История появления параллелизма в архитектуре ЭВМ

Федеральное агентство по образованию

Саратовский государственный технический университет

Кафедра информационных систем и технологий 
 
 
 

История появления параллелизма в архитектуре ЭВМ

Курсовая  работа

студента III курса, группы ИСТ-31  международного факультета прикладных информационных технологий           Мавлютова Наримана Равильевича.

____________________________

  подпись студента 

Руководитель:  

  к.ф.-м. н., доцент   Папшев  С.В.

________________________________

  подпись руководителя 
 
 
 
 
 

Саратов

2010

     Содержание

 

Содержание 2

Введение 3

1 Типы параллелизма в архитектуре ЭВМ 4

1.1. Параллелизм на уровне команд 4

1.2. Параллелизм на уровне процессоров 5

2 Первые компьютеры использовавшие параллелизм 7

1.1. Суперкомпьютер IBM 701 и IBM 704 8

1.2. Суперкомпьютер IBM 709 9

1.3. Суперкомпьютер IBM STRETCH 10

1.4. Суперкомпьютер ATLAS 12

1.5. Суперкомпьютер CDC 6600 13

1.6. Суперкомпьютер CDC 7600 14

1.7. Суперкомпьютер CRAY 1 15

3 Параллелизм в современных компьютерах 19

3.1. Российский суперкомпьютер Ломоносов 21

4 Направление развитий  24

Заключение 26

Список источников 27 

 

Введение

     Спрос на компьютеры, работающие с все  более и более высокой скоростью, не прекращается. Астрономы пытаются воспроизвести всю историю Вселенной  с момента большого взрыва и до сегодняшнего дня. Фармацевты хотели бы разрабатывать новые лекарственные  препараты с помощью компьютеров, не принося в жертву легионы крыс. Разработчики летательных аппаратов  могли бы получать лучшие результаты, если бы вместо строительства огромных аэродинамических труб моделировали свои конструкции на компьютере. Какими бы мощными ни были компьютеры, их возможностей никогда не хватит для решения многих нетривиальных задач, особенно научных, технических и промышленных.

     Разработчики компьютеров стремятся к тому, чтобы повысить производительность своих машин. Один из способов заставить процессоры работать быстрее это повышение их тактовой частоты, однако при этом существуют некоторые технологические ограничения. Поэтому большинство разработчиков для повышения производительности при данной тактовой частоте процессора используют параллелизм.

     Идея  распараллеливания вычислений основана на том, что большинство задач  может быть разделено на набор  меньших задач, которые могут  быть решены одновременно. Параллельные вычисления использовались много лет основном в высокопроизводительных вычислениях, но в последнее время к ним возрос интерес вследствие существования физических ограничений на рост тактовой частоты процессоров. Параллельные вычисления стали доминирующей моделью в архитектуре компьютеров, в основном в форме многоядерных процессоров.

     В этой курсовой работе рассмотрена история  появления и развития параллельных вычислительных систем, их сферы применения, также разобраны применяемые  технологии и особенности параллелизма в архитектуры ЭВМ.

1 Типы параллелизма  в архитектуре  ЭВМ

     Существует две основные формы параллелизма: параллелизм на уровне команд и параллелизм на уровне процессоров. В первом случае параллелизм реализуется за счет запуска большого количества команд каждую секунду. Во втором случае над одним заданием работают одновременно несколько процессоров. Каждый подход имеет свои преимущества.

     Параллелизм можно вводить на разных уровнях. На самом низком уровне он может  быть реализован в процессоре за счет конвейеризации и суперскалярной архитектуры с несколькими функциональными блоками.

     На  следующем уровне возможно внедрение  в систему внешних плат ЦП с  улучшенными вычислительными возможностями. Как правило, в подключаемых процессорах  реализуются специальные функции, такие как обработка сетевых  пакетов, обработка мультимедийных данных, криптография.  

1. Параллелизм на уровне команд

     Параллелизм на уровне команд (instruction-level parallelism, ILP) стал возможен благодаря созданию процессоров и методик компиляции, которые ускоряют работу за счет параллельного выполнения отдельных RISC-операций. Системы на базе ILP используют программы, написанные на традиционных языках высокого уровня для последовательных процессоров, а обнаружение «скрытого параллелизма» автоматически выполняется благодаря применению соответствующей компиляторной технологии и аппаратного обеспечения.

     Низкоуровневый параллелизм достигается, в частности, вызовом нескольких команд за один тактовый цикл. Процессоры, в которых реализуется этот принцип, делятся на две категории: суперскалярные и VLIW. 

     Суперскалярные процессоры способны за один тактовый цикл вызывать несколько команд. Число фактически вызываемых команд зависит как от конструкции процессора, так и от текущей ситуации. Аппаратные ограничения диктуют максимальное число одновременно вызываемых команд — обычно от двух до шести. К тому же, если для выполнения команды нужен недоступный функциональный блок или еще не полученный результат выполнения другой команды, такая команда не будет вызвана даже при наличии физической возможности.

