并行計(jì)算機(jī)模型課件

并行計(jì)算機(jī)模型

1計(jì)算技術(shù)的現(xiàn)狀

2多處理機(jī)和多計(jì)算機(jī)

3多向量機(jī)和SIMD計(jì)算機(jī)

4并行計(jì)算機(jī)的抽象模型

5可擴(kuò)展的范圍和設(shè)計(jì)

1計(jì)算技術(shù)的現(xiàn)狀一、并行技術(shù)的出現(xiàn)二、現(xiàn)代并行計(jì)算機(jī)的組成涉及6個(gè)問(wèn)題：1.計(jì)算問(wèn)題

現(xiàn)實(shí)生活中對(duì)問(wèn)題要求快速而精確地求解推動(dòng)了計(jì)算機(jī)的廣泛使用?？茖W(xué)技術(shù)中的數(shù)值計(jì)算問(wèn)題人工智能(AI)問(wèn)題2.算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并行計(jì)算問(wèn)題中的運(yùn)算和通信，需要各種專門的算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。符號(hào)處理：存在的問(wèn)題

：3.硬件資源處理機(jī)、存儲(chǔ)器和外圍設(shè)備組成了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件核心外圍設(shè)備可以直接或通過(guò)局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)與主機(jī)相連4.操作系統(tǒng)管理用戶程序執(zhí)行過(guò)程中的資源分配和再分配。映射是一種算法結(jié)構(gòu)與硬件結(jié)構(gòu)相匹配的雙向過(guò)程。并行操作系統(tǒng)的映射算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)到機(jī)器結(jié)構(gòu)的映射包括處理機(jī)調(diào)度、存儲(chǔ)器映象、處理器間的通信等。這些問(wèn)題通常都與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有關(guān)。5.系統(tǒng)軟件支持

存在的問(wèn)題：不能以通用和可移植方式進(jìn)行并行程序設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)并行編程環(huán)境：一種與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)的語(yǔ)言、編譯器和軟件工具。兩個(gè)方向：對(duì)于開(kāi)發(fā)并行語(yǔ)言，我們將著眼點(diǎn)放在語(yǔ)言執(zhí)行的效率、對(duì)不同機(jī)器的可移植性、與現(xiàn)有的順序語(yǔ)言的兼容性、并行性的表達(dá)和編程的簡(jiǎn)便性等上面?？梢栽O(shè)計(jì)一種新的語(yǔ)言，逐步擴(kuò)展現(xiàn)有的順序語(yǔ)言。新語(yǔ)言有用顯式高級(jí)結(jié)構(gòu)描述并行性的優(yōu)點(diǎn)，但是新語(yǔ)言往往與現(xiàn)有語(yǔ)言不兼容，而需要新的編譯器或者通過(guò)新的步驟才能利用現(xiàn)有的編譯器。大部分系統(tǒng)選用的是語(yǔ)言擴(kuò)展方式。6.編譯器支持

改進(jìn)編譯器有三種途徑：預(yù)處理程序;預(yù)編譯器;并行化編譯器。預(yù)處理程序采用順序編譯器和目標(biāo)計(jì)算機(jī)的低層程序庫(kù)實(shí)現(xiàn)高級(jí)并行結(jié)構(gòu)。預(yù)編譯器需要程序流分析、相關(guān)性檢查和有限的優(yōu)化來(lái)檢測(cè)并行性。聯(lián)接過(guò)程的效果取決于預(yù)處理程序、預(yù)編譯器、并行化編譯器、加載程序和操作系統(tǒng)支持的功效。由于程序行為的不可預(yù)測(cè)，現(xiàn)有的編譯器在檢測(cè)所有類型的并行性時(shí)都不是完全自動(dòng)或完全智能進(jìn)行的。有效的方法：將編譯器命令插入源代碼，幫編譯器做出較好的結(jié)果。這樣，用戶可與編譯器進(jìn)行交互重構(gòu)程序，這已被證明對(duì)提高并行計(jì)算機(jī)性能是十分有用的。7.并行程序的設(shè)計(jì)環(huán)境

