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Tema 1: Introducción
Motivación del procesamiento paralelo, su
“inevitabilidad”
Supercomputadores: Los Top 500
Paralelismo en Multiprocesadores: Perspectiva
histórica y enfoque actual
Avance sobre Arquitecturas de Paso de Mensajes
(introducción a las prácticas de la asignatura)
Evaluación de las prestaciones de un sistema
paralelo y sus límites (Ley de Amdahl)
Arquitecturas Paralelas
Un computador paralelo es una colección de elementos de
procesamiento que cooperan para resolver rápidamente
grandes problemas computacionales.
Cuestiones abiertas:
• ¿Cuántos elementos de procesamiento?
• ¿De qué potencia son esos elementos?
• ¿Cuánta memoria hay disponible?
• ¿Cómo se comunican los procesadores?
• ¿Cuáles son las abstracciones para expresar la
cooperación?
•¿Cómo se traduce todo esto en rendimiento?
•¿Cómo se escala la arquitectura?
¿ Porqué estudiar las Arquitecturas Paralelas ?
•A nivel de prestaciones, la computación paralela nos
coloca varios años por delante respecto a sistemas
monoprocesadores. Su uso es, pues, inevitable en
muchas aplicaciones reales en la actualidad.
•Proporcionan una alternativa a basar las prestaciones
únicamente en la frecuencia de reloj del procesador. Su
uso es, pues, inevitable desde el punto de vista
tecnológico.
•Este estudio se aplica a todas las etapas de diseño,
abriendo posibilidades de paralelismo en muchos
niveles.
Abstracción del Pase de Mensajes
•La combinación send-recv establece una copia memoria a
memoria y una sincronización entre los procesos involucrados
•Enviar un mensaje consume mucho tiempo:
- Construir la cabecera del mensaje; copiar los datos en el
buffer de la red; enviar el mensaje; copiar los datos en el
buffer receptor; copiar los datos del espacio S.O. al espacio usuario
Inevitabilidad Tecnológica (I): General
•En cuanto a tecnología del chip, los factores principales de
diseño que afectan a las prestaciones son:
- Disminución del “feature size” (d)
- Aumento del tamaño del chip en si mismo (waffer scale
integration)
•La disminución del “feature size (d)” se traduce en:
- Aumento de la velocidad de reloj proporcional a l
- Aumento del número de transistores proporcional a l2
(efecto total proporcional a l3)
•¿ Cuánto cabe esperar que continúe disminuyendo l ?
- Ley de Moore (Dr. G ordon Moore, Chairman, Intel)
- “La densidad de circuitos en un chip se dobla cada 18
meses”.
(Nota: Ley totalmente empírica)
Inevitabilidad Tecnológica (II): Paralelismo y
Ley de Moore
* Ley de Moore
Prestaciones pico de varios computadores a lo largo de los años
La experiencia demuestra que la ley empírica de Moore se
Cumple en la práctica.
(Nota: La Ley de Moore se aplica solo a “prestaciones pico”.
Las prestaciones finales se ven muy afectadas por otras consideraciones de diseño, muchas de ellas relacionadas con
el software).
* Barreras
- Hipótesis: No es posible crecer más que lo indicado por
la Ley de Moore (que aún siendo mucho, es un límite)
Extrapolación de tasas de crecimiento de prestaciones (análisis de los top 500)
* Consideraciones
Adicionalmente es concebible que finalmente se llegue
a los límites de las actuales tecnologías de semiconductores, necesitándose un cambio cualitativo imprevisible.
Conclusión:
Paralelismo en la ejecución de operaciones como única
forma de sobrepasar la Ley de Moore.
Inevitabilidad Tecnológica (III): Memoria (I)
• Descomposición de un problema
* Computación
* Datos
* Visualización
• Consideraciones sobre la memoria
* Es un hecho que el volumen de datos asociados
a las necesidades computacionales actuales crece de una forma exponencial.
* Es un hecho que la velocidad de acceso a memoria crece mucho más lentamente que la velocidad
a la que se puede operar con los datos
Inevitabilidad Tecnológica (III): Memoria (II)
Gráfica de aumento de la velocidad y capacidad de la memoria
Conclusión:
1) Paralelismo en la ejecución como forma de enmascarar
latencias de acceso a memoria.
2) Paralelismo en el acceso a los datos en diferentes bancos
de memoria.
