समानांतर कंप्यूटर वास्तुकला - परिचय

पिछले 50 वर्षों में, कंप्यूटर प्रणाली के प्रदर्शन और क्षमता में भारी विकास हुआ है। यह वेरी लार्ज स्केल इंटीग्रेशन (वीएलएसआई) तकनीक की मदद से संभव हुआ है। वीएलएसआई तकनीक बड़ी संख्या में घटकों को एक चिप और घड़ी की दरों को बढ़ाने की अनुमति देती है। इसलिए, समानांतर में, एक बार में अधिक संचालन किया जा सकता है।

समानांतर प्रसंस्करण डेटा स्थानीयता और डेटा संचार के साथ भी जुड़ा हुआ है। Parallel Computer Architecture सभी संसाधनों को व्यवस्थित करने की विधि है जो प्रौद्योगिकी द्वारा दी गई सीमाओं और लागत के किसी भी समय पर प्रदर्शन और अधिकतम क्षमता को अधिकतम करने के लिए है।

समानांतर वास्तुकला क्यों?

समानांतर कंप्यूटर आर्किटेक्चर अधिक से अधिक संख्या में प्रोसेसर का उपयोग करके कंप्यूटर सिस्टम के विकास में एक नया आयाम जोड़ता है। सिद्धांत रूप में, बड़ी संख्या में प्रोसेसर का उपयोग करके प्राप्त किया गया प्रदर्शन किसी दिए गए बिंदु पर एकल प्रोसेसर के प्रदर्शन से अधिक होता है।

आवेदन के रुझान

हार्डवेयर क्षमता की प्रगति के साथ, एक अच्छा प्रदर्शन करने वाले अनुप्रयोग की मांग भी बढ़ गई, जिसने बदले में कंप्यूटर वास्तुकला के विकास पर एक मांग रखी।

माइक्रोप्रोसेसर युग से पहले, उच्च प्रदर्शन वाली कंप्यूटर प्रणाली विदेशी सर्किट प्रौद्योगिकी और मशीन संगठन द्वारा प्राप्त की गई थी, जिसने उन्हें महंगा बना दिया था। अब, कई प्रोसेसर का उपयोग करके अत्यधिक प्रदर्शन करने वाली कंप्यूटर प्रणाली प्राप्त की जाती है, और सबसे महत्वपूर्ण और मांग वाले अनुप्रयोगों को समानांतर कार्यक्रमों के रूप में लिखा जाता है। इस प्रकार, उच्च प्रदर्शन के लिए समानांतर आर्किटेक्चर और समानांतर अनुप्रयोगों दोनों को विकसित करने की आवश्यकता है।

एक अनुप्रयोग के प्रदर्शन को बढ़ाने के लिए स्पीडअप को माना जाने वाला प्रमुख कारक है। Speedup पी प्रोसेसर पर के रूप में परिभाषित किया गया है -

$ $ स्पीडअप (p \ प्रोसेसर्स) \ equiv \ frac {प्रदर्शन (पी \ प्रोसेसर)} {प्रदर्शन (1 \ प्रोसेसर)} =$

एकल समस्या के लिए,

$ a का प्रदर्शन \ a \ कंप्यूटर \ सिस्टम = \ frac {1} {समय \ _ \ _ \ _ को \ _ \ _ \ _ \ _ की पूरी समस्या = $ $ $ $ स्पीडअप \ _ {निश्चित \ समस्या} (पी \ प्रोसेसर) = \ frac {समय (1 \ प्रोसेसर)} {समय (पी \ प्रोसेसर)} $ $

वैज्ञानिक और इंजीनियरिंग कम्प्यूटिंग

समानांतर कंप्यूटिंग वैज्ञानिक कंप्यूटिंग (जैसे भौतिकी, रसायन विज्ञान, जीव विज्ञान, खगोल विज्ञान, आदि) और इंजीनियरिंग अनुप्रयोगों (जैसे जलाशय मॉडलिंग, एयरफ्लो विश्लेषण, दहन दक्षता, आदि) में अपरिहार्य हो गई है। लगभग सभी अनुप्रयोगों में, कम्प्यूटेशनल आउटपुट के विज़ुअलाइज़ेशन की भारी मांग है जिसके परिणामस्वरूप कम्प्यूटेशनल गति को बढ़ाने के लिए समानांतर कंप्यूटिंग के विकास की मांग की जाती है।

वाणिज्यिक कम्प्यूटिंग

वाणिज्यिक कंप्यूटिंग (जैसे वीडियो, ग्राफिक्स, डेटाबेस, ओएलटीपी, आदि) में भी एक निर्धारित समय के भीतर बड़ी मात्रा में डेटा को संसाधित करने के लिए उच्च गति वाले कंप्यूटरों की आवश्यकता होती है। डेस्कटॉप मल्टीथ्रेडेड प्रोग्राम का उपयोग करता है जो लगभग समानांतर प्रोग्राम की तरह हैं। यह बदले में समानांतर वास्तुकला विकसित करने की मांग करता है।

