8. Многомашинные и многопроцессорные вс. Классификация Флинна.

В настоящее время продолжает существовать тенденция повышения производительности микропроцессоров и систем, построенных на их основе. Повысить производительность системы можно благодаря двум основным факторам: использование более мощных элементов, параллельное выполнение большого числа операций.

Наиболее известной классификацией архитектур вычислительных систем является классификация по Майклу Флинну, которая была предложена в 1966 г. Классификация базируется на понятии потока, под которым понимается последовательность команд или данных, обрабатываемых процессором. На основе числа потоков команд и потоков данных выделяются четыре класса архитектур:

• SISD (Single Instruction Stream / Single Data Stream). К такому классу относятся классические последовательные машины фон-неймановского типа. В таких машинах есть один поток последовательно обрабатываемых команд и один поток данных для выполнения операций. Машины данного класса фактически не относятся к параллельным системам.

• SIMD (Single Instruction Stream / Multiple Data Stream). Подход множественного потока данных на единственный поток команд реализован в MMX- и SSE-расширениях современных процессоров, хотя он может быть реализован и на базе множества микропроцессоров. Все процессорные элементы в такой системе выполняют одну и ту же программу над множеством данных — элементов вектора. Такая система может обеспечить существенное повышение производительности только для тех задач, при решении которых все процессоры могут выполнять одну и ту же работу.

• MISD (Multiple Instruction Stream / Single Data Stream). Подразумевается наличие в архитектуре системы множества процессоров, которые обрабатывают один и тот же поток данных. К такому классу могут относиться конвейерные машины.

• MIMD (Multiple Instruction Stream / Multiple Data Stream). В системе этого класса каждый процессорный элемент выполняет свою программу достаточно независимо от других процессоров. Базовой моделью вычислений будет являться совокупность независимых процессоров, которые периодически обращаются к разделяемым данным. Представителями MIMD можно считать любые современные процессоры, так как они способны к многозадачности и к многопоточности в рамках одной задачи.

Большинство параллельных многопроцессорных вычислительных систем относится именно к классу MIMD.

Многопроцессорные ВС можно классифицировать по архитектурным особенностям:

• векторно-конвейерные суперкомпьютеры;

• симметричные мультипроцессорные системы (SMP);

• системы с массовым параллелизмом (MPP);

• кластерные системы.

Векторно-конвейерные компьютеры используют конвейерную обработку потока команд (как и все современные процессоры) и производят операции над целыми массивами (векторами) данных за счёт добавления в систему команд набора векторных операций. Основное назначение – это распараллеливание выполнения операторов цикла, в которых, обычно, и сосредоточена основная часть вычислительной работы. Векторные процессоры имеют более сложную структуры, как минимум из-за необходимости содержать в себе множество АЛУ для векторных операций. Длина векторов в современных векторных компьютерах составляет, как правило, 128 или 256 элементов.

Симметричные мультипроцессорные системы (Symmetric Multi-Processing, SMP) отличаются тем, что все процессорные элементы в такой системы имеют доступ к общей памяти посредством общей шины или коммутатора. Такой подход упрощает взаимодействие процессоров при разработке параллельных программ, так как все процессоры системы работают в едином адресном пространстве. Сложность реализации такой системы состоит в решении проблемы большого числа конфликтов при обращении к общей шине/памяти.

Системы с массовым параллелизмом (Massively Parallel Processing, MPP) представляют собой многопроцессорные системы с распределённой памятью, в которых с помощью коммуникационной среды объединяются однородные вычислительные узлы. Каждый из узлов обладает всем необходимым оборудованием для полноценного функционирования и на него может быть установлен облегчённый вариант ОС, поддерживающий основные функции ядра. В таком случае управление системой ведётся на отдельном управляющем компьютере. Каждый узел имеет прямой доступ только к своей локальной памяти, а данные из других узлов можно получить посредством механизма передачи сообщений в коммуникационной среде.

Кластерные системы являются продолжением идеи MPP-систем и представляют собой объединённые высокоскоростной сетью и управляемые специальным ПО обычные серийные компьютеры. Создание кластеров из компьютеров стало возможным с появлением сетевого оборудования и ПО, позволяющего реализовать механизм передачи сообщений над стандартными сетевыми протоколами. Небольшую кластерную систему можно создать даже на базе учебного класса. Объединять можно разнородные компьютеры от обычного ПК до мощного суперкомпьютера.