![](/user_photo/1363_n5AgO.jpg)
- •Семестр 2. Раздел 1. Архитектура эвм
- •Тема 6. Сетевые устройства: сетевые платы, сетевое оборудование 124
- •Тема 7. Параллельные архитектуры, графические процессоры. Языки cuda и OpenCl. Квантовые вычисления, днк-компьютеры, нанопроцессоры. 132
- •Тема 1. Архитектуры эвм. Принципы фон Неймана. Конвейеры. Тактовый генератор и резонаторы. Архитектура компьютера
- •Архитектура фон Неймана
- •Принципы фон Неймана
- •Гарвардская архитектура
- •Скалярный процессор
- •Векторный процессор
- •Вычислительный конвейер
- •[Править] Пузырек
- •Генератор тактовых импульсов
- •Кварцевый резонатор
- •Тема 2. Схема цпу, регистры, шины, мосты, чипсеты, слоты расширения, порты
- •Типовые структуры операционного блока микропроцессора
- •Системная шина микропроцессора
- •Принципы построения параллельного порта
- •Принципы построения последовательного порта
- •Синхронные последовательные порты
- •Асинхронные последовательные порты
- •Принципы построения микропроцессорных таймеров
- •Чипсеты современных компьютеров
- •Компоненты южного моста
- •Тема 3. Пзу, озу и способы их организации. Ассоциативная память (кэш). Пзу
- •Статические оперативные запоминающие устройства - озу (ram)
- •Кэширование, выполняемое операционной системой
- •Алгоритм работы кэша с отложенной записью
- •Алгоритм вытеснения
- •Политика записи при кэшировании
- •Кэширование интернет-страниц
- •Кэширование результатов работы
- •Тема 4. Накопители данных: накопители на жестких магнитных дисках, накопители на гибких магнитных дисках, накопители на магнитных лентах, оптические накопители, flash-память Жёсткий диск
- •Устройство
- •Гермозона
- •Устройство позиционирования
- •Блок электроники
- •Низкоуровневое форматирование
- •Геометрия магнитного диска
- •Адресация данных
- •Технологии записи данных
- •Метод продольной записи
- •Метод перпендикулярной записи
- •Метод тепловой магнитной записи
- •Накопитель на гибких дисках
- •Конструкция
- •Оптический диск
- •[Править] Некоторые параметры оптических дисков
- •Флеш-память
- •Принцип действия[1]
- •Nor и nand приборы
- •Slc и mlc приборы
- •[Править] Аудиопамять
- •[Править] Технологические ограничения
- •[Править] Специальные файловые системы
- •[Править] nand
- •Твердотельный накопитель
- •[Править] nand ssd
- •[Править] ram ssd
- •Тема 5. Устройства ввода и вывода данных: принтеры, сканеры, факс-модемы, мыши, клавиатуры, мониторы, электронная бумага Принтер
- •[Править] Классификация
- •[Править] Матричные принтеры
- •[Править] Сравнение с другими типами
- •[Править] Струйные принтеры
- •[Править] Классификация
- •[Править] Сублимационные принтеры
- •[Править] Сравнение с другими типами
- •[Править] Лазерные принтеры
- •[Править] Сравнение с другими типами
- •[Править] Другие принтеры
- •[Править] Интернет-принтеры
- •[Править] История и принципы работы
- •[Править] Обзор современных технологий цифровой печати
- •[Править] Картридж принтера
- •[Править] Печатающая головка
- •Копировальный аппарат
- •История
- •Модуляция
- •[Править] Виды модуляции
- •[Править] Аналоговая модуляция
- •[Править] Цифровая модуляция
- •[Править] Импульсная модуляция
- •[Править] Развёртка
- •[Править] Модуляция
- •[Править] Каналы связи
- •[Править] Приём сигнала
- •[Править] Свёртка
- •[Править] Запись изображения
- •[Править] Запись информации
- •Компьютерная мышь
- •[Править]Трекболы
- •[Править]Сенсорные полоски и панели
- •Компьютерная клавиатура
- •Монитор (устройство)
- •Жк-дисплей
- •Электронная бумага
- •Тема 6. Сетевые устройства: сетевые платы, сетевое оборудование
- •Активное сетевое оборудование
- •Пассивное сетевое оборудование
- •[Править] Принцип работы
- •[Править] Таблица маршрутизации
- •[Править] Применение
- •Сетевой коммутатор
- •Сетевой концентратор
- •[Править] Упрощённое описание принципа работы
- •[Править] Характеристики сетевых концентраторов
- •Межсетевой экран
- •Другие названия
- •Разновидности сетевых экранов
- •[Править] Типичные возможности
- •Тема 7. Параллельные архитектуры, графические процессоры. Языки cuda и OpenCl. Квантовые вычисления, днк-компьютеры, нанопроцессоры. Квантовый компьютер
- •Теория [править] Кубиты
- •[Править] Вычисление
- •[Править] Алгоритмы
- •[Править] Квантовая телепортация
- •[Править] Применение квантовых компьютеров [править] Специфика применения
- •[Править] Приложения к криптографии
- •[Править] Физические реализации квантовых компьютеров
- •Транзисторы на нанотрубках
- •Графический процессор
- •Массово-параллельная архитектура
- •Многоядерный процессор
- •Hyper-threading
Массово-параллельная архитектура
Массово-параллельная архитектура (англ. Massive Parallel Processing, MPP) — класс архитектур параллельных вычислительных систем. Особенность архитектуры состоит в том, что память физически разделена.
