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Arquitecturas Paralelas
Multiprocesadores
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.
Arquitecturas Paralelas
Taxonomía de Flynn
Massively Parallel
Processor
(MPP)
Arquitecturas Paralelas
Taxonomía de Flynn-Johnson
Arquitecturas Paralelas
Clasificación MIMD Tanenbaum
Arquitecturas Paralelas
Arquitecturas MIMD
MULTIPROCESADORES
Procesadores fuertemente acoplados
Arquitectura de memoria compartida (globales)
MULTICOMPUTADORAS
Procesadores débilmente acoplados
Arquitectura de memoria distribuida (mensajes)
Multiprocesadores
Introducción
VENTAJAS
Datos, 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.
DESVENTAJAS
Performance 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 (216). Poco escalables.
Multiprocesadores
Clasificación
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
Multiprocesadores
UMA (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.
Multiprocesadores
NUMA
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.
Multiprocesadores
COMA
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.
Multiprocesadores
SMP vs. NUMA
IMPORTANTE
Dependencia con la naturaleza de la aplicación.
Cada instancia del programa dispone de sus
propios datos?
Multicore SMP, c/core superescalar SMT
Multiprocesadores
INTEL Pentium III
.
Multiprocesadores
AMD Opteron (Hypertransport)
Hypertransport Consortium:
ADM, IBM, Alliance, Apple, Cisco, Sun, Transmeta.
NO INTEL! Sigue con bus.
Multiprocesadores
IBM POWER5 (Fabric Switch)
MCM: multi chip module
1 Mother: 4 MCMs x 4 Power5 x 2 cores x
2 SMT = 64 threads simultáneas
+ NIC -> cluster con pasaje de mensajes
Motherboard
Multiprocesadores
Intel (Multicore - Bus)
Multiprocesadores
Análisis 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.
N: número de procesadores
BI
N≤
V (1−h )
h: hit rate del cache (1-h): miss rate
B: ancho de banda del bus [c/s]
I: duty cycle del procesador [fetch/c]
uperesc>1
V: velocidad pico del procesador [fetch/s]
B.I: ancho de banda efectivo [fetch/s]
HINT: N procesadores a velocidad V producen
N(1-h)V fallos, entonces N(1-h)V<B.I
Ejemplo.
I=1, B=100MHz, V=300MIPS, h=90%. Resulta N<3,3.
¿Cuánto debe valer h para soportar 32 procesadores? Resulta
h>99%. Qué tamaño debe tener la memoria caché?!?!
Multiprocesadores
Coherencia 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. Solo es un problema si hay
escrituras. 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, ver protocolo MESI)
Existen cuatro combinaciones. La a-a satura rápidamente.
Multiprocesadores
Protocolos 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,
sobre todo en redes multistage. 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).
Multiprocesadores
El 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.
Ver (Wikipedia)
MSI
MOSI
MOESI
Multiprocesadores
El modelo de programación
Los lenguajes de programación evolucionaron para incluir al menos tres constructores:
i) Creación de tareas: grano grueso (fork/exec) o fino (lightweight)
ii) Comunicación: segmento shared data, además de text, data y stack.
iii) Coordinación (a) locks o exlusión mutua, y sincronización (b) barriers
Diferencia con mensajes
(sincronizan naturalmente)
Multiprocesadores
IEEE POSIX 1003.1c standard
(1995)
pThreads – Hello world
/************************************************************************
"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);
}
Multiprocesadores
OpenMP – Hello world
/**********************************************************************
OpenMP hello world. Compilar con gcc -fopenmp -o hello_omp hello_omp.c
***********************************************************************/
#include <omp.h>
#include <stdio.h>
int main (int argc, char *argv[]) {
int id, nthreads;
#pragma omp parallel private(id) {
id = omp_get_thread_num();
printf("Hello World from thread %d\n", id);
#pragma omp barrier
if ( id == 0 ) {
nthreads = omp_get_num_threads();
printf("There are %d threads\n",nthreads);
}
}
return 0;
}
Open specificatios for Multi Processing: API definida por un grupo de
frabricantes de HW y SW (ANSI en el futuro?). Modelo portable (C, C++,
Fortran, Unix, WinXP) y escalable para desarrolladores de aplicaciones
paralelas en sistemas multi-theaded de memoria compartida.
Multiprocesadores
OpenMP – π
/**********************************************************************
Calculo de pi por montecarlo con OpenMP
***********************************************************************/
#include <omp.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <math.h>
#define N 20
int main (int argc, char *argv[]) {
int i, j=0, n=10000000;
double x, y, d;
omp_set_num_threads(N);
# pragma omp parallel for private(i,x,y,d) reduction(+:j)
for(i=0;i<n;i++){
x=(double)rand()/RAND_MAX;
y=(double)rand()/RAND_MAX;
d=sqrt(x*x+y*y);
if(d<=1.0) j++;
}
printf("PI = %f\n", 4.0*j/n);
return 0;
}
Arquitecturas Paralelas
Multicomputadoras
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.
CAP 5
Arquitecturas Paralelas
Taxonomía de Flynn
Massively Parallel
Processor
(MPP)
Arquitecturas Paralelas
Arquitecturas MIMD
MULTIPROCESADORES
Procesadores fuertemente acoplados
Arquitectura de memoria compartida (globales)
MULTICOMPUTADORAS
Procesadores débilmente acoplados
Arquitectura de memoria distribuida (mensajes)
Multicomputadoras
Clasificación
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.
