🗊Презентация Параллельные векторные процессоры (PVP) и векторно-конвейерные суперкомпьютеры

Параллельные векторные процессоры (PVP) и векторно-конвейерные суперкомпьютеры

Область применения векторно-конвейерных ВС Векторно-конвейерные ВС применяются при решении задач моделирования реальных процессов и объектов, для которых характерна обработка больших регулярных массивов чисел в форме с плавающей запятой. Такие массивы представляются матрицами и векторами, а алгоритмы их обработки описываются в терминах матричных операций. Для обработки массивов требуются вычислительные средства, позволяющие с помощью единой команды производить действие сразу над всеми элементами массивов - средства векторной обработки.

Понятие вектора и размещение данных в памяти Под вектором понимается одномерный массив однотипных данных (обычно в форме с плавающей запятой), регулярным образом размещенных в памяти ВС. Если обработке подвергаются многомерные массивы, их также рассматривают как векторы. Пусть имеется массив данных A, представляющий собой прямоугольную матрицу размерности 4x5.

При размещении матрицы в памяти все ее элементы заносятся в ячейки с последовательными адресами, причем данные могут быть записаны строка за строкой или столбец за столбцом. С учетом такого размещения многомерных массивов в памяти вполне допустимо рассматривать их как векторы и ориентировать соответствующие вычислительные средства на обработку одномерных массивов данных (векторов). При размещении матрицы в памяти все ее элементы заносятся в ячейки с последовательными адресами, причем данные могут быть записаны строка за строкой или столбец за столбцом. С учетом такого размещения многомерных массивов в памяти вполне допустимо рассматривать их как векторы и ориентировать соответствующие вычислительные средства на обработку одномерных массивов данных (векторов).

Векторный процессор — это процессор, в котором операндами Векторный процессор — это процессор, в котором операндами некоторых команд могут выступать упорядоченные массивы данных — векторы. Отличается от скалярных процессоров, которые могут работать только с одним операндом в единицу времени. Абсолютное большинство процессоров являются скалярными или близкими к ним.

В варианте с конвейерным АЛУ (слева) обработка элементов векторов производится конвейерным АЛУ для чисел с плавающей запятой (ПЗ). Операции с числами в форме с ПЗ достаточно сложны, но поддаются разбиению на отдельные шаги. Так, сложение двух чисел может быть сведено к четырем этапам: В варианте с конвейерным АЛУ (слева) обработка элементов векторов производится конвейерным АЛУ для чисел с плавающей запятой (ПЗ). Операции с числами в форме с ПЗ достаточно сложны, но поддаются разбиению на отдельные шаги. Так, сложение двух чисел может быть сведено к четырем этапам: сравнению порядков, сдвигу мантиссы меньшего из чисел, сложению мантисс нормализации результата.

Каждый этап может быть реализован с помощью отдельной ступени конвейерного АЛУ. Очередной элемент вектора подается на вход конвейера, как только освобождается первая ступень. Каждый этап может быть реализован с помощью отдельной ступени конвейерного АЛУ. Очередной элемент вектора подается на вход конвейера, как только освобождается первая ступень. Одновременные операции над элементами векторов можно проводить и с помощью нескольких параллельно используемых АЛУ, каждое из которых отвечает за одну пару элементов.

Структура векторного процессора Векторные регистры для хранения векторов-операндов, которые представляют собой совокупность скалярных регистров, объединенных в очередь типа FIFO, способную хранить 50-100 чисел с плавающей запятой.

Структуры типа «память-память» и «регистр-регистр» Преимущество ВС с режимом «регистр-регистр» - эффективная обработка коротких векторов Недостаток: обработка длинных векторов (векторные регистры должны загружаться сегментами несколько раз).

PVP-система - это вычислительная система на векторно-конвейерных процессорах, в которых предусмотрены команды однотипной обработки векторов независимых данных, эффективно выполняющиеся на конвейерных функциональных устройствах. Обычно несколько таких процессоров работают одновременно над общей памятью (аналогично SMP) в рамках многопроцессорных конфигураций. Несколько узлов могут быть объединены с помощью коммутатора (аналогично MPP). Поскольку передача данных в векторном формате осуществляется намного быстрее, чем в скалярном (максимальная скорость может составлять 64 Гбайт/с, что на 2 порядка быстрее, чем в скалярных машинах), то проблема взаимодействия между потоками данных при распараллеливании становится несущественной. И то, что плохо распараллеливается на скалярных машинах, хорошо распараллеливается на векторных. Таким образом, системы PVP-архитектуры могут являться машинами общего назначения (general purpose systems). Однако, поскольку векторные процессоры весьма дорого стоят, эти машины не могут быть общедоступными.

Суперкомпьютер Длина одновременно обрабатываемых векторов у векторных компьютеров может составлять, например, 128, 256 и более элементов. Очевидно, что векторные процессоры должны иметь гораздо более сложную структуру и по сути дела содержать множество арифметических устройств. Основное назначение векторных операций состоит в том, чтобы распараллелить выполнение операторов цикла, в которых в основном и сосредоточена большая часть вычислительной работы. Для этого циклы подвергаются процедуре векторизации с тем, чтобы их можно было реализовать с использованием векторных команд. Как правило, это автоматически выполняют компиляторы при подготовке исполнимого кода программы. Поэтому изначально векторно-конвейерные компьютеры не требовали никакой специальной технологии программирования, что и стало решающим фактором в их успехе на компьютерном рынке. Тем не менее при написании циклов требовалось соблюдение некоторых правил с тем, чтобы компилятор мог их эффективно векторизовать. Исторически это были первые компьютеры, к которым в полной мере было применимо понятие "суперкомпьютер".

Примеры и ТОП-500 линия векторно-конвейерных компьютеров CRAY: CRAY-1, CRAY SV1, CRAY X1; NEC SX-4/SX-5; серия Fujitsu VPP.

Первый векторно-конвейерный Первый векторно-конвейерный компьютер Cray-1 появился в 1976 г. Архитектура его оказалась настолько удачной, что он дал начало целому семейству компьютеров PVP (Parallel Vector Processing). Название этому семейству дали два принципа, заложенных в архитектуре процессоров: конвейерная организация обработки потока команд и введение в систему команд набора векторных операций, которые позволяют работать с целыми массивами данных. Когда состоялся дебют Cray-1, определение "векторный" однозначно ассоциировалось с супервычислениями. Суперкомпьютеры Cray получили свое имя в честь изобретателя этих машин, американского инженера Сеймура Крэя (Seymour Cray). В 1972 г. Крэй, к тому времени уже бывший сотрудник и один из руководителей фирмы CDC, организовал собственную компанию Cray Research, которая занялась проектированием сверхбыстродействующей ЭВМ (ставшей известной под названием Cray-1) с быстродействием, превосходящим сотню миллионов операций в секунду.

Интересный факт Чтобы ускорить работу системы, Крэй решил собрать компьютер в виде буквы "С" - это позволило уменьшить расстояние между разными электронными компонентами машины, а значит, сократить задержки и увеличить ее производительность. Пожертвовать пришлось дизайном и удобством в обслуживании. Cray-1 охлаждался с помощью очень большой и очень шумной фреонной установки. Но для ученых главным всегда был не внешний вид, а эффективность.