Kiến trúc máy tính song song - Giới thiệu

Trong 50 năm qua, đã có những bước phát triển to lớn về hiệu suất và khả năng của một hệ thống máy tính. Điều này có thể thực hiện được với sự trợ giúp của công nghệ Tích hợp Quy mô Rất lớn (VLSI). Công nghệ VLSI cho phép một số lượng lớn các thành phần được chứa trên một con chip duy nhất và tốc độ xung nhịp tăng lên. Do đó, có thể thực hiện song song nhiều thao tác cùng một lúc.

Xử lý song song cũng được liên kết với dữ liệu cục bộ và truyền thông dữ liệu. Parallel Computer Architecture là phương pháp tổ chức tất cả các nguồn lực để tối đa hóa hiệu suất và khả năng lập trình trong giới hạn được đưa ra bởi công nghệ và chi phí tại bất kỳ thời điểm nào.

Tại sao Kiến trúc song song?

Kiến trúc máy tính song song bổ sung một khía cạnh mới trong sự phát triển của hệ thống máy tính bằng cách sử dụng ngày càng nhiều bộ vi xử lý. Về nguyên tắc, hiệu suất đạt được khi sử dụng số lượng lớn bộ xử lý cao hơn hiệu suất của một bộ xử lý đơn lẻ tại một thời điểm nhất định.

Xu hướng ứng dụng

Với sự tiến bộ của năng lực phần cứng, nhu cầu về một ứng dụng hoạt động tốt cũng tăng lên, do đó đặt ra yêu cầu đối với sự phát triển của kiến trúc máy tính.

Trước kỷ nguyên vi xử lý, hệ thống máy tính hiệu suất cao có được nhờ công nghệ mạch điện và tổ chức máy kỳ lạ, khiến chúng trở nên đắt đỏ. Giờ đây, hệ thống máy tính có hiệu suất cao có được bằng cách sử dụng nhiều bộ xử lý, và hầu hết các ứng dụng quan trọng và đòi hỏi cao được viết dưới dạng chương trình song song. Do đó, để có hiệu suất cao hơn, cả kiến trúc song song và ứng dụng song song đều cần được phát triển.

Để tăng hiệu suất của một ứng dụng, Tốc độ là yếu tố chính cần được xem xét. Speedup trên bộ vi xử lý p được định nghĩa là -

$$ Speedup (p \ processors) \ equiv \ frac {Performance (p \ processors)} {Performance (1 \ processor)} $$

Đối với một vấn đề đã được khắc phục,

$$ performance \ of \ a \ computer \ system = \ frac {1} {Thời gian \ cần \ để \ hoàn thành \ the \ problem} $$ $$ Tăng tốc \ _ {fixed \ problem} (p \ processors) = \ frac {Time (1 \ processor)} {Time (p \ processor)} $$

Máy tính Khoa học và Kỹ thuật

Kiến trúc song song đã trở nên không thể thiếu trong tính toán khoa học (như vật lý, hóa học, sinh học, thiên văn học, v.v.) và các ứng dụng kỹ thuật (như mô hình hồ chứa, phân tích luồng không khí, hiệu suất đốt cháy, v.v.). Trong hầu hết các ứng dụng, nhu cầu trực quan hóa đầu ra tính toán rất lớn, dẫn đến nhu cầu phát triển tính toán song song để tăng tốc độ tính toán.

Máy tính thương mại

Trong máy tính thương mại (như video, đồ họa, cơ sở dữ liệu, OLTP, v.v.) cũng cần máy tính tốc độ cao để xử lý lượng dữ liệu khổng lồ trong một thời gian nhất định. Máy tính để bàn sử dụng các chương trình đa luồng gần giống như các chương trình song song. Điều này lại đòi hỏi phải phát triển kiến trúc song song.

Xu hướng công nghệ

Với sự phát triển của công nghệ và kiến trúc, nhu cầu phát triển của các ứng dụng hiệu suất cao là rất lớn. Các thí nghiệm cho thấy các máy tính song song có thể hoạt động nhanh hơn nhiều so với bộ xử lý đơn được phát triển tối đa. Hơn nữa, máy tính song song có thể được phát triển trong giới hạn của công nghệ và chi phí.

