2.5. Паралелізм на рівні процесорів

Попит на комп'ютери, що працюють все з більш і більш високою швидкістю, не припиняється. Швидкість роботи процесорів підвищується, але в них постійно виникають проблеми зі швидкістю передачі інформації, оскільки швидкість поширення електромагнітних хвиль у мідних проводах і світла в оптико-волоконних кабелях як і раніше залишається 20 см/нс, незалежно від того, наскільки розумні інженери компанії Intel. Крім того, чим швидше працює процесор, тим сильніше він нагрівається, і потрібно охороняти його від перегріву.

Паралелізм на рівні команд допомагає в якійсь мірі, але конвеєри і суперскалярна архітектура як правило збільшують швидкість роботи усього лише в 5-10 разів. Щоб поліпшити продуктивність у 50, 100 і більше раз, потрібно розробляти комп'ютери з декількома процесорами.

2.6. Векторні комп'ютери

Багато задач у фізичних і технічних науках містять вектори, у протилежному випадку вони мали б дуже складну структуру. Часто ті самі обчислення виконуються над різними наборами даних в один і той самий час. Структура цих програм дозволяє підвищувати швидкість роботи завдяки паралельному виконанню команд. Існує два методи, що використовуються для швидкого виконання великих наукових програм. Хоча обидві схеми в багатьох випадках схожі, одна з них вважається розширенням одного процесора, а інша – паралельним комп'ютером.

Масивно - паралельний процесор (array processor) складається з великої кількості подібних процесорів, що виконують ту саму послідовність команд стосовно до різних наборів даних. Першим у світі таким процесором був ILLIAC IV (Університет Іллінойсу). Він зображений на рис.2.4. Спочатку передбачалося сконструювати машину, що складається з чотирьох секторів, кожний з яких містить решітку 8x8 елементів процесор/пам'ять. Для кожного сектора був один блок контролю. Він розсилав команди, що виконувалися всіма процесорами одночасно, при цьому кожний процесор використовував свої власні дані зі своєї власної пам'яті (завантаження даних відбувалося під час ініціалізації). Через дуже високу вартість був побудований тільки один такий сектор, але він міг виконувати 50 млн операцій з плаваючою точкою у секунду. Якби при створенні машини використовувалися чотири сектори і вона могла б виконувати 1 млрд операцій з плаваючою точкою у секунду, то потужність такої машини у два рази перевищувала б потужність комп'ютерів усього світу.

Блок управління

команди широкосповіщення

Решітка 8х8

із елементів

процесор-пам’ять

П роцесор

П ам’ять

Рис. 2.4. Масивно-паралельний процесор ILLIAC IV

Для програмістів векторний процесор (vector processor) дуже схожий на масивно-паралельний процесор (array processor). Як і масивно-паралельний процесор, він дуже ефективний при виконанні послідовності операцій над парами елементів даних. Але, на відміну від першого (array processor), всі операції додавання виконуються в одному блоці сумування, що має конвеєрну структуру. Компанія Cray Research, засновником якої був Сеймур Крей, випустила багато векторних процесорів, починаючи з моделі Сгау-1 (1974) і донині. Cray Research у даний час входить до складу SGI.

Обидва типи процесорів працюють з масивами даних. Обоє вони виконують ті самі команди, що, наприклад, попарно складають елементи для двох векторів. Але якщо в масивно-паралельному процесорі (array processor) є стільки ж підсумовуючих пристроїв, скільки елементів у масиві, векторний процесор (vector processor) містить векторний регістр, що складається з набору стандартних регістрів. Ці регістри послідовно завантажуються з пам'яті за допомогою однієї команди. Команда додавання попарно складає елементи двох таких векторів, завантажуючи їх із двох векторних регістрів у підсумовуючий пристрій з конвеєрною структурою. У результаті з підсумовуючого пристрою виходить інший вектор, що або розміщується у векторний регістр, або відразу використовується в якості операнду при виконанні іншої операції з векторами.

Масивно-паралельні процесори (array processor) випускаються дотепер, але займають незначну сферу комп'ютерного ринку, оскільки вони ефективні при розв'язку тільки таких задач, що вимагають одночасного виконання тих самих обчислень над різними наборами даних. Вони можуть виконувати деякі операції набагато швидше, ніж векторні комп'ютери (vector computer), але вимагають більшої кількості апаратного забезпечення, і для них складно писати програми. Векторний процесор (vector processor), з іншого боку, можна додавати до звичайного процесора. У результаті ті частини програми, що можуть бути перетворені у векторну форму, виконуються векторним блоком, а інша частина програми – звичайним процесором.