Система строится из отдельных узлов (англ. node), содержащих процессор, локальный банк оперативной памяти, коммуникационные процессоры или сетевые адаптеры, иногда — жесткие диски и/или другие устройства ввода/вывода. Доступ к банку оперативной памяти данного узла имеют только процессоры из этого же узла. Узлы соединяются специальными коммуникационными каналами.
Пользователь может определить логический номер процессора, к которому он подключен, и организовать обмен сообщениями с другими процессорами. На машинах массово-параллельной архитектуры используются два варианта работы операционной системы:
В одном полноценная операционная система работает только на управляющей машине (front-end), а на каждом отдельном узле функционирует сильно урезанный вариант ОС, обеспечивающий работу расположенной в нем ветви параллельного приложения.
Во втором варианте на каждом модуле работает полноценная, чаще всего UNIX-подобная ОС, устанавливаемая отдельно.
[править] Преимущества архитектуры
Главным преимуществом систем с раздельной памятью является хорошая масштабируемость: в отличие от SMP-систем, в машинах с раздельной памятью каждый процессор имеет доступ только к своей локальной памяти, в связи с чем не возникает необходимости в потактовой синхронизации процессоров. Практически все рекорды по производительности в 1990-е годы установлены на машинах именно такой архитектуры, состоящих из нескольких тысяч процессоров (ASCI Red, ASCI Blue Pacific).
[править] Недостатки архитектуры
отсутствие общей памяти заметно снижает скорость межпроцессорного обмена, поскольку нет общей среды для хранения данных, предназначенных для обмена между процессорами. Требуется специальная техника программирования для реализации обмена сообщениями между процессорами;
каждый процессор может использовать только ограниченный объем локального банка памяти;
вследствие указанных архитектурных недостатков требуются значительные усилия для того, чтобы максимально использовать системные ресурсы. Именно этим определяется высокая цена программного обеспечения для массово-параллельных систем с раздельной памятью.
Многоядерный процессор
Многоя́дерный проце́ссор — центральный процессор, содержащий два и более вычислительных ядра на одном процессорном кристалле или в одном корпусе.
[править] Архитектура многоядерных систем
Многоядерные процессоры можно классифицировать по наличию поддержки когерентности кеш-памяти между ядрами. Бывают процессоры с такой поддержкой и без нее.
Способ связи между ядрами:
разделяемая шина
сеть (Mesh) на каналах точка-точка
сеть с коммутатором
общая кеш-память
Кеш-память: Во всех существующих на сегодняшний день многоядерных процессорах кеш-памятью 1-го уровня обладает каждое ядро в отдельности, а кеш-память 2-го уровня существует в нескольких вариантах:
разделяемая — расположена на одном кристалле с ядрами и доступна каждому из них в полном объёме. Используется в процессорах семейств Intel Core.
индивидуальная — отдельные кеши равного объёма, интегрированные в каждое из ядер. Обмен данными из кешей 2-го уровня между ядрами осуществляется через контроллер памяти — интегрированный (Athlon 64 X2, Turion X2, Phenom) или внешний (использовался в Pentium D, в дальнейшем Intel отказалась от такого подхода).
[править] Производительность
В приложениях, оптимизированных под многопоточность, наблюдается прирост производительности на многоядерном процессоре. Однако, если приложение не оптимизировано, то оно не будет получать практически никакой выгоды от дополнительных ядер, а может даже выполняться медленнее, чем на процессоре с меньшим количеством ядер, но большей тактовой частотой. Это в основном приложения, разработанные до появления многоядерных процессоров, либо приложения, в принципе не использующие многопоточность.
Большинство операционных систем позволяют выполнять несколько приложений одновременно. При этом получается выигрыш в производительности даже если приложения однопоточные.
[править] Наращивание количества ядер
На сегодняшний день основными производителями процессоров — Intel и AMD дальнейшее увеличение числа ядер процессоров признано как одно из приоритетных направлений увеличения производительности.
