Реферат по предмету "История техники"


Краткая история появления параллелизма в архитектуре ЭВМ

Краткая история появления
параллелизма в архитектуре ЭВМ


Сегодня
параллелизмом в архитектуре компьютеров уже мало кого удивишь. Все современные
микропроцессоры, будь то Pentium III или PA-8700, MIPS R14000, Е2К или Power3
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, и это действительно так, если
рассматривать реализацию этих принципов в миниатюрных рамках одного кристалла.

Вместе
с тем, 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.

Для
того чтобы убедиться, что все основные нововведения в архитектуре современных
процессоров на самом деле используются еще со времен, когда ни
микропроцессоров, ни понятия суперкомпьютеров еще не было, совершим маленький экскурс
в историю, начав практически с момента рождения первых ЭВМ.


IBM 701
(1953), IBM 704
(1955): разрядно-параллельная
память, разрядно-параллельная арифметика.

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, а наибольшую
популярность получила модель IBM 704 (продано 150 экз.), в которой, помимо
сказанного, была впервые применена память на ферритовых сердечниках и
аппаратное АУ с плавающей точкой.


IBM 709
(1958): независимые
процессоры ввода/вывода.

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 1958г. к компьютеру IBM 704 присоединили 6
независимых процессоров ввода/вывода, которые после получения команд могли
работать параллельно с основным процессором, а сам компьютер переименовали в
IBM 709. Данная модель получилась удивительно удачной, так как вместе с
модификациями было продано около 400 экземпляров, причем последний был выключен
в 1975 году - 20 лет существования!


IBM STRETCH
(1961): опережающий
просмотр вперед, расслоение памяти.

В
1956 году IBM подписывает контракт с Лос-Аламосской научной лабораторией на разработку
компьютера STRETCH, имеющего две принципиально важные особенности: опережающий
просмотр вперед для выборки команд и расслоение памяти на два банка для
согласования низкой скорости выборки из памяти и скорости выполнения операций.


ATLAS
(1963): конвейер команд.

Впервые
конвейерный принцип выполнения команд был использован в машине ATLAS,
разработанной в Манчестерском университете. Выполнение команд разбито на 4
стадии: выборка команды, вычисление адреса операнда, выборка операнда и выполнение
операции. Конвейеризация позволила уменьшить время выполнения команд с 6 мкс до
1,6 мкс. Данный компьютер оказал огромное влияние, как на архитектуру ЭВМ, так
и на программное обеспечение: в нем впервые использована мультипрограммная ОС,
основанная на использовании виртуальной памяти и системы прерываний.


CDC 6600
(1964): независимые
функциональные устройства.

Фирма
Control Data Corporation (CDC) при непосредственном участии одного из ее
основателей, Сеймура Р.Крэя (Seymour R.Cray) выпускает компьютер CDC-6600 -
первый компьютер, в котором использовалось несколько независимых функциональных
устройств. Для сравнения с сегодняшним днем приведем некоторые параметры
компьютера:

время
такта 100нс,

производительность
2-3 млн. операций в секунду,

оперативная
память разбита на 32 банка по 4096 60-ти разрядных слов,

цикл
памяти 1мкс,

10
независимых функциональных устройств.

Машина
имела громадный успех на научном рынке, активно вытесняя машины фирмы IBM.


CDC 7600
(1969): конвейерные
независимые функциональные устройства.

CDC
выпускает компьютер CDC-7600 с восемью независимыми конвейерными
функциональными устройствами - сочетание параллельной и конвейерной обработки.
Основные параметры:

такт
27,5 нс,

10-15
млн. опер/сек.,

8
конвейерных ФУ,

2-х
уровневая память.


ILLIAC IV
(1974): матричные
процессоры.