     Процессоры VLIW (процессоры, использующие сверхбольшие слова команд) представляют собой  пример архитектуры, для которой  программа предоставляет точную информацию о параллелизме. Компилятор выявляет параллелизм в программе  и сообщает аппаратному обеспечению, какие операции не зависят друг от друга. Эта информация имеет важное значение для аппаратного обеспечения, поскольку в этом случае оно «знает»  без дальнейших проверок, какие операции можно начинать выполнять в одном  и том же такте.^{[3, 4]} 

2. Параллелизм на уровне процессоров

     Параллелизм на уровне команд в определенной степени помогает, но конвейеры и суперскалярная архитектура обычно повышают скорость работы всего лишь в 5-10 раз. Чтобы повысить производительность в сто, тысячу или миллион раз, необходимо свести воедино многочисленные процессоры и обеспечить их эффективное взаимодействие. Этот принцип реализуется в виде больших мультипроцессорных систем и мультикомпьютеров (кластерных компьютеров). Естественно, объединение тысяч процессоров в единую систему порождает новые проблемы, которые нужно решать.

     Разделяя  вычислительную нагрузку, выполняемую  единственным ядром в традиционных процессорах между многими ядрами, многоядерный процессор может выполнить большую работу в пределах отдельного цикла ЭВМ. Чтобы реализовать это увеличение эффективности, соответствующее программное обеспечение должно поддерживать это распараллеливание. Эти функциональные возможности называют параллелизмом на уровне процессора.

     Процессор, оборудованный параллелизмом на уровне процессора, может выполнить  полностью отдельные части кода на разных процессорах. Это может означать или один подпроцесс, выполняемый из приложения, и второй подпроцесс, выполняемый из операционной системы, или параллельные подпроцессы, выполняемые из единственного приложения. Параллелизм на уровне процессора приносит особенный выигрыш для многих мультимедийных приложений, потому что многие из их операций способны к выполнению параллельно. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2 Первые компьютеры использовавшие параллелизм

     Все современные микропроцессоры, будь то Pentium IV или Intel Core 2 Duo, Е2К или Power7 используют тот или иной вид параллельной обработки. В ядре Pentium 4 на разных стадиях выполнения может одновременно находиться до 126 микроопераций. На презентациях новых чипов и в пресс-релизах корпораций это преподносится как последнее слово техники и передовой край науки если рассматривать реализацию этих принципов в миниатюрных рамках одного кристалла.

     Сами эти идеи появились очень давно. Изначально они внедрялись в самых передовых, а потому единичных, компьютерах своего времени. Затем после должной отработки технологии и удешевления производства они спускались в компьютеры среднего класса, и наконец сегодня все это в полном объеме воплощается в рабочих станциях и персональных компьютерах.

     За последние три десятилетия компьютерная отрасль развивалась в соответствии с темпами увеличения производительности микропроцессоров. Отрасль использовала эти достижения, позволяя обходиться без кардинального переписывания программ в «параллельном виде», без смены языков и алгоритмов и, зачастую, даже без перекомпиляции самого кода. По крайней мере до последнего времени параллельная обработка на уровне команд утвердилась как единственный подход, позволяющий добиваться высокой производительности без серьезных изменений программного обеспечения.^[2]

     В этой главе рассмотрены семь первых мультикомпьютеров и суперкомпьютеров имевший параллелизм на уровне команд и параллелизм на уровне процессоров получившие большой успех на рынке. 
 
 

1. Суперкомпьютер  IBM 701 и IBM 704.

     Все самые первые компьютеры (EDSAC, EDVAC, UNIVAC) имели разрядно - последовательную память, из которой слова считывались последовательно бит за битом. Первым коммерчески доступным компьютером, использующим разрядно - параллельную память (на CRT) и разрядно - параллельную арифметику, стал IBM 701, официально открыт был 7 апреля 1953 года.

Основные  особенности компьютера IBM 701:

• Первый крупномасштабный электронный компьютерной в промышленном в количестве;
• Первый коммерчески доступный научный компьютер;
• Первая машина, в которой программы хранятся во внутренней адресуемой электронной памяти;
• Разработан и изготовлен в рекордные сроки - менее чем за два года из "первых чертежей на бумаге";

 
 

Рис 1.1. Фотография компьютера IBM 701. 

     Наибольшую популярность, из линии IBM серий 700, получила модель       IBM 704 (1955 г.в., продано 150 экз.), в которой, помимо сказанного, была впервые применена память на ферритовых сердечниках и аппаратное АУ с плавающей точкой.^{[1, 2]} 

1.2. Суперкомпьютер IBM 709

     Процессоры  первых компьютеров сами управляли  вводом/выводом. Однако скорость работы самого быстрого внешнего устройства, а по тем временам это магнитная  лента, была в 1000 раз меньше скорости процессора, поэтому во время операций ввода/вывода процессор фактически простаивал. В августе 1958 года к компьютеру IBM 704 присоединили 6 независимых процессоров ввода/вывода, которые после получения команд могли работать параллельно с основным процессором тем самым получился параллелизм на уровне процессоров, а сам компьютер переименовали в IBM 709. Компьютер был построен, используя электронные лампы.