Bài giảng Tính toán song song - Chương 1: Các kiến trúc song song - Ngô Văn Thanh

TS. Ngô Văn Thanh, Viện Vật lý. Chuyên ngành : Công nghệ thông tin.  Michael J. Quinn. Parallel Computing, theory and practice, 2nd edition. Oregon State University, USA. McGraw Hill Inc.  Dimitri P. Bertsekas and John N. Tsitsiklis. Parallel and Distributed Computation, Numerical Methods. Massachusets Institute of Technology. Prentice Hall Press.  Enrico P. The lecture notes on Parallel Computing (CS 491). Computer Science Dept. New Mexico State University, USA. Spring 2004.  Thomas H. Cormen, Charles E. Leiserson, Ronald L. Rivest and Clifford Strein. Introduction to Algorithms, 2nd edition. Massachusets Institute of Technology. The MIT Press.  David A. Patterson and John L. Hennessy. Computer Organization & Design, the hardware/software interface, 2nd edition. Stanford University & University of California at Berkeley, 2002.  Charles Leiserson. The lecture notes on Theory of Parallel Systems. Massachusets Institute of Technology, Open Course Ware. www.ocw.mit.edu  Michel Cosnard & Denis Trystram, Parallel Algorithms and Architectures. International Thomson Computer Press. 1995. @2009, Ngô Văn Thanh - Viện Vật Lý Chương 1: Các kiến trúc song song 1.1 Tổng quan về tính toán song song 1.2 Các kiến trúc song song đồng bộ 1.2.1 Máy tính một dòng lệnh, một dòng dữ liệu (SISD) 1.2.2 Máy tính một dòng lệnh, nhiều dòng dữ liệu (SIMD) 1.2.3 Máy tính vector. 1.3 Các kiến trúc song song không đồng bộ 1.3.1 Máy tính nhiều dòng lệnh, một dòng dữ liệu (MISD hay Reduction). 1.3.2 Máy tính nhiều dòng lệnh, nhiều dòng dữ liệu (MIMD) 1.4 Tổ chức các bộ vi xử lý 1.5 Các mảng bộ vi xử lý (processor arrays). 1.6 Máy tính nhiều bộ vi xử lý (multiprocessor) 1.6.1 Nhiều bộ vi xử lý truy cập bộ nhớ đồng bộ (Uniform Memory Access Multiprocessors). 1.6.2 Nhiều bộ vi xử lý truy cập bộ nhớ không đồng bộ (Non Uniform Memory Access) 1.7 Hệ thống nhiều máy tính (Multicomputers). 1.8 Giới thiệu về máy tính CM-200 (Connection Machine 200 by Thinking Machine Corp). @2009, Ngô Văn Thanh - Viện Vật Lý Chương 1: Các kiến trúc song song 1.1 Tổng quan về tính toán song song Hạn chế của máy tính  Tốc độ của bộ vi xử lý của máy tính (processor).  Dung lượng của bộ nhớ RAM.  Giải quyết những bài toán lớn mất nhiều thời gian. Tính toán song song  Phần cứng:  Siêu máy tính: SIMD, MIMD máy tính có nhiều bộ vi xử lý (multi-processor), có nhiều lõi trong một bộ vi xử lý (multi-core).  Cụm máy tính (cluster): kết nối các máy tính PC với nhau tạo thành cụm máy tính, các máy tính giao tiếp với nhau thông qua mạng.  Máy tính ảo song song (PVM = parallel vitual machine): Chia một CPU thành nhiều CPU ảo mà nó có khả năng hoạt động tương tự như các CPU thực thụ. @2009, Ngô Văn Thanh - Viện Vật Lý  Phần mềm lập trình (C/C++ và Fortran):  OpenMP : chỉ hoạt động trên hệ máy tính chia sẻ bộ nhớ (shared memory), có kiến trúc kiểu SIMD.  MPI (message passing interface): thực hiện các câu lệnh song song trên các CPU khác nhau bằng giao thức gửi và nhận các thông điệp.  High performance (HPF/HPC): tính toán song song giữa các phần tử của các mảng dữ liệu. Hay nói cách khác, các mảng dữ liệu được phân bố trên các CPU khác nhau (Data distribution). MPI và HPF/HPC đều có thể sử dụng trên cả máy tính multi-processor (SIMD /MIMD), cụm máy tính và cả trên máy tính ảo song song.  