Informatika | Számítógép-architektúrák » SIMD architektúrák

- SIMD architektúrák/1 - SIMD architektúrák A kereskedelmileg is sikeres architektúrák egyike a SIMD-rendszer (a vektorszuperszámítógépek és a MIMD-rendszerek a másik kettő). A sikerhez az alábbi tényezők járultak hozzá:  a koncepció egyszerűsége és a jó programozhatóság  a szerkezet szabályossága  a méret és a teljesítmény egyszerű skálázhatósága  számos olyan területen való közvetlen felhasználhatósága, ahol szükség van a párhuzamosságra a megfelelő teljesítmény eléréséhez A SIMD rendszerek legfontosabb elvei (Steven Unger):  Az elemek egy kétdimenziós tömbben helyezkednek el, és mindegyik a négy legközelebbi szomszédjához kapcsolódik  Minden processzor párhuzamosan ugyanazt a műveletet hajtja végre.  Minden processzornak van saját belső memóriája.  A processzorok programozhatók, és különböző feladatok elvégzésére alkalmasak.  Az adatok gyorsan haladnak át a tömbön.  Kell

egy központi számítógép, ami az utasítások forrása és egy külön rendszer az adatbevitelre, az eredmények megjelenítésére és tárolására. Processzortömb Tömbvezérlő Központiszámítógép Adatillesztő Adat ki/be Háttértároló A SIMD-rendszer jellemző felépítése Sima: Korszerű számítógép architektúrák - SIMD architektúrák/2 - Néhány kereskedelmi megvalósítás:  DAP (Distributed Array Processor) 1976, ICL. 32x32 elemű processzortömb.  MPP (Massively Paralell Processor) 1983, Goodyear Corp. 128x128 elemű processzortömb. Bitsoros elemekkel és közeli összeköttetésekkel dolgozott.  Connection Machine 1985 Bonyolult hiperkocka hálózat Thinking Machine Inc. gyártotta  MasPar 1990 Egy bitesnél bonyolultabb feldolgozóelemekkel rendelkezett. A távoli összeköttetéseket többszintű crossbar kapcsolókkal oldotta meg. Az IBM, Cray, DEC, nCUBE is gyártanak SIMD elven működő számítógépeket. A gépek

tervezésénél eldöntendő kérdések:       a feldolgozóelemek bonyolultsága (processzor alap-adattípusa, utasításkészlet bonyolultsága, memória nagysága) az egyes elemek lokális autonómiájának meghatározása az elemek összeköttetésének módja a feldolgozóelemek száma, az összeköttetések elrendezése a tartalék egységek elosztása a megvalósítás technológiája A szemcsézettség Meghatározza a viszonyt a feldolgozóelemek száma és az adatkészlet párhuzamossága között. Finom szemcsézettségű rendszerek: Minden feldolgozóelemhez csak kevés számú adatelem tartozik Durva szemcsézettségű rendszerek: Minden feldolgozóelemhez sok adatelem tartozik Az ideális az 1:1-es megfeleltetés lenne, de a jellemző alkalmazásokban ez a technológia mai fejlettségi fokán még nem megvalósítható. - SIMD architektúrák/3 Másik probléma a különböző alkalmazásokban használt adatkészletek eltérő mérete. Nehéz

rugalmasan bővíthető SIMD rendszereket készíteni. Az adatelemenként elvégzendő számítások bonyolultsága hatással van a feldolgozóelemek típusára és bonyolultságára. Ez pedig technológiai és gazdaságossági szempontból hatással van a maximálisan elérhető párhuzamosságra. A megoldások általában a két végletet célozzák meg:  Finom szemcsézettség egyszerű feldolgozóelemekkel  Durva szemcsézettség bonyolult feldolgozóelemekkel Összeköttetési módok Kívánatos lenne:  ha bármelyik processzor bármelyik másik processzorral egységnyi idő alatt tudna kommunikálni.  ha a kommunikációs események párhuzamosan mehetnének végbe.  ha a kiindulás és a cél előre meghatározható lenne.  ha a rendszer bizonyos redundanciával rendelkezne a hibás elemek és összeköttetések helyettesítése céljából. A fenti szempontoknak eleget tevő hálózat kiválasztása a legnehezebb döntés. A megismert összeköttetési módok

alkalmazhatók: SIMD-összeköttetés Közeli szomszédok Fa Piramis Hiperkocka Jellemzők Nagy átmérő, nagy sávszélesség Kis átmérő és sávszélesség Kis átmérő, bonyolult programozás Kis átmérő és nagy sávszélesség A processzorok bonyolultsága Ez határozza meg a rendszer felhasználhatóságát. Az alkalmazás jellege is meghatározza, hogy milyen műveletekre van szükség: Tudományos kutatás: lebegőpontos műveletek Képfeldolgozás: logikai műveletek Az áramkörök precizitása Ugyanaz a műveleti pontosság elérhető különböző precizitású processzorokkal. Gyakran egybites feldolgozóelemeket használnak, mert ez rugalmasan felhasználható különböző pontosságú számításokhoz. Például a képfeldolgozásban különböző pontosságú adatelemekkel dolgoznak, és ez leghatékonyabban egybites feldolgozóelemekkel valósítható meg. Az egybites feldolgozóelemek lényegesen egyszerűbbek és nagyobb méretű tömbök alakíthatók ki,

