Структурные методы направлены на использование методов параллельной обработки данных, что требует такой организации ВС, когда параллельно (одновременно) выполняется большое число преобразований. Математические методы связаны с созданием новых вычислительных методов решения классов задач, допускающих распараллеливание вычислительных процессов. Для реализации потенциально достижимого уровня производительности требуются согласованные усилия математиков и разработчиков аппаратного обеспечения, системного ПО, интегральных микросхем.

Параллельная обработка может быть организована на нескольких уровнях организации ВС, но в первую очередь она связана с применением архитектур с несколькими процессорами. Применение мультипроцессорных архитектур - это единственный способ построения наиболее высокопроизводительных ВС. Построив даже самый мощный процессор для данного уровня развития вычислительной техники, можно еще более увеличить производительность, объединив в единую систему несколько процессоров.

7.2. Параллелизм и конвейеризация – способы параллельной обработки данных

Параллельная обработка данных, подразумевающая выполнение несколько действий одновременно, имеет 2 разновидности:

1. Конвейерность

2. Параллелизм.

Разработчики архитектур прибегали к методам проектирования, известным под названием «совмещение операций», при котором аппаратура компьютера в любой момент времени может выполнять более одной базовой операции. Это метод включает в себя понятия конвейеризация и параллелизм. Хотя эти методы имеют много общего и их трудно различить на практике, но эти термины отражают 2 различных подхода.

7.2.1. Параллельная обработка данных (параллелизм)

Если некоторые устройства выполняют одну операцию за единицу времени t, то 1000 операций они выполнят за 1000 t. Если предположить, что имеются 5 независимых устройств, способных работать одновременно и независимо, то те же 1000 операций система из 5 устройств сможет выполнить за 200 t. Т.о. при параллельной обработке совмещение операций производится путем воспроизведения в нескольких копиях аппаратной структуры.

7.2.2. Конвейеризация

Конвейеризация основана на разделении подлежащей исполнению функции на более мелкие части, называемые ступенями, и выделении для каждой ступени отдельного блока аппаратуры. Так, обработку любой машинной команды можно разбить на несколько ступеней (этапов), организовав передачу данных от одного этапа к следующему. При этом конвейерную обработку используют для совмещения этапов выполнения различных команд. Производительность при этом возрастает благодаря тому, что одновременно на разных ступенях конвейера выполняется несколько команд. Конвейерная обработка такого рода широко применяется во всех современных МП. Разделение команды на более чем 5 ступеней называется суперконвееризацией. Начиная с МП-ов шестого поколения, появился двойной конвейер (стало возможным выполнять более одной команды за 1 такт). Если в МП есть два или более конвейера, то такой МП называется суперскалярным.