Конвеєризація обчислень та багатоядерні МП

2. Конвеєризація обчислень та багатоядерні МП.

Конвеєрну (MISD) архітектуру ЕОМ запропонував академік С.А. Лебедєв в 1956 році (рис.1).

Рис. 1. Оброблення даних у обчислювальної системі конвеєрної (MISD) архітектури.

Ця структура реалізується у вигляді ланцюжка послідовно з'єднаних процесорів, тому інформація на виході одного процесора є вхідною інформацією для іншого процесора, тобто процесори утворюють процесорний конвеєр. В окремому потоці даних ланцюжка операнди з пам'яті спрямовуються на вхід конвеєра. Кожний процесор обробляє відповідну частину завдання, передаючи результати сусідньому процесору, що використовує їх як вихідні дані. Отже, розв'язання задач з деякими вихідними даними розгортається послідовно в конвеєрному ланцюжку. Це забезпечується підведенням до кожного процесора свого потоку команд, тобто формується множинний потік команд.

Як тільки конвеєр заповнюється, вихідний процесор видає результати для послідовності вхідних даних через дуже короткі інтервали часу, хоча дійсний час проходження команд через конвеєр може бути значно більшим (фактично це – паралельно-послідовний спосіб обчислень).

Слід зазначити, що розглянута схема (конвеєр з окремих процесорів, кожний з яких керується своїм потоком команд) характерна для так званих суперкомпьютерів – багатопроцесорних обчислювальних систем надвеликої обчислювальної потужності.

Але конвеєрне оброблення команд на внутріпроцесорному рівні реалізовано на всіх сучасних універсальних процесорах. Зрозуміло, що в цьому випадку обчислювальний конвеєр складається не з декількох МП, а з окремих функціональних вузлів (цифрових автоматів) того ж самого МП, кожний з яких виконує власну, спеціалізовану функцію.

Нагадаємо, що більшість сучасних універсальних МП є суперскалярними, тобто мають у своєму складі два обчислювальних конвеєра.

Крім того, останні моделі МП є двоядерними, тобто мають у своєму складі два однакових процесорних ядра з загальною кеш- пам’яттю, що працюють з однаковою тактовою частотою.

3. Багатопроцесорні МПС

Останнім часом набули поширення багатопроцесорні комп'ютери, тобто комп'ютери, які містять кілька процесорів.

Функціонування багатопроцесорної системи потребує виконання таких умов:

-  материнська плата має підтримувати кілька процесорів, тобто мати додаткові розніми для установлення процесорів і відповідний набір мікросхем;

-  процесор має працювати в багатопроцесорній системі;

-  операційна система має підтримувати декілька процесорів (такими операційними
системами є Windows NT/XP і Unix).

Багатопроцесорна система найбільш ефективна у випадках, коли вона використовується багатозадачними операційними системами і прикладними програмами, створеними за допомогою спеціальних засобів, що дозволяють виконувати паралельне оброблення даних.

У процесі одночасної роботи декількох процесорів операційна система розподіляє різні задачі між процесорами. Існують два режими роботи багатопроцесорних систем -- асиметричний і симетричний.

У режимі асиметричного оброблення один процесор виконує тільки задачі операційної системи, а решта процесорів реалізовують прикладні програми.

У режимі симетричного мультиоброблення -- SMP (Symmetric Multi-Processing) задачі операційної системи і прикладні задачі користувача може виконувати будь-який процесор залежно від його завантаження. Цей режим більш продуктивний і тому його використовують для більшості багатопроцесорних систем.

Сучасні універсальні МП можуть одночасно виконувати кілька команд. Оскільки звернення до оперативної пам'яті і пристроїв виконується значно повільніше, ніж команди, процесор може простоювати під час таких звернень. Однак усі сучасні операційні системи працюють у багатозадачному режимі, тому на процесор можна спрямовувати не один, а кілька потоків команд від різних розв'язуваних одночасно задач. Такий режим реалізовано в останніх процесорах Pentium IV, Xeon та Itanium фірми Intel за допомогою гіперпотокової технології НТ (Hyper-Threading Technology). Процесор, що підтримує цю технологію, виявляється для операційної системи як два віртуальні процесори і тому може обробляти два рівнобіжні потоки даних. У цьому разі, за оцінками фірми Intel, продуктивність комп'ютера може підвищитися до 25 %. Реалізація гіперпотокової технології забезпечується не лише підтриманням цієї технології самим процесором, але й набором мікросхем і BIOS материнської плати та операційною системою багатопроцесорного режиму роботи.

Поняття про суперкомп'ютери

Суперкомп'ютери зорієнтовано на досягнення надвисоких швидкостей оброблення інформації, підвищення надійності та живучості обчислювальних систем. Вони містять кілька десятків чи сотень порівняно простих (елементарних) процесорів.

Підвищення надійності, живучості та завадостійкості суперкомп'ютерів, а тепер і інших типів комп'ютерів, досягається введенням надлишкового устаткування і забезпеченням у разі відмов устаткування автоматичної реконфігурації системи для зберігання життєво важливих функцій (можливо ціною втрати другорядних).

