Arquitecturas ParalelasMIMD

William Stallings, Organización y Arquitectura de Computadores, 5ta. ed., Capítulo 16: Procesamiento Paralelo.

Andrew S. Tanenbaum, Organización de Computadoras 4ta. ed., Capítulo 8: Arquitecturas de computadoras paralelas.

Hesham El-Rewini & Mostafa Abd-El-Barr, Advanced Computer Architecture and Parallel Processing. Willey.

   

Taxonomía de Flynn

MPP

   

Taxonomía de Flynn-Johnson

   

Clasificación MIMD Tanenbaum

   

Arquitecturas MIMD

Multiprocesadores Multicomputadoras

   

MultiprocesadoresIntroducción

VENTAJASDatos, sincronización y coordinación usando variables globales. Modelo simple de programación. Espacio único de memoria. Una sola copia del sistema operativo (con planificador adecuado). Threads. Los sistemas operativos modernos coordinan la distribución de los recursos. Es fácil mover procesos entre procesadores. Menos espacio. Menos potencia. Más estable.

DESVENTAJASPerformance de la memoria. Se soluciona con caches, pero aparece el problema de la coherencia de caches. La red de interconexión es complicada (acceso a memoria). Dinámica: bus, crossbar o multistage. Se satura rápidamente. Soporta pocos procesadores (16-64). Poco escalables.

   

MultiprocesadoresClasificación

Lar arquitecturas multiprocesador pueden clasificarse según la estrategia de distribución de la memoria compartida, siempre con un único mapa de memoria:

UMA (o SMP): Uniform Memory Access (o Symetric MultiProcessor)

NUMA: Non Uniform Memory Access

COMA: Cache Only Memory Architecture

   

MultiprocesadoresUMA (SMP)

La organización con bus es la más utilizada en multiprocesadores multiple core. En esta categoría entran también las organizaciones con memoria multipuerto (no escalable). La memoria compartida es accedida por todos los procesadores de la misma forma en que un monoprocesador accede a su memoria. Todos los procesadores son similares y tienen capacidades equivalentes. Todos los procesadores tienen el mismo tiempo de acceso a cualquier posición de memoria. Comparten I/O.

Redes: multipuerto, bus o crossbar. Ej: Sun Starfire, Intel Xeon/Pentium/Core2.

   

MultiprocesadoresNUMA

Utiliza (como SMP) un único espacio de direcciones, pero en este caso cada procesador es dueño de una parte de la memoria, a la cual puede acceder más rápido. Utiliza pasaje de mensajes escondido. El problema de coherencia es más complicado. El sistema operativo (más sofisticado) puede ayudar mediante migración de páginas. Sin coherencia de cache, multicomputador.

Redes de interconexión: tree, bus jerárquico.Ejemplos: SGI Origin 3000, Cray T3E, AMD Opteron.

   

MultiprocesadoresCOMA

Como en NUMA, cada procesador tiene una parte de la memoria, pero es sólo cache. El espacio de memoria completo es la suma de los caches. Utilizan un mecanismo de directorio distribuído.

Ejemplo: KSR-1.

   

MultiprocesadoresSMP vs. NUMA

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MultiprocesadoresINTEL Pentium III

.

   

MultiprocesadoresAMD Opteron (Hypertransport)

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Hypertransport Consortium: ADM, IBM, Alliance, Apple, Cisco, Sun, Transmeta.NO INTEL! Sigue con bus.

   

MultiprocesadoresIBM POWER5 (Fabric Switch)

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MultiprocesadoresIntel (Multicore - Bus)

.

   

MultiprocesadoresAnálisis de SMP basado en bus

El bus es la red más simple para memoria compartida. Es un medio compartido, con arbitraje y capacidad de direccionamiento. La arquitectura bus/cache elimina la necesidad de memorias multipuerto. El principal problema es la saturación del bus. Depende fuertemente de la eficiencia del hardware de cache (debe minimizarse el número de veces que el procesador necesita acceder al bus). Depende también de las características del programa de aplicación.