Проект:
256 процессорных элементов (ПЭ) = 4 квадранта по 64ПЭ, возможность
реконфигурации: 2 квадранта по 128ПЭ или 1 квадрант из 256ПЭ, такт 40нс,
производительность 1Гфлоп;

работы
начаты в 1967 году, к концу 1971 изготовлена система из 1 квадранта, в 1974г.
она введена в эксплуатацию, доводка велась до 1975 года;

центральная
часть: устройство управления (УУ) + матрица из 64 ПЭ;

УУ
это простая ЭВМ с небольшой производительностью, управляющая матрицей ПЭ; все
ПЭ матрицы работали в синхронном режиме, выполняя в каждый момент времени одну
и ту же команду, поступившую от УУ, но над своими данными;

ПЭ
имел собственное АЛУ с полным набором команд, ОП - 2Кслова по 64 разряда, цикл
памяти 350нс, каждый ПЭ имел непосредственный доступ только к своей ОП;

сеть
пересылки данных: двумерный тор со сдвигом на 1 по границе по горизонтали;

Несмотря
на результат в сравнении с проектом: стоимость в 4 раза выше, сделан лишь 1
квадрант, такт 80нс, реальная произв-ть до 50Мфлоп - данный проект оказал
огромное влияние на архитектуру последующих машин, построенных по схожему
принципу, в частности: PEPE, BSP, ICL DAP.











CRAY 1
(1976): векторно-конвейерные
процессоры


В 1972 году С.Крэй покидает CDC и основывает свою компанию Cray
Research, которая в 1976г. выпускает первый векторно-конвейерный компьютер
CRAY-1: время такта 12.5нс, 12 конвейерных функциональных устройств, пиковая
производительность 160 миллионов операций в секунду, оперативная память до
1Мслова (слово - 64 разряда), цикл памяти 50нс. Главным новшеством является
введение векторных команд, работающих с целыми массивами независимых данных и
позволяющих эффективно использовать конвейерные функциональные устройства.







Иерархия
памяти.

Иерархия
памяти пямого отношения к параллелизму не имеет, однако, безусловно, относится
к тем особенностям архитектуры компьютеров, которые имеет огромное значение для
повышения их производительности (сглаживание разницы между скоростью работы
процессора и временем выборки из памяти). Основные уровни: регистры,
кэш-память, оперативная память, дисковая память. Время выборки по уровням памяти
от дисковой памяти к регистрам уменьшается, стоимость в пересчете на 1 слово
(байт) растет. В настоящее время, подобная иерархия поддерживается даже на
персональных компьютерах.



А что же сейчас
используют в мире?

По
каким же направлениям идет развитие высокопроизводительной вычислительной
техники в настоящее время? Основных направлений четыре.

1.
Векторно-конвейерные компьютеры. Конвейерные функциональные устройства и набор
векторных команд - это две особенности таких машин. В отличие от традиционного
подхода, векторные команды оперируют целыми массивами независимых данных, что
позволяет эффективно загружать доступные конвейеры, т.е. команда вида A=B+C
может означать сложение двух массивов, а не двух чисел. Характерным
представителем данного направления является семейство векторно-конвейерных
компьютеров CRAY куда входят, например, CRAY EL, CRAY J90, CRAY T90 (в марте
2000 года американская компания TERA перекупила подразделение CRAY у компании
Silicon Graphics, Inc.).

2.
Массивно-параллельные компьютеры с распределенной памятью. Идея построения
компьютеров этого класса тривиальна: возьмем серийные микропроцессоры, снабдим
каждый своей локальной памятью, соединим посредством некоторой коммуникационной
среды - вот и все. Достоинств у такой архитектуры масса: если нужна высокая
производительность, то можно добавить еще процессоров, если ограничены финансы
или заранее известна требуемая вычислительная мощность, то легко подобрать
оптимальную конфигурацию и т.п.