Thuật toán song song  Thuật toán song song nhân hai ma trận.  Thuật toán sắp xếp.  Thuật toán song song tìm kiếm tổ hợp. @2009, Ngô Văn Thanh - Viện Vật Lý 1.2 Các kiến trúc song song đồng bộ 1.2.1 Máy tính một dòng lệnh, một dòng dữ liệu (SISD - Single Instruction - Single Data)  Máy tính tuần tự (scalar computer): chỉ thực hiện một chỉ thị (một dòng lệnh) trong mỗi chu trình.  Ví dụ về phép tính cộng hai số a và b: cần phải thực hiện 5 chu trình.  Trong thực tế thì mỗi một chu trình được kết hợp bởi nhiều chu trình con.  Máy tính loại SISD là máy tính PC thông thường, chỉ có duy nhất một bộ vi xử lý. Không có cấu trúc song song và cũng không có dữ liệu song song. Nhận chỉ thị Đọc giá trị a Đọc giá trị b Tính a+b Ghi kết quả @2009, Ngô Văn Thanh - Viện Vật Lý  Kênh tuyến (pipeline): chia các bước tính khác nhau thành các đơn vị chức năng để đưa ra kết quả trung gian.  Bộ vi xử lý được tạo bởi nhiều kênh tuyến được gọi là máy tính siêu tuần tự (superscalar computer) Đọc lệnh Đọc lệnh Thời gian Đọc giá trị a Đọc giá trị b Đọc lệnh Đọc lệnh Đọc lệnh Đọc giá trị a Đọc giá trị b Đọc giá trị a Đọc giá trị b Đọc giá trị a Tính a+b Ghi kết quả Tính a+b Chu trình @2009, Ngô Văn Thanh - Viện Vật Lý  Kỹ thuật kênh tuyến:  Ví dụ về 5 phép tính cộng hai số ai và bi: cần phải thực hiện 9 chu trình.  Ưu điểm: tăng tốc độ xử lý dữ liệu  Nhược điểm: Chỉ hoạt động tốt cho một số kiểu dữ liệu đặc thù Cấu trúc bộ vi xử lý phức tạp Khó điểu khiển. CT1 CT2 CT3 CT4 CT5 CT6 CT7 CT8 CT9 Lệnh 1 Đọc lệnh Đọc số a1 Đọc số b1 Tính a1+b1 Ghi kết quả Lệnh 2 Đọc lệnh Đọc số a2 Đọc số b2 Tính a2+b2 Ghi kết quả Lệnh 3 Đọc lệnh Đọc số a3 Đọc số b3 Tính a3+b3 Ghi kết quả Lệnh 4 Đọc lệnh Đọc số a4 Đọc số b4 Tính a4+b4 Ghi kết quả Lệnh 5 Đọc lệnh Đọc số a5 Đọc số b5 Tính a5+b5 Ghi kết quả @2009, Ngô Văn Thanh - Viện Vật Lý 1.2.2 Máy tính một dòng lệnh, nhiều dòng dữ liệu (SIMD - Single Instruction - Multiple Data)  Đối với các bộ dữ liệu lớn, các tính toán số thường được thực hiện với cùng một phép tính với các dữ liệu khác nhau.  SIMD: có thể cùng thực hiện cùng một dòng lệnh trên nhiều phần dữ liệu khác nhau.  Các bài toán sử dụng trên hệ SIMD cần phải được vector hóa.  Máy tính vector được sử dụng hết sức rộng rãi trong các lĩnh vực tính toán hiệu năng cao. Tuy nhiên , các máy tính vector có cấu trúc rất phức tạp và giá thành cao. @2009, Ngô Văn Thanh - Viện Vật Lý SIMD – own local memory @2009, Ngô Văn Thanh - Viện Vật Lý Các bộ vi xử lý truyền dữ liệu cho nhau qua module nhớ @2009, Ngô Văn Thanh - Viện Vật Lý 1.2.3 Máy tính vector  Một máy tính vector bao gồm một bộ tính toán vô hướng bình thường dùng kỹ thuật kênh tuyến và một bộ làm tính vector .  Bộ tính toán vô hướng, giống như bộ xử lý dùng kỹ thuật ống dẫn, thực hiện các phép tính vô hướng, còn bộ làm tính vector thực hiện các phép tính vector.  Đa số các máy tính vector cho phép làm các phép tính trên vector số nguyên, vector số lẻ và vector số logic (số Boolean).  