10 Сурет. Конвейерлік құрылғы өнімділігінің кіріс деректер

ұзындығына тәуелділігі

Кіріс деректерінің саны ұлғайған сайын конвейерлік құрылғының нақты өнімділігі оның шектік өнімділігіне біртіндеп жақындай түседі. Бірақ-та, практика жүзінде кезкелген конвейерлік құрылғының нақты өнімділігі оның шектік өнімділігіне E_шек жетуі мүмкін болмайды.

Бүгінгі күні компьютер архитектурасындағы параллельділікпен көп адамды таңқалдыра алмайтынымыз анық. Соңғы микропроцессорлардың барлығы дерлік параллель өңдеудің қандай-да бір түрлерін пайдаланады.

Негізінде параллельділік туралы идеялар өте ертеде пайда болды. Алғашқы кезде олар ең алдыңғы қатардағы, сондықтан өз уақытында жекелеген компьютерлерге ғана енгізілді. Кейін келе, өндіріс технологияларының жетілдірілуіне, электронды есептеу машиналарының көптеп шығарылуына, сол себепті олардың арзандауына байланысты олар ортаңғы класты компьютерлерде пайдаланыла бастады. Қазіргі уақытта бұл идеялар толық көлемде жұмыс станциялары мен дербес компьютерлерде іске асуда.

Қазіргі заманғы есептеу жүйелері архитектурасындағы негізгі жаңа енгізулердің барлығы дерлік микропроцессор, суперкомпьютер деген ұғымдар болмай тұрып-ақ қолданыла бастаған, оған көз жеткізу үшін ЭЕМ пайда болу тарихына қысқаша тоқталайық.

Алғашқы компьютерлерде (EDSAC, EDVAS, UNIVAC, ХХ ғасырдың 40-шы жылдарының соңы, 50-ші жылдарының басы) сөз разрядтары келесі өңделуден өтуге бірінен кейін бірі тізбекті түрде беріліп отырылды. Сол сияқты арифметикалық операциялар да разрядтытүрде орындалып, мысалға, 32 разрядты екі санды қосу үшін 32 машиналық такт қажет етілді. Бұл, есептеу машинасы тарихындағы разрядтытізбектелген жады және разрядтытізбектелген арифметика уақыты болды.

Деректерді ерікті таңдауға мүмкіндік беретін есте сақтау құрылғыларының пайдалануға беріле бастауы, разрядтыпараллель жады және разрядтыпараллель арифметиканы енгізуге мүмкіндік берді. Мұнда сөз разрядтары жадыдан бір мезгілде оқылып, арифметикалық-логикалық құрылғының (АЛҚ) операцияларды орындау барысына қатысады. Осындай принципке негізделген бірінші коммерциялық IBM 701 ЭЕМ-ы 1953-ші жылы пайдалануға берілді. Осы класқа жататын 1955 жылы шығарылған IBM 704 ЭЕМ-ның 150 экземпляры сатылып, ол сол уақыттағы коммерциялық үлкен жетістік деп есептелді.

Сол уақыттағы IBM 704, я болмаса, басқа есептеу машиналары болсын, барлық енгізу/шығару операциялары арифметикалық-логикалық құрылғы арқылы орындалды. Пайдаланудағы аздаған сыртқы құрылғылардың ішіндегі ең жылдамы – таспалы құрылғысы секундына шамамен 15000 символ жылдамдықпен жұмыс істеді. Әрине, бұл процессордың деректерді өңдеу жылдамдығынан көп төмен. Есептеу машиналарын осылайша ұйымдастыру, ақпаратты енгізу және шығару кезінде өнімділік дәрежесінің төмендеуіне әкеліп соқтырды. Осы мәселенің алғашқы шешімдерінің бірі болып, енгізу/шығару каналы деп аталатын және де арифметикалық-логикалық құрылғыға енгізу/шығару құрылғыларымен параллель жұмыс істеуге мүмкіндік беретін арнайы ЭЕМ-н енгізу болды. 1958 жылы IBM 704 ЭЕМ-на алты енгізу/шығару каналының қосылуы IBM 709 ЭЕМ-н құрудың негізін қалады.

Осы жылдары ЭЕМ-ң өнімділігін күрт арттырудың жолы, компьютер архитектурасында деректерді параллель өңдеу қағидасын пайдалану екендігі түсінікті болды.

Көрші командалардың әртүрлі этаптарының уақыт бойынша үйлесімдігінің есебінен өнімділікті арттыру идеясы іске асырылған алғашқы машиналардың бірі IBM STRETCH жүйесі болды. Осы сериялы құрылған алғашқы жеті компьютердің біріншісі 1961-ші жылы АҚШ-да Лос-Аламосс ұлттық зертханасында орнатылды. Жүйе архитектурасында екі принципиалды маңызды ерекшеліктер болды. Бірінші ерекшелігі – санау үшін алдынала көрсету, декодтау, адрестерді есептеу және де бірнеше командалар операндаларын алдын-ала таңдау.