és az összeköttetések is egyszerűbben megvalósíthatók. - SIMD architektúrák/4 - Finom szemcsézettségű SIMD-architektúrák Legfontosabb jellemzőik:      A feldolgozóelemek minimális bonyolultsággal és a lehető legkisebb autonómiával rendelkeznek. A processzorok maximális számát gazdaságossági megfontolások határozzák meg. A programozási modell feltételezi, hogy a feldolgozóelemek száma megegyezik az adatelemek számával. Az összeköttetés modellje: 4 pontú közeliszomszédos. A szokásos programozási nyelv soros, párhuzamos adatokra vonatkozó kiegészítésekkel. Az újabb rendszerek néhány ponton eltérnek a fenti modelltől:  A feldolgozóelemek bonyolultsága nő: vagy több-bites alapon működnek, vagy kiegészülnek speciális aritmetikai elemekkel.  A szokásos rács mellett további összeköttetések is léteznek: hiperkocka, crossbar.  A helyi memória mérete növekszik. Az MPP finom szemcsézettségű

rendszere Massively Paralell Processor Kimenet Kapcsoló Vezérlő VAX 11/780 128x128-as processzortömb Osztott memória Kapcsoló Bemenet Az MPP-rendszer Sima: Korszerű számítógép architektúrák A feldolgozóelemek 128x128-as négyzetrácsban helyezkednek el. Az MPP a NASA számára készült, és főleg képfeldolgozásra használják. A 88 tömbkártya mindegyike 24 processzorlapkát (192 processzorral) támogat a hozzátartozó memóriával együtt. Tokonként 8 processzor Tömbönként négy tartalék processzoroszlop van elhelyezve, amely a hibatűrést biztosítja. - SIMD architektúrák/5 A feldolgozóelemek a közeliszomszédokkal vannak összekapcsolva. Az adatok bevitelét és kivitelét különválasztották, és ún. lépcsős memóriaszervezést valósítottak meg, amely könnyű átalakítást tesz lehetővé a bit-formátum és az egész adattípus között. A tömböt egy VAX 11/780-as számítógép és egy önálló tömbvezérlő vezérli.

Programozási nyelv: párhuzamos Fortran és párhuzamos Pascal. A szabványos nyelvet kiegészítették az adattömb adattípussal, és egy előfeldolgozás során az adattömbre vonatkozó műveleteket olyan szubrutin-hívással helyettesítik, amely a vezérlő kifejezést a megfelelő interfészhez irányítja. A műveletvégző egységek:      Minden adatcsatorna, regiszter és funkcionális egység 1 bites. Önálló összeadóval, tömbléptetővel és logikai műveletvégző egységgel rendelkezik, amelyek párhuzamosan működnek. A szomszédoktól érkező bemeneti adatok multiplexeren keresztül érkeznek. Egyetlen kimeneti adat van, amely a szomszédokhoz kerül. Egy különálló regiszterbit (S) kapcsolódik a többi processzor megfelelő elemeihez, és ezzel egy olyan bemeneti/kimeneti léptető regiszter jön létre, amely önállóan képes működni a processzor többi elemétől. Ezzel átfedhető a számítás és az adattovábbítás. A helyi

memóriát egy másik berendezés szolgáltatja. Összeadó Léptetőregiszter B P A C Logika adat ki S adat be MUX Külső memória Szomszédokhoz Szomszédoktól Az MPP-processzor elemei Sima: Korszerű számítógép architektúrák - SIMD architektúrák/6 Az MPP áramkör teljesítménye Művelet Adat bevitel/kivitel Összeadás Szorzás Közeli szomszéd Helyi 3x3 átlag Körbejárás (3x3) Tömb mozgatása 1 képponttal Pontosság 1 bites 16 bites 32 bites lebegőpontos 16 bites egész 32 bites lebegőpontos 1 bites 8 bites 8 bites 8 bites Idő[µs] 0,1 2,5 33 10 60 1,5 12,4 9,5 1,7 Blokkok száma 1 25 330 100 600 15 124 95 17 Példa az alkalmazásra Képek szegmentálása Feladata a képeket olyan összefüggő részekre osztani, amelyek képpontjai bizonyos szempontból összetartoznak. Az alkalmazott szempont (feltétel) lehet például a szürkeségi szint, a textúra, az alak. A leggyakoribb felosztási módszer, hogy a kép minden (előre megadott)

kis területére megvizsgálják a feltételt, és azokat a részeket összekapcsolják, amelyek között az eltérés egy küszöbszint alatt van. A módszer több iteráció során jut el a megoldáshoz. A párhuzamosan elvégezhető művelet a területek közötti hasonlóság vagy eltérés számítása a megadott feltétel alapján