16.5 Кс з обробкою за принципом хвильового фронту

Різновидом структур систол є матричні процесори хвильового фронту (wavefront array processor), іноді їх називають також хвильовими або фронтальними.

У основі побудови систоличних КС лежить глобальна синхронізація масиву процесорів, що передбачає наявність мережі розподілу синхронізуючих сигналів по всій структурі. У системах з дуже великим числом ПЕ починає позначатися запізнювання тактових сигналів. Остання обставина особлива відчутна при виконання масиву на базі НВІС. У результаті виникають серйозні проблеми з синхронізацією, для усунення яких необхідно використовувати схеми управління процесорними елементами, що самосинхронізуються. Самосинхронізація полягає в тому, що моменти початку чергової операції кожен ПЕ визначає автоматично, у міру готовності відповідних операндів. У результаті відпадає необхідність глобальної синхронізації, зникають непродуктивні тимчасові витрати і підвищується загальна продуктивність всієї структури, хоч і ускладнюється апаратна реалізація кожного ПЕ.

Хвильові процесорні масиви поєднують систоличну конвеєрну обробку даних з асинхронним характером потоку даних. Як механізм координації міжпроцесорного обміну в хвильових системах прийнята асинхронна процедура зв’язку з підтвердженням (handshake). Коли який-небудь процесор масиву завершує свої обчислення і готовий передати дані сусідові, він може це зробити, лише коли останній буде готовий до їх прийому. Для перевірки готовності сусіда процесор, що передає, спочатку направляє йому запит, а дані посилає тільки після отримання підтвердження про готовність їх прийняти. Такий механізм забезпечує дотримання заданої послідовності обчислень і робить проходження фронту обчислень через масив плавним, причому завдання дотримання послідовності обчислень вирішується безпосередньо, тоді як в систоличних КС для цього потрібна строга синхронізація.

Концепція масиву процесорів хвильового фронту проілюстрована на прикладі матричного множення (рис.16.7).

Рисунок 16.7 – Виконання матричного множення на хвильовій КС

КС в прикладі складається з процесорних елементів, що мають на кожному вході даних буфер на один операнд. Кожен раз, коли буфер порожній, а в пам’яті, що є джерелом даних, міститься черговий операнд, проводиться негайне його прочитування в буфер відповідного процесора. Операнди з інших ПЕ приймаються на основі протоколу зв’язку з підтвердженням.

Рис.16.7,а фіксує ситуацію після первинного заповнення вхідних буферів. Тут ПЕ(1,1) підсумовує добуток a х e з вмістом свого акумулятора і транслює операнди а і е своїм сусідам. Таким чином, перший хвильовий фронт обчислень (рис.16.7, б) переміщується в напрямі від ПЕ(1,1) до ПЕ(1,2) і ПЕ(2,1). Рис.16.7, в ілюструє продовження розповсюдження першого фронту і результат від ПЕ(1,1) другого фронту обчислень.

В порівнянні з систоличними КС масиви хвильового фронту володіють кращою масштабованістю, простіші в програмуванні і характеризуються вищою відмовостійкістю.