隱式并行性伊利諾依大學(xué)的DavidKuck和Rice大學(xué)的KenKennedy以及他們的合作者都已采用這種隱式并行性方法。顯式并行性加州理工學(xué)院的CharlesSeitz和麻省理工學(xué)院的WilliamDaily在開(kāi)發(fā)多計(jì)算機(jī)時(shí)采用了這種顯式方法?？偨Y(jié)：要使一個(gè)環(huán)境對(duì)用戶更加友好，必須要有專用軟件工具。一些工具是傳統(tǒng)高級(jí)語(yǔ)言的并行擴(kuò)展；一些則是集成環(huán)境其中包括提供不同級(jí)別的程序抽象、驗(yàn)證、測(cè)試、查錯(cuò)和調(diào)試等各種工具；性能預(yù)測(cè)和監(jiān)控；輔助程序開(kāi)發(fā)的可視化支持、性能測(cè)量以及計(jì)算結(jié)果的圖形顯示及動(dòng)畫(huà)表示三、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)向高性能發(fā)展歷程主要探討順序到并行的過(guò)程1.先行、并行性和流水線技術(shù)用先行技術(shù)預(yù)取指令可使I／E(指令讀?。g碼和執(zhí)行)支持功能并行性的方法有兩種：一種是同時(shí)使用多個(gè)功能部件；另一種是在不同處理級(jí)分別實(shí)施流水線技術(shù)。流水線指令執(zhí)行、流水線算術(shù)計(jì)算和存儲(chǔ)器存取操作。2.Flynn分類法MkhealFlynn(1972)根據(jù)指令和數(shù)據(jù)流概念提出了不同計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分類法。傳統(tǒng)的順序機(jī)被稱為SISD(單指令流單數(shù)據(jù)流)計(jì)算機(jī)。向量計(jì)算機(jī)--標(biāo)量和向量硬件裝備，或以SIMD(單指令流多數(shù)據(jù)流)機(jī)的形式出現(xiàn)。并行計(jì)算機(jī)則屬M(fèi)IMD(多指令流多數(shù)據(jù)流)機(jī)MISD(多指令流單數(shù)據(jù)流)機(jī)在執(zhí)行不同的指令流時(shí)，同一數(shù)據(jù)流通過(guò)處理機(jī)線性陣列。這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也就是所謂流水線執(zhí)行特定算法的脈動(dòng)陣列(Systolicarrays)。由卡內(nèi)基—梅隆大學(xué)的美籍華人學(xué)者H．T．Kung于1978年提出的。這一結(jié)構(gòu)是隨著VLSI技術(shù)的發(fā)展和各種大運(yùn)算量的信號(hào)/圖象處理及科學(xué)計(jì)算的運(yùn)算要求而建立起來(lái)的。例1：用脈動(dòng)陣列(Systolicarray)結(jié)構(gòu)計(jì)算矩陣乘脈動(dòng)陣列的特點(diǎn)：處理單元簡(jiǎn)單流水算法專業(yè)例2：數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)流的計(jì)算模型--試圖使并行計(jì)算的基本方面在機(jī)器層顯式化，而不利用有可能限制程序并行性的人為約束。它的想法是程序由一個(gè)基本數(shù)據(jù)依賴圖來(lái)表示；一個(gè)指令可能在獲得了它的操作數(shù)后的任意時(shí)刻被執(zhí)行，不是顯式控制線性程序列的固定組合。3.并行／向量計(jì)算機(jī)

真正的并行計(jì)算機(jī)是那些以MIMD模式執(zhí)行程序的計(jì)算機(jī)。并行計(jì)算機(jī)有兩大類，即共享存儲(chǔ)型多處理機(jī)和消息傳遞型多計(jì)算機(jī)。多處理機(jī)和多計(jì)算機(jī)之間的主要差別就在于存儲(chǔ)器共享和處理機(jī)間通信機(jī)制的不同。多處理機(jī)系統(tǒng)中的處理機(jī)通過(guò)公用存儲(chǔ)器的共享變量實(shí)現(xiàn)互相通信。多計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的每個(gè)計(jì)算機(jī)結(jié)點(diǎn)有一個(gè)與其它結(jié)點(diǎn)不共享的本地存儲(chǔ)器。處理機(jī)之間的通信通過(guò)結(jié)點(diǎn)間的消息傳遞來(lái)實(shí)現(xiàn)。顯式向量計(jì)算機(jī)指令是隨向量處理機(jī)的問(wèn)世而出現(xiàn)的。一臺(tái)向量處理機(jī)可以裝備有用硬件或固件并發(fā)控制的多條向量流水線。4.開(kāi)發(fā)層次