Натепер існують дві структури побудови великих багатопроцесорних систем високої продуктивності: матрична структура (рис.2) і структура з конвеєрним обробленням команд (рис.1, була розглянута у попередньому навчальному питанні).

Комп'ютери, реалізовані з використанням матричної структури, містять деяку кількість однакових порівняно простих швидкодіючих процесорів (трансп’ютерів), з'єднаних між собою та пам'яттю так, що утворюється сітка (матриця), у вузлах якої розміщаються процесори. Система містить кілька потоків даних і один загальний потік команд, тобто всі процесори виконують одночасно одну й ту саму команду (допускається пропуск команд в окремих процесорах), але з різними операндами, що доставляються процесорам з пам'яті декількома потоками даних (SIMD – архітектура).

Основні принципи побудови завадостійких комп'ютерів такі:

—багато однотипних пристроїв (система має містити декілька примірників однотипних пристроїв: процесорів, модулів оперативної пам'яті, контролерів і т. ін.);

—загальні поля процесорів, оперативної пам'яті, каналів (шин) і периферійних пристроїв;

—динамічний розподіл функцій між однотипними пристроями (заздалегідь не відомо, який з однотипних пристроїв буде виконувати цю функцію і, більше того, роботу можна почати на одному, продовжувати на другому і закінчувати на третьому пристрої);

Рис. 2. Оброблення даних у обчислювальної системі матричної (SIMD) архітектури.

 

—автоматичний контроль правильності виконання операцій (усі операції, наприклад обчислення в процесорі, виконуються на двох чи декількох пристроях і в разі розбіжності результатів операція повторюється і (чи) викликається програма автоматичної діагностики);

—динамічна реконфігурація (можливість замінювати устаткування чи модулі програмного забезпечення, що відмовили, без перерви в роботі справної частини устаткування і програмного забезпечення).

Наявність загальних полів пристроїв і динамічного розподілу функцій дозволяє комплексу зберігати працездатність доти, доки залишається хоча б один справний пристрій кожного типу.

Суперкомп'ютери використовуються для розв'язання особливо складних науково-технічних задач, оброблення великих обсягів даних у реальному масштабі часу, моделювання складних систем, автоматизованого проектування складних об'єктів, а також у системах керування (промислових і військових).

Макет найпотужнішого суперкомп'ютера ES (Earth Simulator) Центра моделювання Землі (Earth Simulator Center) у Йокогамі (Японія) показаний рис. 3.

Цей суперкомп'ютер містить такі основні компоненти:

-  640 процесорних вузлів (PN -- Processor Node), кожний з яких містить 8 суперскалярних процесорів NEC, частота яких 500 МГц. Процесор містить векторний блок з 72 векторних регістрів (кожний з регістрів має 256 векторних елементів) і використовується для виконання конвеєрних операцій для чисел із плаваючою комою;

-  систему дискової пам'яті загальною ємністю 250 000 Гбайт (250 Тбайт) (до кожного процесорного вузла підключено 16 Гбайт розподіленої дискової пам'яті);

-  64 вузли мережі зв'язку (IN -- Interconnection Node) між процесорами зі швидкістю обміну 12,3 Гбайт/с;

-  архівну бібліотеку стрічкових картриджів (CTL -- Cartridge Type Library) загальною ємністю 1,5 Пбайт (1 500 Тбайт).

Швидкість оброблення даних під час тестування протягом 6 год - 35,6 10¹² операцій/с.

Суперкомп'ютер ES використовують для моделювання глобальних і регіональних процесів в атмосфері, океанах та земній корі (зокрема, для моделювання землетрусів).

ВИСНОВОК

До основних напрямків підвищення продуктивності МП та МПС можна віднести наступне:

1. Вдосконалення існуючих архітектур МП та МПС, сучасної елементної бази обчислювальної техніки.

2. Розробка принципово нових архітектур МП та МПС, що базуються на нетрадиційних методах організації обчислень та використанні нової елементної бази.

Основними напрямками підвищення продуктивності сучасних обчислювальних систем є конвеєризації та розпаралелюванні обчислень – як на рівні МП, та к і на рівні МПС.

Крім конвеєризації та розпаралелювання обчислень, у сучасних МП та МПС застосовується ще велика кількість архітектурних (та технологічних) рішень, що сприяють підвищенню їх швидкодії:

1. Поступовий перехід від паралельних системних та зовнішніх інтерфейсів до послідовних.

2. Застосування RISK- ядра у універсальних МП.

3. Інтеграція більшості контролерів периферійних та комунікаційних пристроїв безпосередньо у складі системних плат ПК.

4. Збільшення розрядності МП.

5. Широке застосування багаторівневої кеш-пам’яті.

В дійсний час існують дві основні структури побудови великих багатопроцесорних систем високої продуктивності: матрична структура і структура з конвеєрним обробленням команд.