प्रौद्योगिकी रुझान

प्रौद्योगिकी और वास्तुकला के विकास के साथ, उच्च प्रदर्शन वाले अनुप्रयोगों के विकास के लिए एक मजबूत मांग है। प्रयोगों से पता चलता है कि समानांतर कंप्यूटर अत्यधिक विकसित एकल प्रोसेसर की तुलना में बहुत तेजी से काम कर सकते हैं। इसके अलावा, समानांतर कंप्यूटर को प्रौद्योगिकी और लागत की सीमा के भीतर विकसित किया जा सकता है।

यहां इस्तेमाल की जाने वाली प्राथमिक तकनीक वीएलएसआई तकनीक है। इसलिए, आजकल अधिक से अधिक ट्रांजिस्टर, गेट और सर्किट एक ही क्षेत्र में फिट किए जा सकते हैं। मूल वीएलएसआई सुविधा आकार में कमी के साथ, घड़ी की दर भी इसके अनुपात में सुधार करती है, जबकि ट्रांजिस्टर की संख्या वर्ग के रूप में बढ़ती है। एक साथ कई ट्रांजिस्टर का उपयोग (समानांतरवाद) घड़ी की दर को बढ़ाकर बेहतर प्रदर्शन करने की उम्मीद कर सकता है

प्रौद्योगिकी के रुझान बताते हैं कि बुनियादी सिंगल चिप बिल्डिंग ब्लॉक तेजी से बड़ी क्षमता देगा। इसलिए, एकल चिप पर कई प्रोसेसर रखने की संभावना बढ़ जाती है।

वास्तुकला के रुझान

प्रौद्योगिकी में विकास तय करता है कि क्या संभव है; वास्तुकला प्रौद्योगिकी की क्षमता को प्रदर्शन और क्षमता में परिवर्तित करता है।Parallelism तथा localityदो तरीके हैं जहां संसाधनों का अधिक मात्रा और अधिक ट्रांजिस्टर प्रदर्शन को बढ़ाते हैं। हालाँकि, ये दोनों विधियाँ समान संसाधनों के लिए प्रतिस्पर्धा करती हैं। जब समानांतर में कई ऑपरेशन निष्पादित किए जाते हैं, तो प्रोग्राम को निष्पादित करने के लिए आवश्यक चक्रों की संख्या कम हो जाती है।

हालांकि, समवर्ती गतिविधियों में से प्रत्येक का समर्थन करने के लिए संसाधनों की आवश्यकता होती है। स्थानीय भंडारण को आवंटित करने के लिए संसाधनों की भी आवश्यकता होती है। सबसे अच्छा प्रदर्शन एक मध्यवर्ती कार्रवाई योजना द्वारा प्राप्त किया जाता है जो संसाधनों का उपयोग समानता और स्थानीयता की डिग्री का उपयोग करने के लिए करता है।

आम तौर पर, कंप्यूटर आर्किटेक्चर के इतिहास को चार पीढ़ियों में विभाजित किया गया है, जिसमें बुनियादी प्रौद्योगिकियां होती हैं -

• वैक्यूम ट्यूब
• Transistors
• एकीकृत सर्किट
• VLSI

1985 तक, बिट-लेवल समानता में वृद्धि की अवधि हावी थी। 4-बिट माइक्रोप्रोसेसरों के बाद 8-बिट, 16-बिट, और इसी तरह। पूर्ण 32-बिट ऑपरेशन करने के लिए आवश्यक चक्रों की संख्या को कम करने के लिए, डेटा पथ की चौड़ाई दोगुनी हो गई थी। बाद में, 64-बिट ऑपरेशन शुरू किए गए थे।

में वृद्धि instruction-level-parallelism80 के दशक के मध्य से 90 के दशक के मध्य तक हावी रही। RISC दृष्टिकोण से पता चला कि अनुदेश प्रसंस्करण के चरणों को पाइप करना सरल था ताकि औसतन एक अनुदेश लगभग हर चक्र में निष्पादित हो। संकलक प्रौद्योगिकी के विकास ने अनुदेश पाइपलाइनों को अधिक उत्पादक बना दिया है।

80 के दशक के मध्य में, माइक्रोप्रोसेसर आधारित कंप्यूटर शामिल थे

• एक पूर्णांक प्रसंस्करण इकाई
• एक फ्लोटिंग-पॉइंट यूनिट
• एक कैश कंट्रोलर
• कैश डेटा के लिए SRAMs
• टैग भंडारण

जैसे ही चिप की क्षमता बढ़ी, इन सभी घटकों को एक चिप में मिला दिया गया। इस प्रकार, एक एकल चिप में पूर्णांक अंकगणितीय, फ्लोटिंग पॉइंट संचालन, मेमोरी संचालन और शाखा संचालन के लिए अलग-अलग हार्डवेयर शामिल थे। व्यक्तिगत निर्देशों को पाइपलाइन करने के अलावा, यह एक बार में कई निर्देशों को प्राप्त करता है और जब भी संभव हो विभिन्न कार्यात्मक इकाइयों के समानांतर उन्हें भेजता है। इस प्रकार के निर्देश स्तर समानता को कहा जाता हैsuperscalar execution।