Inevitabilidad en las aplicaciones
Nuevas áreas de computación científica emergen, y otras se
consolidan, con necesidades generales de computación que
crecen experimentalmente.BioInformática:
- Distintos proyectos Genoma
(por ejemplo “Proyecto Genoma Humano”)
- Proyectos en Genoma Estructural
- Farmacogenómica: nuevas revoluciones en
medicina.
Medicina:
- Paso de scanners en 2D a scanners en 3D y 4D.
Física:
- Física atómica
- Nuevos retos en la computación cuántica.
Aparecen nuevas áreas en computación de propósito
general.- Todo lo relacionado con vida
- Data warehousing y Data Mining
- Gráficos
Conclusión:
Las nuevas áreas de aplicación de la computación nos
fuerzan a ir más allá de los límites de la Ley de Moore,
tanto en velocidad de cálculo como en acceso a memoria.
El único camino es la computación paralela.
Hacia el paralelismo:
Gestión del ‘budget” de transistores por chip
Dos alternativas octogonales que deben balancearse:
- Aumentar la complejidad de las unidades
funcionales (UF’s), o incluso replicarlas
- Colocar diversas etapas de memoria “on
chip”
Conclusión:
“Alternativas condenadas a entenderse”.
Hacia el paralelismo:
Aumento de la complejidad de los UF’s
De esta forma conseguimos:
- Paralelismo a nivel de bit
- Paralelismo a nivel de instrucción (ILP)
- Paralelismo a nivel de hebra
Hacia el paralelismo:
Ejemplo de cambio cualitativo
Ejemplo de :
- Introducción del paralelismo a nivel de bit.
- Introducción de economía de escala en diseño y
producción.
Hacia el paralelismo:
Contra ejemplo (límites en cambios)
- Límites al paralelismo a nivel de bit
- Límites al paralelismo a nivel de ILP
Conclusión:
Hay que introducir el paralelismo a todos los niveles,
adoptando una perspectiva jerárquica y agotando cada
nivel intermedio.
El nivel último son los multiprocesadores.
Evolución de las Arquitecturas
2002 Computer product segments
Computing
power
Client
computers
Desktop
supercomputers
Desktop
computers
Notebook
computers
Special servers
(supercomputers,
massively parallel
computers, and
others)
Enterprise servers
Special servers:
(legacy, midrange)
transactions
data mining
simulation
video
virtual reality
Web and local-area
network servers
Home
servers
Server
computers
Application
Specific PCs
$$ hundreds
$$ millions
1997 Computer product segments
Massively
parallel computers
Computing
power
Supercomputers
Mainframe
computers
Desktop
supercomputers
Workstation
computers
Personal
computers
Minicomputers
Workstation
servers
PC
servers
Application
Specific PCs
$$ hundreds
$$ millions
Supercomputación: Generales
-Concepto de “Supercomputación” como motor estratégico de
arquitecturas de altas prestaciones.
- ¿Qué es un Supercomputador?
* Definiciones “conceptuales”
- “Un computador excepcionalmente rápido”
- “Un sistema para resolver grandes problemas muy
rápidamente”
* Definición “tecnológica”
-” Un computador cuyo cuello de botella está en la
I/O” (Convex Inc.)
* Definición “operativa”
- “Es uno de los 500 sistemas más rápidos del mundo en cada momento según el conocido test Linpak”
- Establecimiento de la iniciativa “Top 500” como
mecanismo para analizar la evolución de los supercomputadores.
Arquitectura Paralela: AYER
Históricamente, la computación paralela ha consistido en
una serie de modelos rivales y arquitecturas divergentes,
sin una línea de desarrollo predecible.
La incertidumbre arquitectural
ha paralizado
el desarrollo del software paralelo
Arquitectura Paralela: HOY
Extensión de la noción clásica de la arquitectura de computadores (ISA), para soportar comunicación y cooperación.
Arquitectura de Comunicaciones =
Abstracción de la Comunicación + Implementación
Abstracción:
•Primitivas de comunicación HW/SW visibles al programador (ISA)
•Ej.: memoria compartida, pase de mensajes, …
•Se asume que las primitivas se implementen eficientemente.
Implementación:
•Integración del controlador de comunicaciones
•Estructura de la red de interconexión
Arquitectura de Comunicaciones
Aplicaciones Paralelas
Multiprogramación
Paso de Paralelismo
Memoria
compartida mensajes de datos
Modelo de
Programación
Abstracción de las
comunicaciones
Compilación o
Librería
Sistema Operativo
Interfaz
Usuario/sistema
Frontera
Hardware/Software
Comunicación Hardware
Una frontera plana significa
convergencia en la estructura
organizativa
Mapeo Simple/Complejo de la
abstracción de las comunicaciones
en las primitivas de hardware
Arquitecturas Paralelas Básicas:
•
•
Arquitectura de Memoria Compartida
Arquitectura de Memoria Privada
Arquitecturas de Pase de Mensajes
Concepto:
Comunicación tipo “correo postal”
Proceso 0
Dato
Puedo enviar?
