А.Н. Томилин - Вычислительные системы (2006), страница 8

Не 1 Мфлопс, а 1 MIPS. Что касаетсяМфлопс, то было 0,3 Мфлопс, поскольку всегда при выполнении разных счётных вычислительных задач, количество операций +, −, ×, ÷ составляет приблизительно 30% от общегочисла операций (статистика такая по Вычислительному центру: ± — 16%, × — 15%, ÷ —1-2%, всё остальное — обслуживающие операции). В среднем команда выполняется за 1 мкс.Итак, мы закончили выполнение одной команды, у нас уже готова вторая команды. Мы еёобрабатываем в устройстве управления, снова надо брать операнд (операнд для второй команды), и, собственно, выполнение операции в АЛУ. Теперь всё складываем: 8,6 мкс.

В машине, которая учитывает параллелизм, это будет 2 мкс, но поскольку КПД 80%, значит, будет немного больше, чем 2 мкс. В любом случае, соотношение примерно 4 : 1 только за счётструктурного параллелизма.Давайте чуть-чуть поиграемся вот в каком варианте: я буду с памятью параллелить работу УУ и АЛУ, саму память параллелить не буду. Дело в том, что, вообще говоря, цикл памяти даже и сейчас в интегральных схемах имеет 2 части. Если мы имеем в виду считываниеоперанда, сам операнд появляется при запуске некоторых блоков памяти, где нужно взятьэтот операнд, несколько раньше, чем заканчивается цикл. Вот память на магнитных сердечниках (маленькие ферритовые колечки, диаметром порядка десятых долей миллиметров, через которые проходили провода для записи, для считывания, для регенерации) — за 1 мкспроисходило считывание командного слова.

При этом разрушалось состояние намагниченности сердечников, и с некоторого промежуточного регистра он снова записывался, на чтотребовалась ещё 1 мкс. Короче говоря, через 1 мкс появлялись 2 команды. Можно было запускать УУ. Вот оно начало свой цикл 0,3 мкс. И дальше оно уже знает, где нужно братьоперанд. Но так как память у нас не запараллелена, то мы ждём. Запускаем цикл считыванияоперанда. Но операнд приходит быстрее — за 1 мкс.

Раз он пришёл, мы можем начать работу АЛУ. Таким образом, следующая команда у нас есть, и можно было бы её запустить параллельно после выбора первого операнда.2 мксОП:УУ:12 мкс12 команды0,312 мкс1операнд 10,31операнд 21 мксАЛУ:2111 мксНо всё равно понадобится второй операнд. Что у нас получилось? Я запараллелил работу памяти, но внутри памяти не запараллелил работу отдельных блоков, а также УУ иАЛУ. Я получил 6 мкс. Грубо говоря, здесь 3 : 1. Здесь всё-таки ясно, что нужно обязательноиметь интерливинг памяти и устройства промежуточного хранения информации между основными устройствами. Вот какое значение имеет структурный параллелизм.На счёт феррита вспоминается 2 интересных случая.

Приезжали к нам американцы, нуи в Институте точной механики и вычислительной техники им показывали ферритовые сердечники. Американцы ходили, смотрели: «Да, очень интересно!» И рукой незаметно облокачивались, рука жирная — сердечники прилипали, и так незаметно в карманчик. Кстати, наши тоже самое делали, когда к ним ездили.

Понимаете в чём дело, психологический моментздесь тоже важен.Вот ещё один такой случай. Дело было в государственном масштабе. Мы с вами в скорости будем рассматривать машину Эльбрус-2. В MIPS, учитывая многопроцессорность, еёпроизводительность порядка 100 миллионов операций в секунду (100 MIPS). И вот, эта машина планировалась в дальнейшем, но ещё далеко было до отработки полностью структурной схемы. Так вот в печати (сначала в «Московской правде», потом в «Правде») было написано, что уже поставлено на поточное производство. Т.е.

ну чистейший обман! Сначала были «термины Бурцева», потом статья в «Правде». Это было сделано совершенно сознательно.В конечном счете, машина появилась, но далеко не в то время, когда было объявлено. Ну идругие подобного рода были дезинформации. Они привели к тому, что действительно американцы как-то ощутили, что хорошая разработка, значит будут иметь русские (СоветскийСоюз) машины. Раз будут иметь машины, значит всё: и расчёт ядерных вещей, бомбы, самолёты, ракеты. И это привело к определённому соглашению в области вооруженных сил.Американцы огромный доклад представили правительству и президенту на предмет срочного выделения огромного количества средств на дальнейшее развитее вычислительных систем в интересах конкурентной способности и безопасности Америки.

