2. Классификация Хокни

Для детализации систематики Флинна Хокни предложил выделить три класса  машин MIMD-архитектуры:

• переключаемые — с общей памятью и с распределённой памятью Вычислительные машины, в которых каждый поток обрабатывается своим собственным устройством, Хокни назвал переключаемыми. Все ВМ, в которых возможна связь каждого процессора с каждым реализуется с помощью переключателей — машины с распределённой памятью. Если же память есть разделяемый ресурс, машина называется с общей памятью;

• конвейерные - ВМ с одним конвейерным устройством обработки, работающим в режиме разделения времени для отдельных потоков;

• сети — регулярные решётки, гиперкубы, иерархические структуры, изменяющие конфигурацию. При рассмотрении машин с сетевой структурой Хокни считал, что все они имеют распределённую память. Дальнейшую классификацию он проводил в соответствии с топологией сети.

3. Классификация Хэндлера

В основу классификации В.Хендлер закладывает явное описание возможностей параллельной и конвейерной обработки информации вычислительной системой. Предложенная классификация базируется на различии между тремя уровнями обработки данных в процессе выполнения программ:

• уровень выполнения программы — опираясь на счетчик команд и некоторые другие регистры, устройство управления (УУ) производит выборку и дешифрацию команд программы;

• уровень выполнения команд — арифметико-логическое устройство компьютера (АЛУ) исполняет команду, выданную ему устройством управления;

• уровень битовой обработки — все элементарные логические схемы процессора (ЭЛС) разбиваются на группы, необходимые для выполнения операций над одним двоичным разрядом.

Подобная схема выделения уровней предполагает, что вычислительная система включает какое-то число процессоров каждый со своим устройством управления. Если на какое-то время не рассматривать возможность конвейеризации, то число устройств управления k, число арифметико-логических устройств d в каждом устройстве управления и число элементарных логических схем w в каждом АЛУ (число разрядов в слове, обрабатываемых в АЛУ параллельно) составят тройку для описания данной вычислительной системы C: (k, d, w).

1. Параллелизм и конвейеризация вычислений. Параллелизм на уровне команд

Основу любого процессора составляет полупроводниковый вентильный элемент - транзистор. Транзистор позволяет управлять электрическим сопротивлением проводника при помощи электрического тока, проходящего через базу (биполярный транзистор), или электрического напряжения, подаваемого на затвор (полевой транзистор). Если ввести обратную связь, то есть подать часть выходного сигнала транзистора на его вход, то можно заставить прибор работать в двух стабильных состояниях, которые соответствуют логическим 0 и 1.

Электрон - носитель электрического заряда и, как следствие, основной переносчик информации, хотя и является с точки зрения квантовой физики частицей легкой, все-таки имеет некоторую массу, а, следовательно, и инерционность. Его нельзя мгновенно остановить или мгновенно привести в движение. Скорость одного конкретного электрона неизвестна. Можно говорить только об общих статистических закономерностях поведения некоторой достаточно большой группы электронов. Большая группа - это еще большая масса, для разгона или остановки которой нужно время и энергия.

При движении любой заряженной частицы возникает электромагнитное поле. На создание этого поля также расходуется энергия, которая в конечном счете приводит к нагреванию кристалла.

Потребность в более быстрых, дешевых и универсальных процессорах вынуждает производителей постоянно наращивать число транзисторов в них. Однако этот процесс не бесконечен. Поддерживать экспоненциальный рост этого числа, предсказанный Гордоном Муром в 1973 году, становится все труднее. Специалисты утверждают, что этот закон перестанет действовать, как только затворы транзисторов, регулирующие потоки информации в чипе, станут соизмеримыми с длиной волны электрона (в кремнии, на котором сейчас строится производство, это порядка 10 нанометров). Произойдет это до 2020 годами. По мере приближения к физическому пределу архитектура компьютеров становится все более изощренной, возрастает стоимость проектирования, изготовления и тестирования чипов. Таким образом, этап эволюционного развития рано или поздно сменится революционными изменениями.

В результате гонки наращивания производительности возникает множество проблем:

• перегрев в сверхплотной упаковке, вызванный существенно меньшей площадью теплоотдачи;

• снижение надежности транзисторов из-за уменьшения их размеров и утоньшения изолирующего слоя. Данную проблему можно решить снижением управляющего напряжения, но лишь до определенных пределов;

• снижение размеров транзисторов уменьшает скорость их срабатывания, она перестает соответствовать скорости распространения сигнала по внутрисхемным соединениям;

• более тонкие проводники, соединяющие транзисторы, имеют и более высокое сопротивление и неприемлемо высокую задержку распространения сигнала. Эта проблема была отчасти решена путем использования многослойных соединений.

Возможности по совершенствованию элементной базы уже практически исчерпаны, дальнейшее повышение производительности ВМ лежит в плоскости архитектурных решений. На сегодняшний день основное условие повышения производительности процессоров - методы параллелизма. Как известно, микропроцессор обрабатывает последовательность инструкций (команд), составляющих ту или иную программу. Если организовать параллельное (то есть одновременное) выполнение инструкций, общая производительность существенно вырастет. Решается проблема параллелизма методами конвейеризации вычислений, применением суперскалярной архитектуры и предсказанием ветвлений.

Параллелизм на уровне команд

Параллелизм осуществляется в пределах отдельных команд и обеспечивает выполнение большого количества команд в секунду.