Ejemplo.I=1, B=100MHz, V=300MIPS, h=90%. Resulta N<3,3.¿Cuánto debe valer h para soportar 32 procesadores? Resulta h>99%.

( )hVBIN−

≤1

N: número de procesadoresh: hit rate del cache (1-h): miss rateB: ancho de banda del bus [c/s]I: duty cycle del procesador [fetch/c] uperesc>1V: velocidad pico del procesador [fetch/s] B.I: ancho de banda efectivo [fetch/s]

N procesadores a velocidad V producen N(1-h)V fallos, entonces N(1-h)V<B.I

   

MultiprocesadoresCoherencia de cache

Existen múltiples copias de los datos en diferentes caches. Si un procesador modifica su copia y los demás caches no se actualizan se producirán errores en el resultado final. Se utilizan distintos algoritmos para mantener la coherencia.

REM Coherencia cache-memoria:a) write-through: la memoria se actualiza inmediatamente.b) write-back: se actualiza cuando se reemplaza el bloque.

Coherencia cache-cache:a) write -update: actualización inmediata.b) write-invalidate: al modificar setea el dirty-bit y se queda con la única copia válida. Los demás deben esperar la actualización. (PowerPC y PII, protocolo MESI)

Existen cuatro combinaciones. La combinación a-a satura rápidamente.

   

MultiprocesadoresProtocolos de coherencia de cache

a) Protocolos de sondeo (snooping protocols): observan la actividad del bus y ejecutan, mediante broadcasts, los pasos necesarios para mantener la coherencia. Costoso en terminos de bw. Quien escribe avisa con un broadcast (a todos). Todos los procesadores sondean el bus para detectar modificaciones que le incumban.b) Protocolos de directorio (directory based protocols): Los comandos de actualización se envían sólo a los caches afectados por una actualización. Almacena información en un directorio acerca de dónde se encuentran las copias de los bloques. Cuando un procesador quiere escribir una posición, debe solicitar autorización al controlador, quien luego invalida las demás copias. El directorio puede estar centralizado (cuello de botella) o distribuído (cada cache sabe lo que tiene).

   

MultiprocesadoresEl protocolo MESI

Es un protocolo tipo write-invalidate, implementado por Intel en la linea Pentium y por IBM en la Power. Utiliza dos bits por linea de cache para indicar el estado de la misma: Modified, Exclusive, Shared, Invalid. Stallings 16.3.

   

MultiprocesadoresEl modelo de programación

i) Creación de tareasii) Comunicación: shared data

iii) Coordinación: a) locks (exlusión mutua) Sincronización: b) barriers

   

MultiprocesadorespThreads - Ejemplo

/************************************************************************"hello world" Pthreads. Compilar con: gcc -lpthread -o hello hello.c*************************************************************************/#include <pthread.h>#include <stdio.h>#define NUM_THREADS 5

void *PrintHello(void *threadid){ printf("\n%d: Hello World!\n", threadid); pthread_exit(NULL);}

int main(){ pthread_t threads[NUM_THREADS]; int rc, t; for(t=0;t<NUM_THREADS;t++){ printf("Creating thread %d\n", t); rc = pthread_create(&threads[t], NULL, PrintHello, (void *)t); if (rc){ printf("ERROR; return code from pthread_create() is %d\n", rc); exit(-1); } } pthread_exit(NULL);}

   

Muticomputadoras

Diferencia entre MPP (loosely coupled) y Clusters (very-loosely coupled). Al no existir recursos compartidos, la comunicación se realiza a través de mensajes enviados por la red. El mensaje es una unidad lógica que puede transportar datos, instrucciones, sincronización o interrupciones.

   

MuticomputadorasIntroducción

VENTAJASEscala mejor y soporta más nodos. Se eliminan las construcciones de sincronización. No está limitado por el ancho de banda de la memoria (si por el de la red). Puede utilizar redes estáticas no completamente conectadas (routing, bw, latencia). Sincronización y comunicación son lo mismo.

