«параллельді есептеулер»

Семей

1. Кіріспе. Параллель программалаудың дамуы.

2. Параллель компьютерге сұраныс

3. Параллельді есептеулер туралы негізгі түсініктер.

Жоғарғы өндіруші техникалар қазірде мынадай: Векторлы-конвейерлі компьютерлер, үлестірімділі-жадылы массивті-параллельді компьютерлер, ортақ жадылы параллель компьютерлер, кластер архитектуралы компьютерлер бағыттарда дамуда. Олар деректерді параллель өңдеу және параллель алгоритмдерді өңдеуді қолдануға негізделеді. Арнаулы программалы жасақпен жұмыс жасай білу үшін және параллель алгоритмін құрып және программалаудың параллельділік тәсілін меңгеру үшін сәйкес білім мен біліктілік қажет.

Бұл пәннің мақсаты – параллельді есептеудің негізін қалыптастыру, параллельді алгоритмдерді талдау. Пәнде үш мәселе қарастырылады: аппараттық жабдықталуы, программалау, алгоритмдер.
2.Параллель компьютерлерге сұраныс және параллель программалаудың даму кезеңдері

Параллель компьютер дегеніміз – есепті сандық түрде шешіп, үйлесімді шешуге қабілетті процессорлардың жиынтығы.

Параллельді программа – бұл әр процесс өзінің меншікті процессорныда жүріп қана қоймай, параллель орындалатын программа.

Есептеу жылдамдығы жоғары, есептеу уақыты аз, сонымен бірге деректер массивін өңдей алатын сұраныс қай кезде де орын алып отырған.

Бірақ компьютерлік технологияның дамуына байланысты параллель компьютерлерді дамыту техника мен экономика салаларына өте қажет болды. Жай өмірден параллельділікке мысал келтірсек, көктем басталысымен, ағаш жапырақтарының барлығы бірге өркендей бастайды, ал оркестрде барлық әртүрлі аспаптар ойнағанда, бір ғана әуенді естиміз.

Параллельді компьютерлер мен параллельді есептеулер қолданылатын облыстарға тоқталсақ:

- күрделі жүйені сандық модельдеуде: ауа-райын болжау, гендік инженерия, интегралдық схеманы жобалау, жаңалықтар, кезекті космосқа ұшырылу туралы жедел хабар, т.б.

- бизнесте, коммерциялық салада: видеоконференциялар, параллель мәліметтер қоры, банктік транзакция, т.б.

- техникада: медицина саласында, автоматты түрде диагноз қою, жер сілкінуді болжау, айналадағы ортаның ластануын анализдеу, дәрі-дәрмек препараттарын жасау, т.б.

- білім беру саласында: кеңейтілген графика және виртуальды әлем, әсіресе, компьютерлік ойындар құрастыру.

Жоба жасаушылар параллельділікті қолдану кезінде көптеген қиыншылықтарға кезігуде. Себебі, компьютер жұмысы негізгі операцияны орындауға кететін уақытқа тәуелді. Ал, келіп түскен командалар мен мәліметтер ағынын бір мезгілде өңдеп отыратын процессор «тактілі циклмен» жұмыс жасау керек. Бұл қиыншылықтарды шешу үшін компьютер жобасын жасаушылар компьютерді күрделендіріп, түрлендіру үшін мынадай тәсілдерді қолдана бастады:

- конвейерлі өңдеу (бірнеше команданың әртүрлі стадиялары бір мезгілде орындалады);

- функционалдық модулдер жиынын кірістіру (бірнеше көбейткіштер, сумматорлар, және т.б. жеке командалар ағынымен басқарылады),

- жеке процессоры, жадысы және логикалы өзара байланысты(желімен) «компьютерлер жиынының бірігуі».

Pentium III компьютерін 70 жылдардағы компьютерлермен салыстырғанда суперкомпьютер болып есептелетін еді, қазір ол атау мұндай компьютерлерге сай емес. Суперкомпьютерлердің өнімділігі жоғары және жедел жады мен дискілік жады көлемі үлкен болады. Қазірде дүние жүзінде 500 ең қуатты компьютерлердің арасында 1-ші орын алып отырған компьютер – ASCI WHITE. Оның архитектурасы – 8192 процессорлы, жедел жадысы 4 терабайт, өнімділігі – секундына 12 триллион операция жасайды.

Әрине, бұл компьютерлердің құны да арзан емес, бірнеше миллион доллар тұрады. Осыншама қымбат компьютерлерді пайдаланатындай бізде қандай күрделі есептер бар? Ол есептер соншама маңызды ма? Осы сұрақтарға жауап беру үшін мынадай бір мысал қарастырайық.

3. Мұнай өндіретін процесті қарастырайық. Жер асты резервуарлары қазылған скважиналардан тұрады, біреуінен мұнай сорылса, екіншісінен су төменге айдалады. Бізге мынадай есеп қойылады: осы резервуардан алынатын мұнайдың запасын анықтау керек немесе бізге қаншама қосымша скважина керек, осыны есептеу үшін біз схеманы қарапайым елестетейік. Резервуарды куб деп қарастырайық. Куб көлемі - 100х100х100 нүктелерден тұрады. Әрбір нүктеде орындалатын функциялар – жылдамдық, қысым, температура, компоненттің концентрациясы (су, газ, мұнай, т.б.). Барлығы 5-20 функция (орташа-10). Бұл функциялар сызықты емес. Сондықтан оларды есептеу үшін 200-1000 операция орындалу керек (орташа -500).