Екінші ерекшелігі – компьютер жадысының тәуелсіз екі банкке бөлініп, олардың деректерді арифметикалық-логикалық құрылғыға бір-біріне тәуелсіз бере алу (жібере алу) мүмкіншілігі (яғни, тағы да параллелизм идеясы). Жадының ажырауы деген атқа ие болған бұл ерекшелік кейінірек барлық үлкен компьютерлерде пайдаланылды десе болады. Бұл жағдайда, компьютер құрастырушылардың шешуге тиісті негізгі есебі, арифметикалық-логикалық құрылғы жылдамдығы мен жады арасындағы үйлесімділікті қалыптастыру болды. Бұл уақыт бойынша жадымен әртүрде қатынасуға мүмкіндік беретін барлық жадыны k тәуелсіз банктерге (секцияларға) бөлу есебінен орындалды. Бір мезгілде адрестерді кезекке қою енгізіліп, бұл кезде кезкелген қатар орналасқан А₀, А₀+1,...А₀+(к -1) адрестерімен к жады ячейкалары әр түрлі банктерге түседі.

Осылай ұйымдастыру нәтижесінде, қатар орналасқан деректермен жұмыс істеу максимал тиімді жүргізіледі. Тәжірибе жүзінде бұл режим вектор элементтерін тізбекті түрде өңдеуге немесе көп өлшемді массивтердің қатарымен/бағанымен жұмыс істеуге жауап береді. Көбінесе банктер саны екінің дәрежесіне тең: . Бұл жағдайда қажетті банкінің нөмірі m кіші адрес разрядтарына жазылған санға тең.

1956 жылы IBM STRETCH жобасымен қатар, басқа белгілі жоба дайындала басталды. Оның нәтижесі, есептеу машинасының даму тарихындағы орны бөлек, 1962 жылы іске қосылған бірінші ATLAS компьютері болды. Онда бірінші болып виртуалды жады және жүйелік үзілімге негізделген мультибағдарламалық операциялық жүйе іске асырылды. Сонымен қатар, мұнда алғаш рет командаларды өңдеудің конвейерлік қағидасы пайдаланыла бастады. Команданы өңдеу циклын төрт баспалдаққа бөлді: команданы таңдау, операнда адресін есептеу, операнданы таңдау және операцияны орындау. Бұл команда орындалуының орташа уақытын 6 мкс-тан 1,6 мкс-қа дейін қысқартуға мүмкіндік беріп, компьютер өнімділігін секунына 200 мың нақты операцияға дейін арттыруға мүмкіндік берді.

1964 жылы Control Data Corporation компаниясы CDC 6600 компьютерін шығарды. Компьютердің бас конструкторы және сол уақыттағы компанияның вице-президенті С.Крэй (Seymour Cray) болды. Ол кейінгі жылдары көптеген бірегей суперкомпьютерлер жасап шығарды. CDC 6600 компьютерінің орталық процессоры тәуелсіз он функционалды құрылғылардан тұрды – бұл әрине айқын түрдегі параллельділік. Компьютердің барлық функционалды құрылғылары бір-бірімен бір мезгілде жұмыс істей алатындай арнайы дайындалды (бір жылжымалы үтірмен қосу және бір бекітілген үтірмен қосу құрылғысы, екі көбейту, бөлу, логикалық операция, ығысу және т.б. құрылғылар). Сол кезеңдегі суперкомпьютерлердің мұмкіндіктерін сезіну үшін, CDC – 6600 компьютерінің кейбір сипаттамаларын бере кетелік: такт уақыты 100 нс, жадысы әрқайсысы 4096 60 разрядты сөзден тұратын 32 банкіге бөлінген, орташа өнімділігі секундына 2-3 млн. операция.

1969 жылы Control Data Corporation компаниясы CDC 6600 моделінің жетілдірілген жаңа үлгісін CDC-7600 компьютерін жасап шығарды. Жаңа компьютердің орталық процессоры сегіз тәуелсіз функционалды құрылғылардан тұрды және бір мезгілде параллельділік және конвейерлік өңдеу пайдаланылды. CDC 7600 моделінің тағы бір ерекшелігі, мұнда екідеңгейлі жады іске асырылды: есептеу секциясы дәстүрлі режимде «аса оперативті» жадымен (64 К 60-разрядты сөз) жұмыс істейді. Бұл жадыға қажетті жағдайда негізгі жадыдан (512 К 60-разрядты сөз) деректер енгізіледі. CDC-7600 компьютерінің тактілі уақыты 27,5 нс, орташа өнімділігі секундына 10-15 млн. операция.

Деректерді параллель өңдеу идеясының дамуындағы келесі маңызды орынды ILLIAC IV компьютері құрастырылуымен байланыстырады. Бұл жобаның басты идеясы – синхронды жұмыс істейтін процессорлар матрицасы ILLIAC IV компьютерінің архитектурасы 1962 жылы сипатталған SOLOMON жүйесі концепцияларына негізделді. Алғашқы жоба бойынша ILLIAC IV компьютерінің негізін, әрқайсысында 64 элемент бар төрт квадрантқа жинақталған 256 процессорлық элементтен тұратын матрица құрады (11 сурет).