DESVENTAJASProgramación con mensajes explícitos (send/receive en lugar de load/store); los programas son diferentes. Tiempo de transmisión del mensaje. Una copia del SO en cada computadora. Difícil mover procesos entre computadoras.

   

MuticomputadorasGranularidad

El programa se divide en N procesos concurrentes que se ejecutan en n computadoras. Si n<N existirán varios procesos (time-sharing) en cada computadora (canales externos vs. canales internos, no se puede compartir). Definimos, para un proceso:

Granularidad gruesa: cada proceso tiene muchas instruccionesGranularidad fina: pocas (incluso 1)

Los multiprocesadores funcionan mal en aplicaciones de granularidad fina debido el alto costo de las comunicaciones.

óncomunicacidetiempocómputodetiempoadGranularid =

   

MuticomputadorasRuteo (routing)

A menos que se disponga de una red completamente conectada, esta problemática estará presente. Se define como el conjunto de técnicas utilizadas para:

a) Identificación de todos los caminos posibles.b) Selección del mejor a través de una función.

Las técnicas pueden clasificarse según su dinámica: Adaptivas (dependen del estado de la red) o Determinísticas (oblivious).O según su organización: Centralizadas (conozco la ruta al conocer la fuente y el destino) o Distribuídas (solo conozco el próximo salto)

Ejemplo: XOR en Hipercubo

   

MuticomputadorasRouting (cont)

Tipos de operaciones:a) Unicastb) Multicastc) Broadcast

Problemas:a) Deadlock (solución monotónica) Ej: regla y lápizb) Livelock (solo en adaptivas) Ej: pasilloc) Starvation

   

MuticomputadorasConmutación (switching)

Técnica utilizada para pasar un mensaje de la entrada a la salida.a) Circuit-switching: reserva el camino. Ej: telefonía.b) Store-and-forward:

i) Packet-switching: El mensaje es dividido en paquetes que pueden viajar por diferentes caminos. Cada paquete lleva información de routing. Overhead. Pueden llegar desordenados. Ej: TCP.ii) Message-switching: el mensaje viaja entero.

c) Cut-Through-switching (wormhole routing): Todos los paquetes (flits – flow control bits – 32 bits low latency) se mueven tipo pipeline, siguiendo la misma ruta. El primero la fija. Cada nodo debe llevar la cuenta de los mensajes que está transmitiendo. Util en direcciones cortas. Ejemplo: hipercubo.

   

MuticomputadorasEl modelo de programación

Primitivas de comunicación: send, receive, broadcast, barrier.Mensajes bloqueantes (3 way) y no bloqueantes.PVM y MPI: bibliotecas de comunicaciones para C. Open Source: LAM-MPI y MPICH

#include <stdio.h>#include <mpi.h>

int main(){int rank, size;MPI_Init( &argc, &argv );MPI_Comm_size( MPI_COMM_WORLD, &size );MPI_Comm_rank( MPI_COMM_WORLD, &rank );printf( "Hello world from process %d of %d\n", rank, size );MPI_Finalize();return 0;

}

   

SMP vs MPP

En el medio NUMA (enmascara mensajes de HW por medio de SW).

   

MuticomputadorasEjemplos MPP

Blue GeneIBM #1 Nov2006360 TeraFLOPS (teorico)280 TeraFLOPS (real)Toriode 3d 32x32x6465536 procesadores dual core

   

MuticomputadorasEjemplos MPP

Red StormCray #2 Nov2006Nodos: AMD Opteron dual coreRed: Cray SeaStar2 chipHypertransport 6 canales 6.4GB/sToriode 3d

   

Casos de estudio

IBM System p5. Cluster 1600 con nodos 595.

Cray XT4.

Consolas de juegos de séptima generación (Xbox 360 de Microsoft, Playstation 3 de Sony y Wii de Nintendo).

Deep Blue vs. Kasparov (1997).