В 2011 год освоено производство 8-ядерных процессоров для домашних компьютеров,[1] и 16-ядерных для серверных систем.[2]
Имеются экспериментальные разработки процессоров с большим количеством ядер (более 20). Некоторые из таких процессоров уже нашли применение в специфических устройствах.
[править] История массовых многоядерных процессоров
Двуядерные процессоры различных архитектур существовали ранее, например IBM PowerPC-970MP (G5), но их использование было ограничено узким кругом специализированных применений.
В апреле 2005 года AMD выпустила 2-ядерный процессор Opteron архитектуры AMD64, предназначенный для серверов. В мае 2005 года Intel выпустила процессор Pentium D архитектуры x86-64, ставший первым 2-ядерным процессором, предназначенным для персональных компьютеров.
В марте 2010 года появились первые 12-ядерные серийные процессоры, которыми стали серверные процессоры Opteron 6100 компании AMD (архитектура x86/x86-64).[3]
В августе 2011 года компанией AMD были выпущены первые 16-ядерные серийные серверные процессоры Opteron серии 6200 (кодовое наименование Interlagos). Процессор Interlagos объединяет в одном корпусе два 8-ядерных (4-модульных) чипа и является полностью совместимым с существующей платформой AMD Opteron серии 6100 (Socket G34).[4]
[править] История экспериментальных многоядерных процессоров
27 сентября 2006 года Intel продемонстрировала прототип 80-ядерного процессора.[5] Предполагается, что массовое производство подобных процессоров станет возможно не раньше перехода на 32-нанометровый техпроцесс.
20 августа 2007 года компания Tilera, анонсировала чип TILE64 (англ.) с 64 процессорными ядрами и встроенной высокопроизводительной сетью, посредством которой обмен данными между различными ядрами может происходить со скоростью до 32 Тбит/с.[6][7]
26 октября 2009 года Tilera анонсировала[8] 100-ядерный процессор широкого назначения серии TILE-Gx (англ.). Каждое процессорное ядро представляет собой отдельный процессор с кеш-памятью 1 и 2 уровней. Ядра, память и системная шина связаны посредством топологии mesh network. Процессоры производятся по 40-нм техпроцессу и работают на тактовой частоте 1,5 ГГц. Выпуск 100-ядерных процессоров назначен на начало 2011 года.
2 декабря 2009 года Intel продемонстрировала одночиповый «облачный» Single-chip Cloud Computer (SCC) компьютер, представляющий собой 48-ядерный чип. «Облачность» процессора состоит в том, что все 48 ядер сообщаются между собой как сетевые узлы. SCC — часть проекта, целью которого является создание 100-ядерного процессора. Ожидается, что некоторые функции SCC появятся в серийных процессорах Intel в 2010 году.[9]
В июне 2011 года Intel раскрыла детали разрабатываемой архитектуры Many Integrated Core (MIC) — эта технология выросла из проекта Larrabee. Микропроцессоры на основе этой архитектуры получат более 50 микроядер архитектуры x86 и начнут производится в 2012 году по 22-нм техпроцессу. Эти микропроцессоры не могут быть использованы в качестве центрального процессора, но из нескольких чипов этой архитектуры будут строиться вычислительные ускорители в виде отдельной карты расширения и конкурировать на рынках GPGPU и высокопроизводительных вычислений с решениями типа Nvidia Tesla и AMD FireStream.[10]
В октябре 2011 года компания Adapteva представила 64-ядерные микропроцессоры Epiphany IV, которые показывают производительность до 70 гигафлопс, при этом потребляя менее 1 Вт электроэнергии. Микропроцессоры спроектированы с использованием RISC-архитектуры и начнут массово производится в начале 2012 года по 28-нм техпроцессу. Данные процессоры не могут быть использованы в качестве центрального процессора, но компания Adapteva предлагает использовать их в качестве сопроцессора для таких сложных задач, как распознавание лиц или жестов пользователя. Компания Adapteva утверждает, что в дальнейшем число ядер данного микропроцессора может быть доведено до 4096[11].
В январе 2012 года компания ZiiLabs (дочернее предприятие Creative Technology) анонсировала 100-ядерную систему на чипе ZMS-40. Эта система, объединяющая 4-ядерный процессор ARM Cortex-A9 1,5 ГГц (с мультимедийными блоками Neon) и массив из 96 более простых и менее универсальных вычислительных ядер StemCell. Ядра StemCell — это энергоэффективная архитектура SIMD, пиковая производительность при вычислениях с плавающей запятой (32 бит) — 50 гигафлопс, ядра которой работают скорее как GPU в других системах на чипе, и могут быть использованы для обработки видео, изображений и аудио, для ускорения 3D- и 2D-графики и других мультимедийных задач (поддерживается OpenGL ES 2.0 и OpenCL 1.1)[12].