Т.е. это всё было неслучайным. Это сознательное было решение высших инстанций поместить вот такую существенно опережающую на несколько лет информацию.Итак, мы с вами рассмотрели параллелизм работы, а сейчас попытались его ярко себепредставить «что было, если бы не было». Получается так: память запараллелена, осталосьзапараллелить два других основных устройства машины, т.е. арифметико-логическое устройство и устройство управления. Первая часть получилась, прежде, конечно, столько,сколько нужно увеличилась параллельность работы блоков памяти. Распараллелим АЛУ —потребуется больше операндов в единицу времени, больший поток записывания результатов.Поэтому, конечно, это тоже будет с этим сопрягаться.

Главное, что усилия пошли на распараллеливание работы арифметико-логического устройства. Что касается устройства управления — это очень сложно распараллелить. Только что мы с вами говорили об условном переходе, что команды условного перехода можно как-то ловить, но не всё так просто. Т.е.распараллелить работу УУ очень сложно, разве что сделать несколько (увеличение объёмааппаратуры — само собой, но миниатюризировались схемы, дешевели, и увеличение объёмастало вполне разумным). Можно взять несколько ветвей программы, если быть уверенными,что они независимы (выполняются над независимыми данными) и запустить на разных УУ.Но это не так активно в мире развивалось, и мы это не будем затрагивать. А вот АЛУ напрашивалось его распараллелить.Параллелизм работы АЛУРаспараллеливание АЛУ напрашивалось по двум направлениям. Первое — разбить егона несколько функциональных устройств (ФУ).

Тогда и появилось название «функциональные устройства», т.е. выполняющие отдельные функции или операции, отдельные операциии группы операций. Например, устройство «сложитель/вычитатель» (понятно, что это родственные операции полностью), устройство «умножитель», устройство «делитель», устройства22логических операций (конъюнкция, дизъюнкция). Универсальное арифметико-логическоеустройство, где схемы позволяли выполнять много разных операций, развели.Каждое устройство стало попроще, но эти устройства можно запустить параллельно,если операции на них будут выполняться с независимыми данными.

Если у вас выполняетсяоперация сложения и получается результат, и он используется в следующей операции умножения, то, конечно, следующая операция выполняться не может до тех пор, пока не закончится операция сложения. А если операция умножения работает с данными, не связанными срезультатом предыдущей операции сложения, то пожалуйста — очень хорошо.И вот появилось разделение на отдельные функциональные устройства. Итак, АЛУразбивается на отдельные функциональные устройства (ФУ).ФУ(±)ФУ(×)ФУ(÷)АЛУ...Этот шаг постепенно прививался в разработке вычислительных машин.

В начале 70-хгодов активно пошла серия машин CDC 6ххх (Control Data Corporation). И уже в старшихмоделях этого ряда стало это введение появляться: стал выделяться сложитель/вычитатель,умножитель и делитель.Ещё раз про фирму Control Data Corporation (CDC): мы говорили и о том, что в Советском Союзе организацией, которая разрабатывала самые высокопроизводительные машины,был Институт точной механики и вычислительной техники.

В Америке тоже: фирма IBM —это была фирма, производящая огромное количество машин на весь мир, но были и фирмыгранты. Самый грант был Control Data Corporation. И не удивительно, главный конструкторэтой фирмы был Сеймур Крэй до того момента, пока он сам не выделился и организовалфирму Cray Research, и в 1976 году вышла машина Cray-1. С этого момента началась эра суперкомпьютеров (появилось это название). На самом деле, эта машина позволяла осуществлять при двух конвейерах существенно больше, чем 100 миллионов операций в секунду(машина CDC 6000 — всего несколько миллионов операций в секунду) во многом за счётвот этого параллелизма: разбиения на многие функциональные устройства.

Считается, чтоименно машина Cray и олицетворила, полностью реализовывала подход разбиения на множество функциональных устройств, объединяемых в различные группы — это был первыйшаг. И второй: была достигнута конвейерность выполнения операций в каждом из этихфункциональных устройств.Если мы будем рисовать схему, будем говорить о некоем вертикальном параллелизме,а именно параллелизме работы ФУ, и горизонтальном параллелизме выполнения операций вкаждом из этих устройств в конвейерном режиме.

Всё это дало весьма большой выигрышпроизводительности. Это следующий этап развития параллелизма — параллелизм выполнения операций. На БЭСМ-6 мы с вами отметили в конце нашего рассмотрения активно реализованный конвейер команд, то здесь мы с вами увидим конвейеры (их много) в самих функциональных устройствах. Так что такие гранты были.

Ещё к грантам можно отнести машиныфирмы Boroughs. А рабочими лошадками были фирмы IBM, DEC (Digital Equipment Corporation), целый ряд других фирм. Таких машин выпускалось не так много, но они все были самой высокой производительности.Второе, о чём будет разговор — это о конвейере. Сейчас эти компоненты с вами проговариваем, а потом посмотрим саму структурную схему машины Cray, увидим там достоинства и недостатки, и посмотрим, каковы же были решения, преодолевающие эти недостатки.Ученики и последователи Сеймура Крэя, которые остались в фирме Control Data Corporation, сделали машину Cyber 205.