Параллельные вычисления

Мир параллельных вычислений

Первый вопрос, на который следует дать ответ, - какие вычисления программы на компьютере следует называть параллельными. Но это не единственный вопрос, на который хотелось бы получить ответ. Не менее важно понять, зачем вообще переходить из простого, хорошо знакомого, понятного мира последовательных вычислений к сложному для понимания миру параллельных вычислений. Какие преимущества есть у параллельных вычислений, и какие проблемы ждут программиста при создании программ, ориентированных на параллельные вычисления. Чтобы ответить на эти вопросы, давайте совершим небольшой экскурс в историю развития компьютеров.

Первые компьютеры были построены в соответствии с принципами, сформулированными Фон-Нейманом. Они имели три главных компонента - память, процессор и некоторый набор внешних устройств, обеспечивающих ввод и вывод информации.

Память была многоуровневой и для первых компьютеров содержала внешнюю память и внутреннюю память - оперативную и регистровую. Внешняя память (на магнитных лентах, перфокартах, дисках) позволяла сохранять программы и данные вне зависимости от того, включен компьютер или нет. Внутренняя память хранила информацию только на период сеанса работы с компьютером. При отключении компьютера содержимое внутренней памяти исчезало.

Для того чтобы программа могла быть выполнена на компьютере, она должна была быть загружена в оперативную память. Хранилась она там точно также как и данные, обрабатываемые этой программой. Принцип хранимой в памяти программы - один из главных принципов Фон-Неймановских компьютеров.

Регистровая память использовалась в момент выполнения вычислений. Прежде, чем выполнить некоторую операцию над данными, данные должны быть размещены на регистрах. Этот самый быстрый вид памяти обеспечивал необходимое быстродействие при выполнении операций над данными.

Выполнение всех операций - операций над данными и операций по управлению процессом вычислений - осуществлял процессор. Процессор компьютера обладал определенным набором команд. Этот набор был достаточно универсальным, чтобы вычислить любую потенциально вычислимую функцию. С другой стороны этот набор обеспечивал относительную простоту написания программ человеком.

Программы для первых компьютеров представляли последовательность команд, входящих в допустимый набор команд процессора. Выполнение программы на компьютере осуществлялось достаточно просто. В каждый момент времени на компьютере выполнялась одна программа. Процессор, в соответствии с программой, последовательно выполнял одну команду за другой. Все ресурсы компьютера - память, время процессора, все устройства - были в полном распоряжении программы, и ничто не могло вмешаться в ее работу (не считая конечно человека). Параллелизма не было и в помине.

Такая идиллия продолжалась недолго по причине неэффективного использования ресурсов крайне дорогих в те времена компьютеров. Компьютеры тогда не выключались, - одна программа сменяла другую.

Достаточно скоро у компьютера наряду с процессором, который стал называться центральным процессором, появились дополнительные процессоры, в первую очередь специализированные процессоры устройств ввода-вывода информации, отвечающие за выполнение наиболее медленных команд. Это дало возможность организации пакетного режима выполнения программ, когда на компьютере одновременно выполнялись несколько программ - одна программа могла печатать результаты работы, другая - выполняться, третья - вводить необходимые ей данные, например с магнитной ленты или другого внешнего носителя.

Революционным шагом было появление в 1964 году операционной системы фирмы IBM - OS 360. Появившаяся у компьютера операционная система стала его полновластным хозяином - распорядителем всех его ресурсов. Теперь программа пользователя могла быть выполнена только под управлением операционной системы. Операционная система позволяла решить две важные задачи - с одной стороны обеспечить необходимый сервис всем программам, одновременно выполняемым на компьютере, с другой - эффективно использовать и распределять существующие ресурсы между программами, претендующими на эти ресурсы. Появление операционных систем привело к переходу от однопрограммного режима работы к мультипрограммному, когда на одном компьютере одновременно выполняются несколько программ. Мультипрограммирование это еще не параллельное программирование, но это шаг в направлении параллельных вычислений.

Заметим, что наличие у компьютера нескольких процессоров является необходимым условием для мультипрограммирования. Существование операционной системы, организующей взаимную работу процессоров, достаточно для реализации мультипрограммирования. Для параллельных вычислений накладывается дополнительное требование - это требование к самой программе, - программа должна допускать возможность распараллеливания вычислений.

Появление операционной системы означало, что компьютер нельзя рассматривать только как "железо" (память, процессоры, другие устройства). Теперь у него две составляющие - хард (hard) и софт (soft) - аппаратная и программная составляющие, взаимно дополняющие друг друга. За полвека существования компьютеров оба компонента стремительно развивались.

