Arhitecturi de Calculatoare Paralele Actuale

Introducere

Procesorul este una dintre cele mai importante componente a unui calculator, fiind cel care stabileşte cine, ce şi când să facă. Deoarece se pot obţine performanţe destul de bune şi cu un procesor care nu este vârf de gamă, ne poate da falsa impresie că el nu are un rol foarte important. De exemplu, un împătimit al jocurilor va pune un accent mai mare pe placa video decât pe procesor. Totul depinde de destinaţia calculatorului, acest lucru însemnând că nu avem mereu nevoie de cel mai performant procesor. Vom întâlni des denumirea de CPU în cazul procesorului (Central Processing Unit), sau UCP, aceasta fiind traducerea în limba română (Unitate Centrală de Prelucrare).

Parallel Computing

Calcul paralel este numită execuția în paralel pe mai multe procesoare a acelorași instrucțiuni, sau și a unor instrucțiuni diferite, cu scopul rezolvării mai rapide a unei probleme, de obicei special adaptată sau subdivizată. Ideea de bază este aceea că problemele de rezolvat pot fi uneori împărțite în mai multe probleme mai simple, de natură similară sau identică între ele, care pot fi rezolvate simultan. Rezultatul problemei inițiale se află apoi cu ajutorul unei anumite coordonări a rezultatelor parțiale.

Există mai multe forme de calcul paralel: bit-level, nivelul de instruire, date și paralelismul în executarea sarcinilor. Paralelismul a fost dezvoltat de mai mulți ani, în special în cadrul calculelor de înaltă performanță, dar interesul a crescut în ultimul timp din cauza constrângerilor fizice cu privire la prevenirea scalării frecvenței. Deoarece consumul de energie (și prin urmare, generarea de căldură) de către calculatoare a devenit o preocupare în ultimii ani, calcul paralel a devenit paradigma dominantă în arhitectura calculatoarelor, în principal sub formă de procesoare multicore.

Clasificarea sistemelor de calcul pararel

Un sistem de calcul paralel este un computer (calculator) cu mai multe procesoare care lucrează în paralel. Primele astfel de sisteme au fost cele de tip supercomputer, care încă și azi cunosc o dezvoltare intensă. Noile procesoare de tip multimiez pentru PC-uri sunt de asemenea sisteme de calcul paralel.

Există multe tipuri de sisteme de calcul paralel; ele se deosebesc în primul rând prin tipul de interconectare:

• între procesoarele componente (cunoscute drept elemente de procesare, în engleză: processing elements sau PEs), și

• între procesoare și memorie.

Taxonomia lui Flynn clasifică sistemele de calcul paralel și scalar după caracteristicile instrucțiunilor și datelor, așa de exemplu:

• Single Instruction Multiple Data prescurtat SIMD (o singură instrucțiune / date multiple): dacă toate procesoarele execută în toate momentele aceeași instrucțiune, dar având ca obiect date diferite;

• Multiple Instruction Multiple Data prescurtat MIMD (mai multe instrucțiuni / date multiple): dacă fiecare procesor execută la același moment instrucțiuni diferite, cu date diferite.

O altă clasificare a sistemelor de calcul paralel este bazată pe arhitectura memoriei:

• Sistemele de calcul paralel cu memorie partajată: dispun de procesoare multiple care toate pot accesa toată memoria disponibilă ca un spațiu de adrese global (pentru toate procesoarele). Acestea pot fi subîmpărțite în două mari clase, în funcție de timpul de acces la memorie:

- Acces uniform al memoriei (Uniform memory access, UMA), în care timpii de acces la toate părțile memoriei sunt egali. Această arhitectură se utilizează în sisteme multiprocesor tradiţionale care folosesc o reţea de comunicaţie indirectă, de obicei o magistrală. În sistemele UMA, modalitatea de conectare și timpul de acces la memoria globală partajată sunt aceleași pentru toate procesoarele.

Arhitectura UMA

- Acces neuniform al memoriei (Non-uniform memory access,NUMA), în care timpii de acces la memorie nu sunt egali. În cadrul acestei arhitecturi, mai multe procesoare cu acces uniform la o memorie partajată sunt conectate într-un cluster, mai multe clustere fiind conectate printr-o reţea punct la punct scalabilă, ce foloseşte pentru comunicare transmiterea de mesaje.