Вопрос 2. Архитектура фон неймана: принципы, проблемы и способы их решения

Архитектурные принципы фон Нейманом формулировались применительно к созданию автоматического устройства для решения дифференциальных уравнений.

Основные характеристики архитектуры фон Неймановского типа следующие: последовательно адресуемая единственная память линейного типа для хранения программ и данных; команды и данные различаются через идентификатор неявным способом лишь при выполнении операций. Принимаемые по умолчанию соглашения типа: операнды операции умножения это данные, а объект, на который указывает команда перехода - это команда, позволяют обращаться с командой как с данными, например, для ее модификации; назначение данных определяется лишь логикой программы, так как в памяти машины набор бит может представлять собой как десятичное число с фиксированной точкой, так и строку символов,

Указанные свойства были исключительно важными для своего времени. Однако появление языков высокого уровня (ЯВУ), новых методов решения, логических способов ускорения операций, более совершенной элементной базы требует наряду с имеющимися возможностями архитектуры и принципиально новых. Среди них требования ЯВУ имеют следующие особенности:

« память состоит из набора дискретных именуемых переменных. Таким образом, принцип единственной последовательной памяти имеет мало общею с организацией памяти в ЯВУ:

• ЯВУ наряду с линейными данными оперируют и с многомерными: массивами, структурами, списками:

• в ЯВУ четко разграничены операции и данные;

• данные определяют и операции над ними.

Архитектура фон Неймана плохо ориентирована на выполнение программ на ЯВУ. Действительно,

• объем кодов, генерируемых компилятором, из-за несоответствия требуемой ЯВУ и предлагаемой архитектурой организации памяти значительно превосходит необходимый объем для решения запрограммированной задачи;

• примитивность выполняемых операций в объектном коде требует сложной работы компилятора.

7. Графический процессор

Графический процессор (англ. graphics processing unit, GPU) — отдельное устройство персонального компьютера или игровой приставки, выполняющее графический рендеринг. Современные графические процессоры очень эффективно обрабатывают и отображают компьютерную графику, благодаря специализированной конвейерной архитектуре они намного эффективнее в обработке графической информации, чем типичный центральный процессор.

Графический процессор в современных видеоадаптерах применяется в качестве ускорителя трёхмерной графики, однако его можно использовать в некоторых случаях и для вычислений (GPGPU). Отличительными особенностями по сравнению с ЦП являются: архитектура, максимально нацеленная на увеличение скорости расчёта текстур и сложных графических объектов; ограниченный набор команд.

Примером может служить чип HD6990 от AMD или GTX590 от nVidia.

Высокая вычислительная мощность GPU объясняется особенностями архитектуры. Если современные CPU содержат несколько ядер (на большинстве современных систем от 2 до 4х, 2011 г.), графический процессор изначально создавался как многоядерная структура, в которой количество ядер измеряется сотнями. Разница в архитектуре обусловливает и разницу в принципах работы. Если архитектура CPU предполагает последовательную обработку информации, то GPU исторически предназначался для обработки компьютерной графики, поэтому рассчитан на массивно параллельные вычисления.^[1]

Каждая из этих двух архитектур имеет свои достоинства. CPU лучше работает с последовательными задачами. При большом объеме обрабатываемой информации очевидное преимущество имеет GPU. Условие только одно – в задаче должен наблюдаться параллелизм.