Для аппаратуры характерен экспоненциальный рост, что нашло отражение в известном эмпирическом законе Мура, - экспоненциально росли все важнейшие характеристики - объем памяти на всех уровнях, уменьшение времени доступа к памяти, быстродействие процессоров. Согласно закону Мура (Гордон Мур - один из основателей фирмы Intel) каждые полтора года значения характеристик увеличивались вдвое. Росло и число процессоров, включаемых в состав компьютера. Изменялась и архитектура компьютера. Эти изменения во многом были шагами в сторону распараллеливания вычислений. Вот лишь некоторые изменения в архитектуре процессоров, связанные непосредственно с процессом распараллеливания:

• Конвейерная обработка команд. Процесс выполнения потока команд процессором уже не рассматривался как последовательное выполнение команды за командой. Обработка потока команд выполнялась на конвейере, так что сразу несколько команд готовились к выполнению. При конвейерной обработке команды, не связанные между собой по данным, могли выполняться одновременно, что является уже настоящим параллелизмом.
• "Длинные команды". Архитектура некоторых компьютеров включала несколько процессоров, позволяющих выполнять логические и арифметические операции над целыми числами, несколько процессоров, выполняющих операции над числами с плавающей точкой. Длинная команда позволяла указать в одной команде действия, которые должен выполнить каждый из существующих процессоров. Опять таки, это позволяло реализовать параллелизм на аппаратном уровне.
• Векторные и матричные процессоры. В набор команд таких процессоров включаются базисные операции над векторами и матрицами. Одной командой, например, можно сложить две матрицы. Такая команда фактически реализует параллельные вычисления. Приложения, где эти операции составляют основу обработки данных, широко распространены. Реализуемая аппаратно параллельная обработка данных позволяет существенно повысить эффективность работы приложений этого класса.
• Графические процессоры. Еще одним важным видом приложений, где на аппаратном уровне происходит параллельное выполнение, являются приложения, интенсивно работающие с графическими изображениями. Эту обработку осуществляют графические процессоры. Графическое изображение можно рассматривать как набор точек. Обработка изображения зачастую сводится к выполнению одной и той же операции над всеми точками. Распараллеливание по данным легко реализуется в такой ситуации. Поэтому графические процессоры давно уже стали многоядерными, что позволяет распараллелить обработку и эффективно обрабатывать изображение.
• Суперкомпьютеры. К суперкомпьютерам относят компьютеры с максимальными характеристиками производительности на данный момент. В их состав входят сотни тысяч процессоров. Эффективное использование суперкомпьютеров предполагает самое широкое распараллеливание вычислений.

В научных исследованиях и в новых технологиях всегда есть задачи, которым требуется вся мощь существующих вычислительных комплексов. Научный потенциал страны во многом определяется существованием у нее суперкомпьютеров. Понятие суперкомпьютера это относительное понятие. Характеристики суперкомпьютера десятилетней давности сегодня соответствуют характеристикам рядового компьютера. Сегодняшние суперкомпьютеры имеют производительность, измеряемую в петафлопсах (10¹⁵ операций с плавающей точкой в секунду). К 2020 году ожидается, что производительность суперкомпьютеров повысится в 1000 раз и будет измеряться в экзафлопсах.

Классификация компьютеров

Мир компьютеров многообразен, начиная от миниатюрных встроенных компьютеров до многотонных суперкомпьютеров, занимающих отдельные здания. Классифицировать их можно по-разному. Рассмотрим одну из первых и простейших классификаций - классификацию Флинна, основанную на том, как устроена в компьютере обработка данных. Согласно этой классификации все компьютеры (вычислительные комплексы) можно разделить на четыре класса - компьютеры с архитектурой:

• SISD (Single Instruction stream - Single Data stream) - одиночный поток команд - одиночный поток данных. К этому классу относятся обычные "последовательные" компьютеры с фон-Неймановской архитектурой, когда команды программы выполняются последовательно, обрабатывая очередной элемент данных.
• SIMD (Single Instruction stream - Multiple Data stream) - одиночный поток команд - множественный поток данных. К этому типу относятся компьютеры с векторными и матричными процессорами.
• MISD (Multiple Instruction stream - Single Data stream) - множественный поток команд - одиночный поток данных. К этому типу можно отнести компьютеры с конвейерным типом обработки данных. Однако, многие полагают, что такие компьютеры следует относить к первому типу, а компьютеры класса MISD пока не созданы.
• MIMD (Multiple Instruction stream - Multiple Data stream) - множественный поток команд - множественный поток данных. Класс MIMD чрезвычайно широк и в настоящее время в него попадают многие компьютеры достаточно разной архитектуры. Поэтому предлагаются другие классификации, позволяющие более точно классифицировать компьютеры, входящие в класс MIMD.

Мы не будем рассматривать подробную классификацию компьютеров класса MIMD. Остановимся только на другом способе разделения компьютеров на три класса:

• Мультипроцессорные вычислительные комплексы - это компьютеры, обладающие множеством процессоров, работающих на общей памяти. В этот класс входит большинство продаваемых сегодня на рынке многоядерных компьютеров.
• Мультикомпьютерные вычислительные комплексы - представляют множество компьютеров, соединенных высокоскоростными линиями связи. Каждый компьютер обладает собственной памятью и обменивается сообщениями с другими компьютерами системы для передачи данных. В этот класс входят кластеры. Под кластером понимается вычислительный комплекс, рассматриваемый как единое целое, с некоторым выделенным компьютером, играющим роль сервера. Поскольку компьютеры, входящие в состав кластера, могут быть обычными компьютерами, то кластеры относительно недороги. Большинство входящих в Top 500 суперкомпьютеров являются кластерами.
• Гибридные вычислительные комплексы - состоят из множества узлов, каждый из которых может быть мультикомпьютером, мультипроцессором, графическим или векторным процессором. Такие комплексы, как правило, являются суперкомпьютерами.