Достоинства векторного процессора

1. Вместо многократной выборки одних и тех же команд достаточно произвести выборку только одной векторной команды, что позволяет сократить издержки за счет устройства управления и уменьшить требования к пропускной способности памяти.

2. Векторная команда обеспечивает процессор упорядоченными данными. Когда инициируется векторная команда, ВС знает, что ей нужно из­влечь n пар операндов, расположенных в памяти регулярным образом. Таким образом, процессор может указать памяти на необходимость начать извлечение таких пар. Если используется память с чередованием адресов, эти пары могут быть получены со скоростью одной пары за цикл процессора и направлены для обра­ботки в конвейеризированный функциональный блок. При отсутствии чередования адресов или других средств извлечения операндов с высокой скоростью преи­мущества обработки векторов существенно снижаются.

Структуры типа «память-память» и «регистр-регистр»

 

Принципиальное различие архитектур векторных процессоров проявляется в том, каким образом осуществляется доступ к операндам. При организации «память-память» элементы векторов поочередно извлекаются из памяти и сразу же направляются в функциональный блок. По мере обработки получающиеся элементы вектора результата сразу же заносятся в память. В архитектуре типа «регистр-регистр» операнды сначала загружаются в векторные регистры, каждый из которых может хранить сегмент вектора, например 64 элемента. Векторная операция реализуется путем извлечения операндов из векторных регистров и занесения результата в векторные регистры.

 

 

· Advanced Scientific Computer фирмы Texas Instruments Inc.

· Control Data Corporation (Star 100, Cyber 200)

Все эти вычислительные системы появились в середине 70-х прошлого века после длительного цикла разработки, но к середине 80-х годов от них отказались. Причиной послужило слишком большое время запуска - порядка 100 циклов процессора. Это означает, что операции с короткими векторами выполняются очень неэффективно, и даже при длине векторов в 100 элементов процессор достигал только половины потенциальной производительности.

В вычислительных системах типа «регистр-регистр» векторы имеют сравни­тельно небольшую длину (в ВС семейства Cray - 64), но время запуска значи­тельно меньше чем в случае «память-память». Преимущество ВС с режимом «регистр-регистр»- эффективная обработка коротких векторов Недостаток: обработка длинных векторов (векторные регистры должны загружаться сегментами несколько раз). В настоящее время ВП типа «регистр-регистр» доминируют на компьютерном

 

Реализация систем типа «регистр-регистр»

· Cray Research Inc. Y-MP и С-90

· фирмы Fujitsu, Hitachi и NEC

Это вычислительные системы фирмы, в частности модели Y-MP и С-90. Аналогичный подход заложен в системы фирм Fujitsu, Hitachi и NEC. Время цикла в современных ВС варьируется от 2,5 нс (NEC SX-3) до 4,2 нс (Cray C90), а производительность, измеренная по тесту UNPACK, лежит в диапа­зоне от 1000 до 2000 MFLOPS (от 1 до 2 GFLOPS).

 

Обработка длинных векторов и матриц

 

Аппаратура векторных процессоров типа «регистр-регистр» ориентирована на обработку векторов, длина которых совпадает с длиной векторных регистров (ВР), поэтому обработка коротких векторов не вызывает проблем — достаточно записать фактическую длину вектора в регистр длины вектора.

Если размер векторов превышает емкость ВР, используется техника разбиения исходного вектора на сегменты одинаковой длины, совпадающей с емкостью векторных регистров (последний сегмент может быть короче), и последовательной обработки полученных сегментов. В английском языке этот прием называютstrip-mining. Процесс разбиения обычно происходит на стадии компиляции, но в ряде ВП данная процедура производится по ходу вычислений с помощью аппаратных средств на основе информации, хранящейся в регистре максимальной длины вектора.

 

Ускорение вычислений

 

Для повышения скорости обработки векторов все функциональные блоки векторных процессоров строятся по конвейерной схеме, причем так, чтобы каждая ступень любого из конвейеров справлялась со своей операцией за один такт (число ступеней в разных функциональных блоках может быть различным). В некоторых векторных ВС, например Cray C90, этот подход несколько усовершенствован — конвейеры во всех функциональных блоках продублированы.