Có 2 kiểu kiến trúc máy tính vector :  Kiểu vector ô nhớ - ô nhớ: các phép tính vector được thực hiện trong bộ nhớ  Kiểu thanh ghi: máy tính có nhiều thanh ghi, mỗi thanh ghi có nhiều vector  Máy CRAY-2 (1995) có 8 thanh ghi vector, mỗi thanh ghi có thể chứa 64 vector , mỗi vector có chiều dài 64 bit. @2009, Ngô Văn Thanh - Viện Vật Lý 1.3 Các kiến trúc song song không đồng bộ 1.3.1 Máy tính nhiều dòng lệnh, một dòng dữ liệu (MISD - Multiple Instruction - Single Data)  Bộ vi xử lý thực hiện nhiều câu lệnh khác nhau trên cùng một dòng dữ liệu.  Loại máy tính này không phổ biến, nó chỉ được thiết kế chế tạo cho những nhu cầu đặc biệt. @2009, Ngô Văn Thanh - Viện Vật Lý 1.3.2 Máy tính nhiều dòng lệnh, nhiều dòng dữ liệu (MIMD - Multiple Instruction - Multiple Data)  Các máy tính có từ 2 CPU hoặc nhiều hơn 2 lõi trên một CPU được gọi là MIMD.  Các bộ vi xử lý thực hiện nhiều câu lệnh khác nhau trên các tập dữ liệu khác nhau. @2009, Ngô Văn Thanh - Viện Vật Lý  Shared memory Message Passing @2009, Ngô Văn Thanh - Viện Vật Lý 1.4 Tổ chức các bộ vi xử lý  Bộ xử lý được chia chủ yếu thành hai bộ phận: Phần điều khiển và phần đường đi của dữ liệu. Đường đi của dữ liệu  Các bộ phận:  Bộ phận làm tính và luận lý (ALU: Arithmetic and Logic Unit).  Các mạch dịch.  Các thanh ghi: thanh ghi trạng thái, thanh ghi chương trình  Các đường kết nối các bộ phận trên với nhau.  Bộ đa hợp: nối các kênh dữ liệu với CPU và bộ nhớ.  Nhiệm vụ:  Đọc các toán hạng từ các thanh ghi tổng quát  Thực hiện các phép tính trên toán hạng này trong bộ làm tính và luận lý ALU  Lưu trữ kết quả trong các thanh ghi tổng quát. @2009, Ngô Văn Thanh - Viện Vật Lý Phần điều khiển:  Bộ điều khiển tạo các tín hiệu điều khiển di chuyển số liệu, điểu khiển các tác vụ như đọc và ghi dữ liệu lên bộ nhớ. Bộ điều khiển mạch điện tử: đơn giản và hữu hiệu khi các lệnh có chiều dài cố định, có dạng thức đơn giản. @2009, Ngô Văn Thanh - Viện Vật Lý Bộ điều khiển vi chương trình: điều khiển các tác vụ của một lệnh mã máy được thực hiện bằng một chuỗi các vi lệnh.  Mỗi một vi chương trình được xử lý bởi một vi máy tính nằm bên trong bộ điều khiển.  Bộ xử lý này có thể xử lý các tập lệnh phức tạp mà các lệnh đó có chiều dài khác nhau. @2009, Ngô Văn Thanh - Viện Vật Lý 1.5 Các mảng bộ vi xử lý (processor arrays).  Thuộc kiểu kiến trúc SIMD.  Các bộ vi xử lý được phân bố dưới dạng mảng một chiều hoặc hai chiều.  Mỗi một bộ vi xử lý có truy cập với bộ nhớ nội bộ. Chỉ giao tiếp dữ liệu với các bộ vi xử lý lân cận thông qua kết nối mạng.  Tất cả các bộ vi xử lý có thể thực hiện đồng thời một câu lệnh. @2009, Ngô Văn Thanh - Viện Vật Lý 1.6 Máy tính nhiều bộ vi xử lý (multiprocessor).  Máy tính nhiều bộ vi xử lý có ít nhất là 2 bộ vi xử lý được kết nối với nhau để có thể thực hiện đồng thời các công việc khác nhau.  Phân loại theo kiểu giao tiếp:  Nhiều bộ vi xử lý (2-256)  Nhiều máy tính (8-256)  Phân loại theo kiểu kết nối vật lý:  Kết nối trên Bus (2-32)  Kết nối qua mạng (8-256)  Phân loại kiểu Flynn: phân loại theo khả năng xử lý các câu lệnh và dữ liệu  Máy tính một dòng lệnh, một dòng dữ liệu (SISD)  Máy tính một dòng lệnh, nhiều dòng dữ liệu (SIMD)  Máy tính nhiều dòng lệnh, một dòng dữ liệu (MISD)  Máy tính nhiều dòng lệnh, nhiều dòng dữ liệu (MIMD) @2009, Ngô Văn Thanh - Viện Vật Lý Kết nối trên một bus @2009, Ngô Văn Thanh - Viện Vật Lý Kết nối đầy đủ trên nhiều bus @2009, Ngô Văn Thanh - Viện Vật Lý Kết nối đơn trên nhiều bus @2009, Ngô Văn Thanh - Viện Vật Lý Kết nối từng phần trên nhiều bus @2009, Ngô Văn Thanh - Viện Vật Lý Kết nối phân lớp @2009, Ngô Văn Thanh - Viện Vật Lý 1.6.1. Nhiều bộ vi xử lý truy cập bộ nhớ đồng bộ (Uniform Memory Access Multiprocessors).  