Công nghệ chính được sử dụng ở đây là công nghệ VLSI. Do đó, ngày nay ngày càng có nhiều bóng bán dẫn, cổng và mạch có thể được lắp trong cùng một khu vực. Với việc giảm kích thước tính năng VLSI cơ bản, tốc độ xung nhịp cũng cải thiện tương ứng với nó, trong khi số lượng bóng bán dẫn tăng lên theo hình vuông. Việc sử dụng nhiều bóng bán dẫn cùng một lúc (song song) có thể được mong đợi sẽ hoạt động tốt hơn nhiều so với việc tăng tốc độ xung nhịp

Xu hướng công nghệ cho thấy khối xây dựng chip đơn cơ bản sẽ cho công suất ngày càng lớn. Do đó, khả năng đặt nhiều bộ xử lý trên một con chip sẽ tăng lên.

Xu hướng kiến trúc

Sự phát triển trong công nghệ quyết định điều gì là khả thi; kiến trúc chuyển đổi tiềm năng của công nghệ thành hiệu suất và khả năng.Parallelism và localitylà hai phương pháp mà khối lượng tài nguyên lớn hơn và nhiều bóng bán dẫn hơn sẽ nâng cao hiệu suất. Tuy nhiên, hai phương pháp này cạnh tranh vì các nguồn lực giống nhau. Khi nhiều hoạt động được thực hiện song song, số chu kỳ cần thiết để thực hiện chương trình sẽ giảm xuống.

Tuy nhiên, cần có các nguồn lực để hỗ trợ từng hoạt động đồng thời. Tài nguyên cũng cần thiết để phân bổ lưu trữ cục bộ. Hiệu suất tốt nhất đạt được nhờ một kế hoạch hành động trung gian sử dụng các nguồn lực để tận dụng mức độ song song và mức độ địa phương.

Nói chung, lịch sử của kiến trúc máy tính đã được chia thành bốn thế hệ với các công nghệ cơ bản sau:

Ống chân không
Transistors
Mạch tích hợp
VLSI

Cho đến năm 1985, thời lượng bị chi phối bởi sự phát triển song song mức bit. Bộ vi xử lý 4-bit, tiếp theo là 8-bit, 16-bit, v.v. Để giảm số chu kỳ cần thiết để thực hiện toàn bộ hoạt động 32 bit, độ rộng của đường dẫn dữ liệu đã được tăng gấp đôi. Sau đó, các hoạt động 64-bit đã được giới thiệu.

Sự phát triển trong instruction-level-parallelismthống trị giữa những năm 80 đến giữa những năm 90. Cách tiếp cận RISC cho thấy rằng việc sắp xếp các bước xử lý lệnh rất đơn giản để trung bình một lệnh được thực thi trong hầu hết mọi chu kỳ. Sự phát triển trong công nghệ trình biên dịch đã làm cho các đường dẫn hướng dẫn hoạt động hiệu quả hơn.

Vào giữa những năm 80, máy tính dựa trên bộ vi xử lý bao gồm

Một đơn vị xử lý số nguyên
Một đơn vị dấu phẩy động
Bộ điều khiển bộ nhớ cache
SRAM cho dữ liệu bộ nhớ cache
Thẻ lưu trữ

Khi dung lượng chip tăng lên, tất cả các thành phần này được hợp nhất thành một chip duy nhất. Do đó, một chip bao gồm các phần cứng riêng biệt cho phép toán số học số nguyên, phép toán dấu phẩy động, phép toán bộ nhớ và phép toán nhánh. Khác với các hướng dẫn riêng lẻ, nó tìm nạp nhiều lệnh cùng một lúc và gửi chúng song song đến các đơn vị chức năng khác nhau bất cứ khi nào có thể. Loại song song mức hướng dẫn này được gọi làsuperscalar execution.