27.Конвеєризація

Архитектура суперкомпьютеров основана на идеях параллелизма и конвейеризации вычислений.

В этих машинах параллельно, то есть одновременно, выполняется множество похожих операций (это называется мультипроцессорной обработкой). Таким образом, сверхвысокое быстродействие обеспечивается не для всех задач, а только для задач, поддающихся распараллеливанию.

Что такое конвейеpная обработка? Приведем сравнение — на каждом рабочем месте конвейера выполняется один шаг производственного процесса, а на всех рабочих местах в одно и то же время обрабатываются различные изделия на всевозможных стадиях. По такому принципу устроено арифметико-логическое устройство суперкомпьютера. Отличительной особенностью суперкомпьютеров являются векторные процессоры, оснащенные аппаратурой для параллельного выполнения операций с многомерными цифровыми объектами — векторами и матрицами. В них встроены векторные регистры и параллельный конвейерный механизм обработки. Если на обычном процессоре программист выполняет операции над каждым компонентом вектора по очереди, то на векторном — выдаёт сразу векторные команды. Векторная аппаратура очень дорога, в частности, потому, что требуется много сверхбыстродействующей памяти под векторные регистры.

Наряду с векторно-конвейерной системой обработки данных существует и скалярная система, основанная на выполнении обычных арифметических операций над отдельными числами или парами чисел. Строго говоря, системы, использующие скалярную обработку данных, по своей производительности уступают суперЭВМ, но у них наблюдаются тенденции, характерные для высокопроизводительных вычислительных систем: необходимость распараллеливания больших задач между процессорами.

28.Класифікація Фліна

За основні ознаки класифікації обчислювальних систем для високопродуктивних обчислень за Фліном обирають тип потоку команд і тип потоку даних. У відповідності до цих ознак розрізняють чотири класи багатомашинних та багатопроцесорних обчислювальних структур:

1. одиночний потік команд – одиночний потік даних (SISD) (рис.1)

2. множинний потік команд – одиночний потік даних (MISD) (рис.2)

3. Одиночний потік команд – множинний потік даних (SIMD) (рис.3)

4. множинний потік команд – множинний потік даних (MIMD) (рис.4)

29. Розширена класифікація Фліна

Одну з перших практично значимих класифікацій паралельних комп'ютерних систем подав у 1966 році співробітник фірми ІВМ Майкл Флін, який зараз є професором Стенфордського університету (США). Його класифікація базується на оцінці потоку інформації, яка поділена иа потік даних між основною пам'яттю та процесором, та потік команд, які виконує процесор. При цьому потік даних та команд може бути як одиничним, так і множинним. Згідно з М. Фліном, усі комп'ютерні системи поділяють так:

• ОКОД - комп'ютерні системи з одиничним потоком команд та одиничним потоком даних (SISD - Single Instruction Single Data stream).

• МКОД - комп'ютерні системи з множинним потоком команд та одиничним потоком даних (MISD - Multiply Instruction Single Data stream).

• ОКМД - комп'ютерні системи з одиничним потоком команд та множинним потоком даних (SIMD - Single Instruction Multiply Data stream).

• МКМД - комп'ютерні системи з множинним потоком команд та множинним потоком даних (МIMD - Multiply Instruction Multiply Data stream).

Розглянемо запропоновану М. Фліном класифікацію детальніше.

До класу комп'ютерних систем з одиничним потоком команд та одиничним потоком даних належить, зокрема, комп'ютер з архітектурою Джона фон Неймана, яким, наприклад, є розповсюджений персональний комп'ютер..

. Комерційні універсальні комп'ютерні системи цього типу в наш час невідомі, проте вони можуть з'явитися у майбутньому. До цього типу систем з деякими умовностями можна віднести спеціалізовані потокові процесори, зoкрема систолічні, які використовують, наприклад, при обробці зображень.

В комп'ютерній системі з одиничним потоком команд та множинним потоком даних одночасно обробляється велика кількість даних. До цього класу, зокрема, належать раніше розглянуті векторні процесори. До комп'ютерних систем з одиничним потоком команд та множинним потоком даних можна віднести також апаратну підсистему процесорів Реntіum, яка реалізовує технологію ММХ опрацювання даних для графічної операційної системи Windows.

Характерним прикладом комп'ютерної системи з одиничним потоком команд та множинним потоком даних може служити система, яка складається з двох частин: зовнішнього комп'ютера з архітектурою Джона фон Неймана, який виконує роль пристрою керування, і масиву ідентичних синхронізованих елементарних процесорів, здатних одночасно виконувати ту ж саму дію над різними даними. Кожен процесор у масиві Має місцеву пам'ять невеликої ємності, де зберігаються дані, які обробляються паралельно.

З масивом процесорів з'єднано шину пам'яті зовнішнього комп'ютера таким чином, що він може довільно звернутися до кожного процесора масиву. Програма може виконуватися традиційно послідовно на зовнішньому кохмп'ютері, а її частина може паралельно виконуватися на масиві процесорів. У комп'ютерній системі з множинним потоком команд та множинним потоком даних кожен процесор оперує із своїм потоком команд та своїм потоком даних

Як правило, окремі процесори багатопроцесорної системи є серійними пристроями, що дозволяє значно зменшити вартість проекту. У класі МКМД треба відрізняти сильно зв'язані системи, власне багатопроцесорні системи, від мереж комп'ютерів, тобто слабо зв'язаних систем; тобто багатопроцесорні системи та комп'ютерні мережі потрапляють до різних підкласів класу МІМD. В 1978 році Д. Куком було запропоновано розширення класифікації Фліна. У своїй класифікації Д. Кук розділив потоки команд та даних на скалярні та векторні потоки. Комбінація цих потоків приводить в підсумку до 16 типів архітектури паралельних комп'ютерних систем.