.
Начертательная геометрия Геометрическое черчение Инженерная графика Интегралы Математический анализ Матрицы Производные Векторная алгебра

 

5.5. Предпосылки создания систем параллельного действия

 

Развитие теории и практики проектирования компьютеров и их математического обеспечения (МО) показало, что существующие компьютеры уже не удовлетворяют потребностям пользователей в решении задач производства и науки. В связи с этим все изыскания в области вычислительной техники направлены на создание новых, более перспективных компьютеров.

ЭВМ и их МО являются на сегодня, пожалуй, самыми дорогостоящими продуктами производства, поэтому эффективность их применения требует бóльшего внимания. Работа современных ЭВМ в пакетном режиме использует это дорогостоящее оборудование крайне неэффективно. Речь идет не только о том, что простои оборудования в среднем достигают 50 %, но и о том, что половина оставшегося времени идет на отладку программ. Если сюда присовокупить время на процессы трансляции, сборки, редактирования связей – необходимые этапы подготовки задачи к счету, то доля полезного времени для обработки данных по отлаженной программе окажется совсем незначительной.

За время развития вычислительной техники накладные расходы на каждую с пользой выполненную команду программы выросли на 3–4 порядка. (Раньше роль транслятора, сборщика, редактора играл сам программист.) Созданные за это время средства автоматизации проектирования программ и их подготовки к обработке лишь в 40–50 раз повышают производительность работы программиста. Поэтому проблема изменения соотношения времени, затрачиваемого ЭВМ на подготовку задач и на получение "полезных результатов" в пользу последнего, является актуальной. Изменение указанного соотношения можно осуществить через преобразование структуры компьютера.

Для универсальных ЭВМ характерен широкий набор команд и данных. Во время трансляции, например, главным образом используется небольшое подмножество этих команд, связанное с преобразованием текстов. Возможности АУ по выполнению арифметических операций с плавающей точкой и удвоенной точностью не используются, при выполнении вычислений все обстоит наоборот. Что касается операции ввода-вывода, то на разных этапах ее используются только определенные возможности компьютера. Поэтому целесообразно иметь хотя бы два процессора в ЭВМ: один использовать только для обработки данных, а другой – для подготовительных работ. Основная трудность двухпроцессорной организации заключается в сбалансировании ее работы. Аналогичную картину можно проследить с использованием памяти, отдельные участки которой простаивают длительное время из-за отсутствия к ним обращений. При анализе динамики обращений к памяти при решении некоторых классов вычислительных задач было установлено, что ОЗУ активно используется лишь на 10–15 %.

Другим фактором, сдерживающим эффективное использование оборудования, является последовательный характер проектируемых алгоритмов.

Можно показать, что существует возможность построить такой компьютер (гипотетический, разумеется), что любой заданный алгоритм можно будет обрабатывать параллельно. Идею доказательства такой возможности продемонстрируем на конкретном примере.

Пусть надо вычислить значение r по формуле

r = x + y z.

(*)

Формулу (*) можно рассматривать как некоторый преобразователь чисел x, y, z в некоторое другое число r = x + y • z. Пусть все числа заданы в двоичной форме (на общность рассуждений это не влияет). Таким образом, речь идет о преобразовании некоторого набора нулей и единиц, представляющих собой последовательность чисел x, y, z в некоторый другой набор нулей и единиц для r. Из алгебры логики известно, что для любой функции можно построить дизъюнктивную нормальную форму (ДНФ). В свою очередь, i-й двоичный разряд результата r можно рассматривать как логическую функцию

ri = r (x1, x2, ..., xn, y1, y2, ..., yn, z1, z2, ..., zn),

где xi, yi, zi, – двоичные разряды, представляющие возможные значения x, y, z.

Так как любая функция (вычисление любого разряда ri) i =  может быть представлена ДНФ (через И, ИЛИ, НЕ), то можно построить n схем (n процессоров), которые, работая одновременно, выдают все n разрядов результата r. Ясно, что подобные рассуждения носят абстрактный характер и ими трудно воспользоваться на практике, ибо количество конкретных алгоритмов – бесконечное множество. Но тем не менее подобный подход позволяет рассматривать с общих позиций попытку реализовать вычислительные среды – многопроцессорные системы, динамически настраиваемые на конкретный алгоритм. Принципиальная возможность распараллелить любой алгоритм оправдывает те усилия, которые предпринимаются сегодня для решения этой задачи.

Структура и архитектура наиболее распространенных сегодня компьютеров ориентированы на алгоритм, как на некоторую последовательность конструктивных действий, в связи с чем они слабо приспособлены для реализации параллельных вычислений.

Технические предпосылки для создания МВС накапливались постепенно. Скажем, идея комплексирования ЭВМ через общую память была апробирована в многомашинном комплексе "Минск-222" в 1966 г. Внутри машин ряда I серии ЕС ЭВМ были заложены основы комплексирования ЭВМ, правда, с некоторыми ограничениями. Более широкие возможности комплексирования ЭВМ серии ЕС представлены в машинах ряда 2 и 3.

Можно выделить три основных направления по созданию машин следующих поколений.

1. Эволюционное направление. Оно связано с совершенствованием ЭВМ и их МО в плане развития связи с удаленными терминалами и выхода в сети передачи данных, расширения спектра виртуальных операционных окружений, что позволяет использовать их в многомашинных комплексах (МК) и компьютерных сетях.

2. Создание новых структур – МВС. При этом внутреннюю систему команд компьютеров приближают к языкам высокого уровня.

3. Разработка и создание перестраиваемых однородных МВС, пригодных для решения задач, распараллеливаемых на уровне входных алгоритмов. В них, например, центральная ВС может состоять из "однородного управляющего поля" и "однородного решающего поля". Каждое поле представляет собой набор однотипных специализированных блоков, выполненных на микроэлементной интегральной базе. Элементы управляющего поля независимо занимаются обработкой команд. Блоки управляющего поля могут одновременно обрабатывать команды различных программ, выбирая их из разных областей общей памяти. Блок, по существу, представляет собой УУ обычной ЭВМ, которое выбирает команду, дешифрирует ее, вычисляет исполнительный адрес, выбирает операнд и т. д.

Решающее поле состоит из однотипных элементов и представляет собой АУ, способное выполнять арифметические и логические операции над некоторыми типами данных.

На главную