Máy tính có kiến trúc kiểu MIMD với một bộ nhớ chia sẻ (shared memory).  Bao gồm các bộ vi xử lý độc lập với nhau.  Tất cả các bộ vi xử lý đều có thể truy cập đến bộ nhớ chung, thời gian truy cập đến bộ nhớ của các bộ vi xử lý là như nhau.  Mỗi một bộ vi xử lý có thể có các thanh ghi, bộ đệm, bộ nhớ riêng của mình.  Các bộ vi xử lý kết nối với nhau thông qua kiểu kết nối mạng (interconnection network),  kết nối kiểu một Bus  kết nối kiểu nhiều Bus  Kết nối kiểu thanh ngang  Kết nối kiểu bộ nhớ đa cổng  Nhược điểm: gặp khó khăn trong việc nâng cấp bộ nhớ khi giải quyết các bài toán lớn. @2009, Ngô Văn Thanh - Viện Vật Lý 1.6.2 Nhiều bộ vi xử lý truy cập bộ nhớ không đồng bộ (Non Uniform Memory Access Multiprocessors).  Tương tự như kiến trúc nhiều bộ vi xử lý truy cập bộ nhớ đồng bộ.  Mỗi một bộ vi xử lý được gắn với một bộ nhớ riêng.  Ưu điểm: tăng tốc độ truy cập vao bộ nhớ.  Nhược điểm: thời gian giao tiếp giữa các bộ vi xử lý phụ thuộc vào tốc độ truyền qua mạng @2009, Ngô Văn Thanh - Viện Vật Lý 1.7 Hệ thống nhiều máy tính (Multicomputers)  Hệ thống cluster: các máy tính độc lập được kết nối với nhau thông qua một hệ thống kết nối tốc độ cao.  Mỗi máy tính trong hệ cluster được gọi là một node.  Các máy tính độc lập có thể là các máy PC thông thường có một hoặc nhiều bộ vi xử lý.  Hệ thống kết nối các máy tính với nhau dạng mạng LAN bằng cáp thường hoặc cáp quang.  Hệ thống cluster có các ưu điểm:  Tốc độ cao: Với sự hỗ trợ của các phần mềm tính toán song song, cluster có khả năng xử lý mạnh hơn bất cứ một máy tính đơn lẻ nào.  Dễ nâng cấp: có thể nâng cấp cho từng node hoặc thêm các node.  Độ tin cậy cao: Hệ thống vẫn hoạt động ổn định khi có một nút (node) trong hệ thống bị hư hỏng.  Giá thành thấp: vì cluster được kết nối bởi các máy tính PC thông thường. @2009, Ngô Văn Thanh - Viện Vật Lý 1.7 Hệ thống nhiều máy tính (Multicomputers)  Hệ thống cluster: các máy tính độc lập được kết nối với nhau thông qua một hệ thống kết nối tốc độ cao.  Mỗi máy tính trong hệ cluster được gọi là một node.  Các máy tính độc lập có thể là các máy PC thông thường có một hoặc nhiều bộ vi xử lý.  Hệ thống kết nối các máy tính với nhau dạng mạng LAN bằng cáp thường hoặc cáp quang.  Hệ thống cluster có các ưu điểm:  Tốc độ cao: Với sự hỗ trợ của các phần mềm tính toán song song, cluster có khả năng xử lý mạnh hơn bất cứ một máy tính đơn lẻ nào.  Dễ nâng cấp: có thể nâng cấp cho từng node hoặc thêm các node.  Độ tin cậy cao: Hệ thống vẫn hoạt động ổn định khi có một nút (node) trong hệ thống bị hư hỏng.  Giá thành thấp: vì cluster được kết nối bởi các máy tính PC thông thường. @2009, Ngô Văn Thanh - Viện Vật Lý 1.8 Giới thiệu về máy tính CM-200 (Connection Machine 200 by Thinking Machine Corp).  Ra đời vào năm 1987, kết thúc vào năm 1991.  Thuộc kiểu kiến trúc SIMD.  Số processor: 2048  65536  Tốc độ lý thuyết: 31 Gflop/s @2009, Ngô Văn Thanh - Viện Vật Lý @2009, Ngô Văn Thanh - Viện Vật Lý @2009, Ngô Văn Thanh - Viện Vật Lý