Жүріп жатқан процестер стандартты емес, сондықтан қадамдар саны 100-1000 (орташа-500). Сонда куб ішінде орындалатын арифметикалық операциялар саны:

10⁶ (нүктелер)*10 (функция)*500 (операция)*500 (қадам)=2.5*10¹², яғни 2500 млрд. арифметикалық операция. Әрине, мұндай операцияларды қарапайым компьютерлермен орындасақ қаншама уақыт кетер еді.

1. 
   Параллель компьютерлер дегеніміз не?
   
2. 
   Параллель есептеулер қандай салларда қолданылады.
   
3. 
   Суперкомпьютерлер дегеніміз не?
   
4. 
   Суперкомпьютерлердің қандай түрлері бар?
   

1. 
   Воеводин Вл. Параллельные вычисления. Санкт-Петербург, 2002
   
2. 
   Грегори Р. Эндрюс. Основы многопоточного, параллельного и распределенного программирования. Пер. с. англ. –М.: Издательский дом «Вильямс», 2003
   
3. 
   Акжалова А.Ж. Параллельные вычисления (учебное пособие). – Алматы, 2004
   
4. 
   Немнюгин С.А., Стесик О.Л. Параллельное программирование для высокопроизводительных многопроцессорных систем – СПб., 2002
   

таныстыру.

1. 
   Параллельділік
   
2. 
   Программалау модельдері
   
3. 
   Параллель компьютерлердің аппараттық жабдықталуы
   

Программа орындауға қатысты түйінді (өзекті) компоненттер: орталық процессор, кэш және жады.

Жалғыз процессорлы компьютерлер архитектурасын дамыту үшін мынадай әр түрлі тәсілдерді қолдануға болады:

1. 
   Орталық процессордың бір ішкі бөлігін 4 функционалдық модульдермен (сумматор, көбейткіштер) алмастыру;
   
2. 
   Орталық процессордың өткізу жолағын (қабілетін) үлкейту үшін оған жадының 2 не оданда көп блоктарын қосу;
   
3. 
   Уақыт бірлігінде орындалатын командалардың санын арттыру үшін бір жадылы екі және одан да көп процессорларды қосу;
   
4. 
   Барлық компьютерлердің жұмыстары бір бағытта бағытталу үшін, яғни бір программаны орындау үшін толық компьютерді машиналар желісіне қосу;
   

• 
  тапсырма деңгейінің параллельдігі;
  
• 
  программа деңгейінің параллельдігі;
  
• 
  командалар деңгейінің параллельдігі;
  
• 
  арифметикалық және биттік туралау параллельдігі;
  

1. 
   Тапсырма деңгейінің параллельділігі - параллельділіктің ең жоғарғы деңгейі. Бұл деңгейде орталық процессор мен енгізу-шығару жүйесі параллель жұмыс жасайды.
   

2. 
   Программа деңгейінің параллельдігі - бір программа оны құраушы бөліктеріне бөлініп орындалатын процесс. Параллельділіктің бұл типі процессордың жиынымен іске асады. Бұл көп процессорлары машина барлық берілген есептеулерді бір мезгілде орындай алады.
   
3. 
   Командалар деңгейінің параллельдігі - бұл типті іске асыратын негізгі тәсіл – конвейерлер. Бұл жағдайда не жеке командалар қалқаланады, не берілген команда бағыныңқы операцияларға жіктеледі. Олар да өз кезегінде қалқалану жағдайына келтіріледі.
   
4. 
   Арифметикалық және биттік туралау параллельдігі - параллельдігінің ең төменгі деңгейі. Бұл деңгей - орталық процессордағы арифметика-логикалық құрылғыға жатқызылады.
   

2. Есептелу тиімділігі.

3. Есептелу құны.

4. Есептелу көлемі.

Есептелудің тиімділігі мына шамамен анықталады:

Есептелу құнының пайдалы бағасы – параллельді есептелетін уақыттың процессорлар санына көбейтіндісін айтамыз.



1-мысал. «Операциялар-операндтар» графы түрінде есептеу моделі. Есептеу моделін жеңілдету үшін, есептеу барысындағы кез-келген есептеу операциясына кететін уақытты бірдей және 1-ге тең деп қабылдаймыз (өлшем бірлігін өз бетімізше аламыз).

n- қосындылардың саны.

Бұл есепті шешудің параллельді әдісін бастамас бұрын алдымен қарапайым жағдайды қарастырамыз, яғни

Мұның алгоритмі тізбектеп қосудан шығады.

S=S+x₁,...

Мұндағы итерациялардың саны: k=log₂n,

Ал, қосу операцияларының саны K_сонғы=n/2+n/4+...+1=n–1

1. Параллельді программалық жабдықтау.