Однако
есть и решающий "минус", сводящий многие "плюсы" на нет.
Дело в том, что межпроцессорное взаимодействие в компьютерах этого класса идет
намного медленнее, чем происходит локальная обработка данных самими
процессорами. Именно поэтому написать эффективную программу для таких компьютеров
очень сложно, а для некоторых алгоритмов иногда просто невозможно. К данному
классу можно отнести компьютеры Intel Paragon, IBM SP1, Parsytec, в какой-то
степени IBM SP2 и CRAY T3D/T3E, хотя в этих компьютерах влияние указанного
минуса значительно ослаблено. К этому же классу можно отнести и сети
компьютеров, которые все чаще рассматривают как дешевую альтернативу крайне
дорогим суперкомпьютерам.

3.
Параллельные компьютеры с общей памятью. Вся оперативная память таких
компьютеров разделяется несколькими одинаковыми процессорами. Это снимает
проблемы предыдущего класса, но добавляет новые - число процессоров, имеющих
доступ к общей памяти, по чисто техническим причинам нельзя сделать большим. В
данное направление входят многие современные многопроцессорные SMP-компьютеры
или, например, отдельные узлы компьютеров HP Exemplar и Sun StarFire.

4.
Последнее направление, строго говоря, не является самостоятельным, а скорее
представляет собой комбинации предыдущих трех. Из нескольких процессоров
(традиционных или векторно-конвейерных) и общей для них памяти сформируем
вычислительный узел. Если полученной вычислительной мощности не достаточно, то
объединим несколько узлов высокоскоростными каналами. Подобную архитектуру
называют кластерной, и по такому принципу построены CRAY SV1, HP Exemplar, Sun
StarFire, NEC SX-5, последние модели IBM SP2 и другие. Именно это направление
является в настоящее время наиболее перспективным для конструирования
компьютеров с рекордными показателями производительности.



Использование параллельных вычислительных систем

К
сожалению чудеса в жизни редко случаются. Гигантская производительность
параллельных компьютеров и супер-ЭВМ с лихвой компенсируется сложностями их
использования. Начнем с самых простых вещей. У вас есть программа и доступ,
скажем, к 256-процессорному компьютеру. Что вы ожидаете? Да ясно что: вы вполне
законно ожидаете, что программа будет выполняться в 256 раз быстрее, чем на
одном процессоре. А вот как раз этого, скорее всего, и не будет.



Закон Амдала
и его следствия

Предположим,
что в вашей программе доля операций, которые нужно выполнять последовательно,
равна f, где 0


Не сдавайте скачаную работу преподавателю!
Данный реферат Вы можете использовать для подготовки курсовых проектов.

Поделись с друзьями, за репост + 100 мильонов к студенческой карме :

Пишем реферат самостоятельно:
! Как писать рефераты
Практические рекомендации по написанию студенческих рефератов.
! План реферата Краткий список разделов, отражающий структура и порядок работы над будующим рефератом.
! Введение реферата Вводная часть работы, в которой отражается цель и обозначается список задач.
! Заключение реферата В заключении подводятся итоги, описывается была ли достигнута поставленная цель, каковы результаты.
! Оформление рефератов Методические рекомендации по грамотному оформлению работы по ГОСТ.

Читайте также:
Виды рефератов Какими бывают рефераты по своему назначению и структуре.

Сейчас смотрят :

Реферат Физическая культура часть общей культуры общества
Реферат Changes And Conflicts Essay Research Paper The
Реферат Мадлен Олбрайт
Реферат Math Portfolio 2
Реферат Нефтяная промышленность Украины. Нефтерынок
Реферат Вычисление определенных интегралов. Квадратурные формулы
Реферат Словотворчество как закономерность развития речи ребенка в дошкольном возрасте
Реферат Основные положения гражданского права Российской Федерации
Реферат Основные направления совершенствования управления финансовыми рисками на предприятии на примере ООО "Трест "Татспецнефтехимремстрой"
Реферат Role Of Hawthorne
Реферат Defense Mechs In Lit Essay Research Paper
Реферат Вольф, Христиан фон
Реферат Судові та інші правоохоронні органи як навчальна дисципліна предмет та система Основні поняття
Реферат Athena Essay Research Paper Athenaby Jason StowePeriod
Реферат Аннотация по дисциплине б 8 Теория и методология истории