LionelNi的最新分類法(1990)，并行計(jì)算機(jī)的分層開(kāi)發(fā)可表示于下圖四、性能的系統(tǒng)屬性1

.時(shí)鐘頻率和CPI

主頻當(dāng)前數(shù)字計(jì)算機(jī)的CPU(或簡(jiǎn)稱處理機(jī))是由一個(gè)恒定周期(τ，以ns表示)的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)的。周期的倒數(shù)是時(shí)鐘頻率(ｆ＝1/

τ）（以MHz表示）。程序的規(guī)模是由其指令數(shù)(Ic)，也就是程序串要執(zhí)行的機(jī)器指令數(shù)來(lái)決定的。執(zhí)行不同的機(jī)器指令所需要的時(shí)鐘周期數(shù)也是不一樣的。一條指令的周期數(shù)(CPl)就成為衡量執(zhí)行每條指令所需時(shí)間的重要參數(shù)。2.性能因子執(zhí)行程序所需的CPU時(shí)間：設(shè)Ic為已知程序的指令條數(shù)。執(zhí)行程序所需的CPU時(shí)間(T，以秒/程序表示)可用三個(gè)主要因素的乘積來(lái)計(jì)算：

T＝Ic

×CPI×τ可將上式重寫(xiě)成如下形式：

T＝Ic

×(p+m×k)×τ

一種指令類型的CPI可分為完成指令所需的處理機(jī)周期數(shù)和存儲(chǔ)器周期數(shù)兩部分。完整的指令執(zhí)行過(guò)程可能包含一至四次存儲(chǔ)器訪問(wèn)(一次用于取指令，兩次用于取操作數(shù)，一次用于存儲(chǔ)結(jié)果)，這與指令的類型有關(guān)。式中的細(xì)化：p為指令譯碼和執(zhí)行所需的處理機(jī)周期數(shù);m為所需的存儲(chǔ)器訪問(wèn)次數(shù);k為存儲(chǔ)周期與處理機(jī)周期之比;Ic為指令條數(shù)，為處理機(jī)周期。3.系統(tǒng)屬性計(jì)算機(jī)系統(tǒng)屬性可以由五元組表示：(Ic，p，m，k，τ),五個(gè)量可以稱為性能因子。與四種系統(tǒng)屬性有關(guān)：指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、編譯技術(shù)、CPU實(shí)現(xiàn)和控制技術(shù)、高速緩存與存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)。4.Mips速率5.吞吐率系統(tǒng)的吞吐率:系統(tǒng)在單位時(shí)間內(nèi)能執(zhí)行多少個(gè)程序，這稱為系統(tǒng)的吞吐率(單位為程序數(shù)／秒)Ws

。在多道程序系統(tǒng)中，系統(tǒng)吞吐率常低于CPU吞吐率Wp。Wp可用下式表示：

或：Wp=(MIPS)×106／Ic

Wp的單位是程序數(shù)／秒。CPU吞吐率是根據(jù)MIPS速率和程序的平均長(zhǎng)度(Ic)來(lái)衡量機(jī)器每秒鐘能執(zhí)行多少個(gè)程序的尺度。Ws<Wp，用多道程序或分時(shí)操作在CPU上交叉執(zhí)行多個(gè)程序時(shí)，I／O、編譯器和操作系統(tǒng)產(chǎn)生的額外系統(tǒng)開(kāi)銷所造成的?？偨Y(jié)：并行的產(chǎn)生并行背景下的計(jì)算問(wèn)題串行向并行的演化并行的性能與系統(tǒng)的關(guān)系并行處理與體系結(jié)構(gòu)第一章并行計(jì)算機(jī)模型

1計(jì)算技術(shù)的現(xiàn)狀

2多處理機(jī)和多計(jì)算機(jī)

3多向量機(jī)和SIMD計(jì)算機(jī)

4并行計(jì)算機(jī)的抽象模型

5可擴(kuò)展的范圍和設(shè)計(jì)