Multicomputadoras
Características generales
VENTAJAS
Escala 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.
DESVENTAJAS
Programación 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.
Filosofía opuesta a los Multiprocesadores.
Depende del tipo de problema.
Cuál es el punto justo?
…
Multicomputadoras
Granularidad
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:
tiempo de cómputo
Granularidad=
tiempo de comunicación
Granularidad gruesa: cada proceso tiene muchas instrucciones
Granularidad fina: pocas (incluso 1)
Los multiprocesadores funcionan mal en aplicaciones de granularidad
fina debido el alto costo de las comunicaciones.
Multicomputadoras
Ruteo (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
Multicomputadoras
Routing (cont)
Tipos de operaciones:
a) Unicast
b) Multicast
c) Broadcast
Problemas:
a) Deadlock (solución monotónica) Ej: regla y lápiz
b) Livelock (solo en adaptivas) Ej: pasillo
c) Starvation
Multicomputadoras
Conmutación (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.
Multicomputadoras
Soporte en el procesador
Ejemplos de procesadores que implementan recursos
específicamente diseñados con el objetivo de intercambiar mensajes
entre procesadores.
Historia: Intel iPAX 432, IBM AS/400, Caltech Hypercube, Inmos
Transputer, Cosmic Cube.
2000 - IBM Scalable POWERparallel 3: ver Willey cap 5
Multicomputadoras
El 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 (tutoriales on-line)
/**********************************************************************
Hello World MPI
***********************************************************************/
#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)
Multicomputadoras - MPP
Ejemplos MPP
Blue Gene
IBM #1 Nov2006
360 TeraFLOPS (teorico)
280 TeraFLOPS (real)
Toriode 3d 32x32x64=
65536 procesadores dual core
Multicomputadoras - MPP
Ejemplos MPP
Red Storm
Cray #2 Nov2006
Nodos: AMD Opteron dual core
Red: Cray SeaStar2 chip
Hypertransport 6 canales 6.4GB/s
Toriode 3d
Arquitecturas on-chip
Las mejoras en la tecnología se utilizan, en lugar de para incorporar mejoras
al procesador, para implementar multiprocesadores o multicomputadoras
dentro de un integrado (MpoC, Multiprocessor on Chip, o SoC, System on
Chip).
Arquitecturas de memoria compartida
Mismas consideraciones. Además: no siempre se comparte la memoria
principal, puede ser el cache L2 o L3. Además: eterogeneidad, pocos
procesadores complejos (Core de Intel) vs muchos procesadores simples; un
procesador complejo y varios simples (Cell de IBM); un procesador complejo y
procesadores específicos (DSP, SIMD, etc.)
Arquitecturas de memoria distribuida
Incluyen Network on Chip (NoC). Eterogeneidad.
Multicomputadoras - MPP
Casos de estudio
1. Arquitectura Cell de IBM y las consolas de juegos de séptima
generación (Xbox 360 de Microsoft, Playstation 3 de Sony y Wii de
Nintendo).
2. www.top500.org (2012)
Titan - Cray XK7 , Opteron
6274 16C 2.200GHz, Cray
Gemini interconnect, NVIDIA
K20x
Manufacturer: Cray Inc.
Cores: 560640
Linpack Performance (Rmax) 17590.0 TFlop/s
Theoritical Peak (Rpeak) 27112.5 TFlop/s
Power: 8209.00 kW
Memory: 710144 GB
Interconnect: Cray Gemini interconnect
Operating System: Cray Linux Environment
2008 - Intel Core i7
Nehalem represents the largest architectural change in the Intel x86 family since the Pentium Pro in 1995.
The Nehalem architecture has many new features.
The ones that represent significant changes from the Core 2 include:











FSB is replaced by QuickPath interface. Motherboards must use a chipset that supports QuickPath. As of
November 2008, only the Intel X58 does this. The Intel QuickPath Interconnect is a point-to-point processor
interconnect developed by Intel to compete with HyperTransport. It will replace the Front Side Bus (FSB) for
Desktop, Xeon, and Itanium platforms. Intel will first deliver it in November 2008 on the Intel Core i7 desktop
processor and the X58 chipset, and it will be used on new Nehalem-based Xeon processors and Tukwila-based
Itanium processors.
On-die memory controller: the memory is directly connected to the processor.
Three channel memory: each channel can support one or two DDR3 DIMMs. Motherboards for Core i7 have
four (3+1) or six DIMM slots instead of two or four, and DIMMs should be installed in sets of three, not two.
Support for DDR3 only.
Single-die device: all four cores, the memory controller, and all cache are on a single die.
"Turbo Boost" technology allows the cores to intelligently clock themselves to 133MHz or 266MHz over the
design clock speed so long as the CPU's thermal requirements are still met. This mode isn't enabled when the
CPU is manually over-clocked by the user.
Re-implemented Hyper-threading. Each of the four cores can process two threads simultaneously, so the
processor appears to the OS as eight CPUs. This feature was present in the older Netburst architecture but was
dropped in Core.
On-die, shared, inclusive 8MB L3 cache.
Only one QuickPath interface: not intended for multi-processor motherboards.
45nm process technology.
731M transistors.
Sophisticated power management can place an unused core in a zero-power mode.