Tính Toán Song Song (P2) - Tin Tức Công Nghệ

1.1.2. Phân loại các kiến trúc của máy tinh song song

1.1.2.1. Phân loại theo kiến trúc  máy tính của Flynn

Một trong những phân loại hay được nhắc tới là của Flynn – 1966. Michael Flynn phân các kiến trúc máy tính thành bốn loại dựa vào sự phân phối luông dữ liệu (data stream ) và phân phối các luồng  lệnh (instruction stream) trên mỗi bộ xử lý.

* Mô hình SISD (đơn luồng lệnh, đơn luồng dữ liệu)

Đây chính là kiến trúc tuần tự Von Neuman, máy tính SISD chỉ có một CPU, các dòng lệnh được thực hiện một cách tuần tự.  Hệ thống SISD (hình 1.2: trong đó tại mỗi thời điểm chỉ thực hiện một lệnh trên một mục dữ liệu)

 

Hình 1.2: Mô hình máy SISD

* Mô hình SIMD (Đơn luồng lệnh, đa dữ liệu )

Máy tính loại SIMD có một đơn vị điều khiển để điều khiển nhiều đơn vị xử lý thực hiện theo một luồng các câu lệnh. CPU phát sinh tín hiệu điều khiển tới tất cả các phần tử xử lý, những bộ xử lý này cùng thực hiện một phép toán trên các mục dữ liệu khác nhau.

Hình 1.3: Mô hình máy tính SIMD

* Mô hình MISD  (Đa luồng lệnh, đơn dữ liệu)

Máy tính MISD có thể thực hiện nhiều nhiều lệnh trên cùng một mục dữ liệu,

- Các máy tính yêu cầu mỗi đơn vị xử lý (PU) nhận những lệnh khác nhau để thực hiện trên cùng một mục dữ liệu.

- Các máy tính có các luồng dữ liệu được chuyển tuần tự theo dãy các CPU liên tiếp gọi là kiến trúc hình ống xử lýtheo vector thông qua một dãy các bước, trong đó mỗi bước thực hiện một chức năng và sau đó chuyển kết quảcho PU thực hiện bước tiếp theo

* Mô hình MIMD (đa luồng lệnh, đa luồng dữ liệu)

Máy tính loại MIMD còn gọi là đa bộ xử lý, trong đó mỗi bộ xử lý có thể thực hiện những luồng lệnh khác nhau trên các luồng dữ liệu riêng.

Hầu hết các hệ thống MIMD đều có bộ nhớ riêng và cũng có thể truy cập vào được bộ nhớ chung khi cần, do vậy giảm thiểu được sự trao đổi giữa các bộ xử lý trong hệ thống.

Hình 1.4: Mô hình máy MIMD

Đây là kiến trúc phức tạp nhất, nhưng nó là mô hình hỗ trợ xử lý song song cao nhất, bởi chúng có thể thực  thi các lệnh khác nhau trên nhiều dòng dữ liệu khác nhau tại một thời điểm.

Theo Flynn: có hai họ kiến trúc quan trọng cho các máy tính song song: SIMD và MIMD. Những kiến trúc khác có thể xếp theo hai mẫu đó. Mục tiêu của xử lý song song là khai thác đến mức tối đa các khả năng sử dụng của các thiết bị phần cứng  nhằm giải quyết nhanh những bài toán đặt ra trong thực tế.

1.1.2.2. Phân loại theo mô hình bộ nhớ

* Mô hình  bộ nhớ chia sẻ

Đặc điểm của máy tính song song loại này  là các nút tính toán đều có thể truy nhập vào bộ nhớ dùng chung như là bộ nhó toàn cục. Nhiều bộ xử lý hoạt động độc lập nhưng cùng sử dụng chung một bộ nhớ, mỗi sự thay đổi nội dung các ngăn nhớ đều được các bộ xử lý biết. 

Ưu điểm chính của mô hình này là cung cấp một vúng nhớ toàn cục do đó dễ dàng  cho việc lập trình về mặt sử dụng bộ nhớ đồng  thời việc trao đổi thông tin giữa các modul tính toán là tương đối nhanh chóng và dễ dàng.

Hình 1.5: Máy tính chia sẻ bộ nhớ

Nhược điểm của mô hình này chính là sự mất cân đối giữa CPU và bộ nhớ. Việc tăng CPU làm tăng thêm lưu lượng trên đường dẫn từ bộ nhớ tới CPU.

* Mô hình bộ nhớ phân tán

Mô hình này yêu cầu một mạng truyền thông để kết nối các bộ nhớ của các bộ vi xử lý. Mỗi CPU đều gắn với một bộ nhớ riêng và các thao tác của mỗi CPU trên bộ nhớ của mình thì không được các CPU khác biết tới.

Ưu điểm của  mô hình  này là kích thước bộ nhớ cân bằng với số lượng các bộ xử lý.

Hình 1.6: Máy tính bộ nhớ phân tán

Nhược điểm chính của mô hình này chính là người lập trình phải tự thiết lập lấy phương thức trao đổi thông tin giữa các CPU trong quá trình tính toán mà việc này đôi khi là rất khó khăn.

* Mô hình bộ nhớ lai

Hầu hết các máy tính nhanh và lớn ngày nay đều xây dựng dựa trên sự kết hợp       giữa kiến trúc chia sẻ bộ nhớ chung và bộ nhớ phân tán. Sự kết hợp đó tạo nên một máy tính với tên gọi máy tính có bộ nhớ lai