2多處理機(jī)和多計(jì)算機(jī)一、共享存儲(chǔ)型多處理機(jī)1.UMA模型UMA

--UniformMemoryAccess

結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)：緊耦合系統(tǒng)(tightlycoupledsystem)多處理機(jī)由于高度資源共享系統(tǒng)的互連采用總線、交叉開(kāi)關(guān)、或多級(jí)網(wǎng)絡(luò)形式對(duì)稱(symmetric)多處理機(jī)當(dāng)所有處理機(jī)都能同樣訪問(wèn)所有外圍設(shè)備時(shí)。例Fortran程序可在單處理機(jī)上順序執(zhí)行，分析CPU的運(yùn)行時(shí)間，假設(shè)條件：所有數(shù)組A(I)，B(I)，C(I)都有N個(gè)元素；分析：求和Fortran程序L1:Do10I＝1，NL2:A(I)＝B(I)+C(I)L3:10ContinueL4:SUM＝0L5:Do20J＝1，NL6:SUM＝SUM+A(J)L7:20Continue假定取指令和加載數(shù)據(jù)的開(kāi)銷可以忽略不計(jì)；所有數(shù)組已經(jīng)裝人主存儲(chǔ)器，并且短程序段已經(jīng)裝入高速緩沖存儲(chǔ)器。忽略總線爭(zhēng)用或存儲(chǔ)器存取沖突問(wèn)題。再假設(shè)：

執(zhí)行代碼行L2，L4和L6，每行要用一個(gè)機(jī)器周期。執(zhí)行程序控制語(yǔ)句L1，L3，L5和L7所需的時(shí)間可以忽略。假定經(jīng)過(guò)共享存儲(chǔ)器的處理機(jī)之間的每次通信操作需要k個(gè)周期。結(jié)論：CPU用2N個(gè)周期串行程序并行化在M—處理機(jī)系統(tǒng)上執(zhí)行程序?qū)⒀h(huán)操作劃分成M段，每段有L＝N／M個(gè)元素。假設(shè)經(jīng)過(guò)共享存儲(chǔ)器的處理機(jī)之間的每次通信操作需要：k個(gè)周期。

Doall表示所有M段在M臺(tái)處理機(jī)上并行執(zhí)行Doallk＝1，MDo10I＝L(k-1)+1，kL。

A(I)＝B(I)+C(I)10Continue

SUM(k)＝0Do20J＝1，L

SUM(k)=SUM(k)+A(L(k-1)+J)20ContinueENDall分析：循環(huán)1是L個(gè)周期；循環(huán)2是L個(gè)周期總時(shí)間：2L+h(k+1)=2N/M+(k+1)log2M2.NUAM模型3.COMA模型概念：只使用高速緩存的多處理機(jī)實(shí)現(xiàn)的機(jī)器：瑞典計(jì)算機(jī)科學(xué)研究所的數(shù)據(jù)擴(kuò)散機(jī)(DDM，Hagersten等，1990)KendallSquareReserch公司的KSR—1機(jī)器(Burkhart等，1992)。特點(diǎn)：COMA模型是NUMA機(jī)的一種特例，將NUMA中分布主存儲(chǔ)器換成了高速緩存；全部高速緩沖存儲(chǔ)器組成了全局地址空間；遠(yuǎn)程高速緩存訪問(wèn)則借助于分布高速緩存目錄進(jìn)行，分級(jí)目錄往往可用來(lái)尋找高速緩存塊的副本，這與所用的互連網(wǎng)絡(luò)有關(guān)；數(shù)據(jù)的初始位置并不重要，因?yàn)樗罱K將會(huì)遷移到要用到它的地方。模型的演變：例如，高速緩存一致性非均勻存儲(chǔ)存取(CC—NUMA)模型?？梢杂梅植脊蚕泶鎯?chǔ)器和高速緩存目錄來(lái)描述。CC—NUMA模型的實(shí)例斯坦福大學(xué)的Dash系統(tǒng)(Lenosh等，1990)和麻省理工學(xué)院的Alewife系統(tǒng)(Agarwal等，1990)；這些將在后面討論。4.典型的多處理機(jī)二、分布存儲(chǔ)型多計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1.概念由多個(gè)計(jì)算機(jī)結(jié)點(diǎn)，通過(guò)消息傳遞網(wǎng)絡(luò)互相連接而成，每個(gè)結(jié)點(diǎn)是一臺(tái)由處理機(jī)、本地存儲(chǔ)器和有時(shí)接有磁盤或I／0外圍設(shè)備組成的自治的計(jì)算機(jī)。2.特點(diǎn)：消息傳遞網(wǎng)絡(luò)提供結(jié)點(diǎn)之間的點(diǎn)到點(diǎn)靜態(tài)連接傳統(tǒng)的多計(jì)算機(jī)已被稱為近地存儲(chǔ)訪問(wèn)(NORMA)機(jī)所有本地存儲(chǔ)器是私用的，而且只有本地處理機(jī)才能訪問(wèn)；私用存儲(chǔ)器逐漸在分布共享存儲(chǔ)器的多計(jì)算機(jī)中將被逐步取消。3.多計(jì)算機(jī)的換代現(xiàn)代多計(jì)算機(jī)用硬件尋徑器來(lái)傳送信息；計(jì)算機(jī)結(jié)點(diǎn)與尋徑器相連，邊界上的尋徑器與I／O和外圍設(shè)備連接；任何兩結(jié)點(diǎn)間的消息傳遞會(huì)涉及一連串的尋徑器和通道。在異構(gòu)多計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，可以有多種類型的結(jié)點(diǎn)，結(jié)點(diǎn)間的通信是通過(guò)可兼容的數(shù)據(jù)表示和消息傳遞協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)的。消息傳遞型多計(jì)算機(jī)的發(fā)展換代

