Методические указания по микропроцессорным системам
Информация - Компьютеры, программирование
Другие материалы по предмету Компьютеры, программирование
ые сети. Для параллельной обработки информации предложены три варианта построения высокопоточных сетей: сеть бабочка; сеть с перекрестным обменом и гиперкуб.
Рис. 5.5. Виды топологии параллельных ММПС
Сеть бабочка, разработанная в конце 60-х годов Рабинером и Гоулдом, повышает скорость вычислений при реализации БПФ, которое требует выполнения 4N2 умножений и 4N2 сложений комплексных чисел (на этой сети необходимо повторить алгоритм N/2log2 N раз).
Сеть перекрестного обмена предложена в конце 60-х годов Пизом и Стоуном и представляет собой альтернативный вариант топологии связной сети по отношению к варианту бабочка для выполнения БПФ, которое реализуется за log2 N шагов.
Гиперкуб или бинарный N-куб представляет собой теоретическую концепцию, обосновывающую возможность наращивания структуры за пределами трех измерений (см. рис. 5.6).
Рис. 5.6. Топология ММПС “гиперкуб”
N-размерный куб содержит 2N узлов (узловых процессоров). Концепция гиперкуба удобна для описания универсальных матричных ЭВМ, так как многие другие сетевые топологии могут быть отображены на гиперкуб путем отбрасывания некоторых связей.
Сетки (решетки) представляют собой одномерные, двумерные матрицы или матрицы большей размерности. На их основе реализуются систолические или волновые матрицы, в которых каждая ячейка соединена со своими ближайшими соседями во всех измерениях.
Цилиндры и тороиды являются разновидностью решеток, в которых число используемых измерений и топология поверхности выбираются таким образом, чтобы они соответствовали реализуемому прикладному алгоритму.
5.2. Основные перспективные проекты высокопроизводительных ММПС
Высокопроизводительные ММПС (или суперЭВМ) были ориентированы, главным образом, на выполнение больших объемов вычислений с плавающей запятой. Для достижения высокой производительности, существенной для данной области приложений, в суперЭВМ использовалась комбинация быстрых схем и усовершенствования в методах организации архитектуры. Эти усовершенствования вывели производительность машины за те пределы, которые можно было обеспечить только за счет быстродействия схем.
ЭВМ IBM 7030, известная под названием STRETCH, была в 100 раз быстрее, чем более старая IBM 704. Для достижения столь смелой цели был введен ряд архитектурных усовершенствований. Отдельное устройство обработки команд позволяло одновременно обрабатывать до шести команд. Чтобы сгладить различие между длительностью такта ЦП и относительно большим временем доступа к основной памяти, было использовано несколько методов, включая опережающую выборку данных и метод закорачивания для предотвращения множественного доступа к одной и той же ячейке памяти.
В ЭВМ CDC 6660 используется много функциональных устройств и схема резервирования, названная счетной платой. Эта плата поддерживает динамическую информацию о регистрах, функциональных устройствах и шинах. Способность выполнения команд в порядке, отличном от порядка, предписанного программой, ведет к параллельной обработке независимых команд и увеличивает степень параллелизма при работе машины.
В ЭВМ IBM 360/91 реализована двухуровневая иерархия конвейеров. Центральный процессор подразделяется на три устройства, которые могут работать параллельно. Они образуют конвейеризацию первого уровня. Два устройства устройство выдачи команд и устройство вычислений с плавающей точкой сами являются конвейерными. Третье устройство предназначено для вычислений с фиксированной запятой и имеет только одну ступень. Система тегов и аппаратные средства для их сравнения (или общая шина данных) позволяют выдать некоторую команду, даже если ее регистр результата является регистром результата частично выполненной команды.
Одна из первых высокопроизводительных ММПС, созданная фирмой CRAY RESEARCH, скалярно-векторная супер-ЭВМ CRAY-1 имеет регистровую архитектуру (Р-архитектуру). В такой архитектуре функциональные устройства получают операнды только из регистров.
Другими примерами регистровой архитектуры являются архитектуры супер-ЭВМ СDС-6000 а также CRAY X-MP, CRAY-2 и скалярное устройство ЭВМ CDC CYBER205.
Максимальная производительность, например, супер-ЭВМ CRAY X-MP составляет 100 Мфлопс, а суммарная - 28-41 Мфлопс, так как от 70% до 85% общего времени вычислений затрачивается на вычисление скалярных величин.
В качестве иллюстрации применения приведенных в подразделе 5.1 архитектур современных ММПС рассмотрим наиболее перспективные разработки основных классов высокопроизводительных ММПС: скалярную векторную, матричную и ММПС типа гиперкуб.
Архитектура скалярной суперЭВМ относится к типу SISD архитектур, подобна скалярной архитектуре суперЭВМ CRAY-1 и приведена на рис. 5.7.
В данной архитектуре предусмотрено три функциональных устройства (устройства сложения и умножения с плавающей запятой и устройство целочисленного сложения), а также два набора регистров (S и А). Такая архитектура позволяет достичь высокой производительности за счет того, что здесь максимальная скорость выдачи команд одна команда в такт.
Рис. 5.7. Структура скалярной суперЭВМ
Набор регистров А используется, главным образом, для хранения адресов и для адресных вычислений (например, для вычисления индексов), а набор регистров S для хранения данных и результатов при выполнении соответствующих команд.
Однородная векторная суперЭВМ серии Т