На конвейер 0 всегда подаются элементы векторов с четными номерами, а на конвейер 1 – с нечетными. В начальный момент на первую ступень конвейера 0 из ВР V₁ и V₂ поступают нулевые элементы векторов. Одновременно первые элементы векторов из этих регистров подаются на первую ступень конвейера 1. На следующем такте на конвейер 0 подаются вторые элементы из V₁ иV₂, ана конвейер 2 - третьи элементы и т. д. Аналогично происходит распределение результатов в выходном векторном регистре V. В итоге функциональный блок при максимальной загрузке в каждом такте выдает не один результат, а два. Добавим, что в скалярных операциях работает только конвейер 0.

Интересной особенностью некоторых ВП типа «регистр-регистр», например ВС фирмы Cray Research Inc., является так называемое сцепление векторов (vector chaining или vector linking), когда ВР результата одной векторной операции ис­пользуется в качестве входного регистра для последующей векторной операции. Для примера рассмотрим последовательность из двух векторных команд, предпо­лагая, что длина векторов равна 64: V₂ =V_oxV₁, V₄ =V₂ + V₃.

 

 

Результат первой команды служит операндом для второй. Напомним, что поскольку команды являются векторными, первая из них должна послать в конвейерный умножитель до 64 пар чисел. Примерно в середине выполнения команды складывается ситуация, когда несколько начальных элементов вектора V₂ будут уже содержать недавно вычисленные произведения; часть элементов V₂ все еще будет находиться в конвейере, а оставшиеся элементы операндов V₀ и V₁ еще остаются во входных векторных регистрах, ожидая загрузки в конвейер. Такая ситуация показана на рис., где элементы векторов V₀ и V₁, находящиеся в конвейерном умножителе, имеют темную закраску. В этот момент система извлекает элементы V₀[k]и V₁[k] с тем, чтобы направить их на первую ступень конвейера, в то время какV₂[j] покидает конвейер. Сцепление векторов иллюстрирует линия, обозначенная звездочкой. Одновременно с занесением V₂[j] в ВР этот элемент направляется и в конвейерный сумматор, куда также подается и элемент V₃[j]. Как видно из рисунка, выполнение второй команды может начаться до завершения первой, и поскольку одновременно выполняются две команды, процессор формирует два результата за цикл (V₄[i] и V₂[j]) вместо одного. Без сцепления векторов пиковая производительность Сгау-1 была бы 80 MFLOPS (один полный конвейер производит результат каждые 12,5 не). При сцеплении трех конвейеров теоретический пик производительности - 240 MFLOPS. В принципе сцепление векторов можно реализовать и в векторных процессорах типа «память-память», но для этого необходимо повысить пропускную способность памяти. Без сцепления необходимы три «канала»: два для входных потоков операндов и один — для потока результата. При использовании сцепления требуется обеспечить пять каналов: три входных и два выходных.

Завершая обсуждение векторных и векторно-конвейерных ВС, следует отметить, что с середины 90-х годов прошлого века этот вид ВС стал уступать свои позиции другим более технологичным видам систем. Тем не менее одна из последних разработок корпорации NEC (2002 год) - вычислительная система «Модель Земли» (The Earth Simulator), - являющаяся на сегодняшний момент самой про­изводительной вычислительной системой в классе, по сути представляет собой векторно-конвейерную ВС. Система включает в себя 640 вычислительных узлов по 8 векторных процессоров в каждом. Пиковая производительность суперкомпь­ютера превышает 40 TFLOPS.

 

STAR-100

 

Разработка конвейерной вычислительной системы STAR-100 (STAR – STring ARray computer – векторный компьютер) осуществлялась фирмой CDC с 1965 по 1973 гг. Система была анонсирована в 1970 г., а первая ее поставка была произведена в августе 1973 г. Быстродействие 10⁸оп./с, стоимость – 15 млн. $.

 

 

Система STAR-100 создавалась под непосредственным влиянием языка программирования APL (A Programming Language). Язык APL (или АПЛ) – диалоговый язык программирования, характеризуется развитыми средствами работы с регулярными структурами данных (векторами, матрицами, массивами) и богатым набором базовых операций и компактностью записи.

Вычислительная система STAR-100 состояла из двух подсистем:

· первая осуществляла переработку данных,

· вторая – функции операционной системы.

Ядром первой подсистемы являлся процессор, образуемый из нескольких конвейеров (в типовых конфигурацияx – 3 конвейера).