第一代(1983—1987)是基于處理機(jī)板技術(shù)，采用了超立方體結(jié)構(gòu)和軟件控制的消息交換方法。加州理工學(xué)院的Cosmic和InteliPSC／1是這一代研制的代表。第二代(1988—1992)是用網(wǎng)格連接的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、硬件消息尋徑和中粒度分布計(jì)算的軟件環(huán)境實(shí)現(xiàn)的；IntelParagon和ParsysSuperNodel000可作為代表性產(chǎn)品?，F(xiàn)在面臨的第三代(1993—)預(yù)期是細(xì)粒度計(jì)算機(jī)麻省理工學(xué)院的J-Machine和加州工學(xué)院的Mosaic，VLSI片上實(shí)現(xiàn)處理機(jī)和通訊工具。

示例：IBMPOWER4體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)PowerPC64位體系結(jié)構(gòu)單芯片雙處理器，MCM八處理器集成多處理器互連接口集成I/O控制器集成L3Cache控制器集成存儲(chǔ)控制器IBMPOWER4(MCM結(jié)構(gòu))IBMPOWER4(32CPU)4.典型多計(jì)算機(jī)多計(jì)算機(jī)的可編程性取決于:高效編譯器實(shí)用高效的分布式操作系統(tǒng)實(shí)用總結(jié)：本節(jié)區(qū)分了多處理機(jī)和多計(jì)算機(jī)的主要差別和分類。

3多向量機(jī)和SIMD計(jì)算機(jī)一、向量超級(jí)計(jì)算機(jī)1.早期的超級(jí)計(jì)算機(jī)可分為：流水線向量機(jī)；SIMD計(jì)算機(jī)兩類。執(zhí)行過(guò)程：當(dāng)譯出的指令為向量操作；它將被送至向量控制器，控制器將監(jiān)督主存儲(chǔ)器與向量功能流水線之間的向量數(shù)據(jù)流，向量數(shù)據(jù)流由控制器協(xié)調(diào)控制；向量處理機(jī)則裝有若干條向量功能流水線。2.寄存器—寄存器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如1976年推出的Cray1。向量寄存器用來(lái)保存向量操作數(shù)、中間和最終的向量結(jié)果;向量功能流水線從向量寄存器檢索操作數(shù)，并將結(jié)果放入寄存器。

3.存儲(chǔ)器—存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)這種結(jié)構(gòu)比較早，與寄存器—寄存器結(jié)構(gòu)的區(qū)別就在于采用向量流水部件代替了向量寄存器。例如:二、SIMD超級(jí)計(jì)算機(jī)1.SIMD的操作模型可用五元組表示M＝<N，C，I，M，R>N為機(jī)器的處理單元(PE)數(shù)。例如，illiacIV有64個(gè)PE，而連接機(jī)(ConnectionMachine)CM—2采用65536個(gè)PE。C為由控制部件(CU)直接執(zhí)行的指令集；包括標(biāo)量和程序流控制指令。I為由CU廣播至所有PE進(jìn)行并行執(zhí)行的指令集；它包括算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、數(shù)據(jù)尋徑、屏蔽以及其它由每個(gè)活動(dòng)的PE對(duì)它的數(shù)據(jù)所執(zhí)行的局部操作。M為屏蔽方案集其中每種屏蔽將PE集劃分為允許操作和禁止操作兩種子集。R是數(shù)據(jù)尋徑功能集說(shuō)明互連網(wǎng)絡(luò)中PE間通信所需要的各種設(shè)置模式。示例：描述具體的SIMD機(jī)器MasParMP—1計(jì)算機(jī)的操作特性--五元組特性：MP—1是一種SIMD機(jī)器，其PE數(shù)N＝1024