Proceso 1
Si
Data
Data
Data
Data
Data
Data
Data
Dato
Tiempo
Propiedad Clave:
La comunicación (cooperación) entre procesadores está
integrada al nivel de I/O, y no en el sistema de memoria
(ahora los bloques de diseño son computadores completos)
Abstracción de la Comunicación:
Espacio en el Direccionamiento Local
Los procesadores solo pueden acceder a su memoria local,
estableciéndose la comunicación/sincronización mediante
llamadas explícitas al S.O. (mensajes send/receive)
Abstracción del Pase de Mensajes
•La combinación send-recv establece una copia memoria a
memoria y una sincronización entre los procesos involucrados
•Enviar un mensaje consume mucho tiempo:
- Construir la cabecera del mensaje; copiar los datos en el
buffer de la red; enviar el mensaje; copiar los datos en el
buffer receptor; copiar los datos del espacio S.O. al espacio usuario
Aspectos de Diseño
Denominación:
¿Cómo se designan a los datos lógicamente compartidos
y/o a los nodos?
Latencia:
¿Cuál es la latencia de comunicación?
Ancho de Banda:
¿Cuántos datos pueden comunicarse por segundo?
Sincronización:
¿Cómo pueden sincronizarse los productores y consumidores de datos?
Granularidad de los Nodos:
¿Cómo se divide el Si entre procesadores y memoria?
Aplicabilidad:
¿Propósito general o propósito especial?
Latencia y Ancho de Banda
Latencia y ancho de banda son factores clave en el
rendimiento de una arquitectura paralela y se utilizan
en la evaluación de alternativas de diseño.
Opciones para Controlar la Latencia
• Reducir la frecuencia de las operaciones de latencia alta
• Reducir la latencia: caches, controlador de comunicaciones
• Enmascarar la latencia: superposición entre comunicaciones
y computaciones, anticipación, ...
Coste de la Comunicación
Coste Comunicación =
Frecc x (Coste c + Latencia + Tamaño Transf. - Superpos.
Ancho de Banda
Frecc : Número de operaciones de comunicación por unidad
de computación en el programa (software y hardware)
Costec : Tiempo consumido en iniciar y gestionar la comunicación.
Latencia: Tiempo para transferir datos desde la fuente al destino a través de la red de interconexión.
Tamaño Transf.: Determinado por la línea cache (memoria
compartida) o variable según el programa (pase de mensajes)
Ancho de Banda: Velocidad de transferencia de datos a través
de la red.
Superpos.: Porción de la operación de comunicación realizaDa simultáneamente con computación útil.
Compromisos de Diseño
Latencia y Ancho de Banda interaccionan en los sistemas paralelos reales de una forma más o menos
compleja.
Multiprocesador de Bus Compartido
El ancho de banda del bus es fijo, y debe compartirse por
los accesos a memoria (fallos cache) de todos los procesadores: peligro de contención (saturación).
El factor de escala del bus depende de su ancho de banda,
la velocidad del procesador, la mezcla de instrucciones y
el índice de fallos cache.
El ancho de banda puede incrementarse sustituyendo el bus
por una red escalable. Pero estas redes suelen tener mayor
latencia que un bus único en el caso de no saturación (no
sobrecarga)
Conceptos básicos de evaluación
Ts: Tiempo requerido para resolver el problema en un
procesador individual (“Tiempo en secuencial”)
TP: Tiempo requerido para resolver el problema en un
sistema de p procesadores (“Tiempo en paralelo”)
+ Aceleración: Ts/TP
+ Eficiencia: TS/(pTp)
+ Balanceo: Tultimo procesador - Tprimer procesador
Ley de Amdahl aplicada al paralelismo
Definición: Si un sistema consiste de p procesadores idénticos
Y la parte serie de un programa es una fracción f, entonces la
máxima aceleración que podemos alcanzar, S, es:
S
<
— (f + ( 1 - f)/p)-1
El límite para p ->  es S = f-1
Ejemplos para distintos f, P y s :
f
p
S
S/p
0,5
64
1024
64
1024
64
1024
64
1024
64
1024
16384
1,969
1,998
4,706
4,981
8,767
9,913
15,422
19,636
39,264
91,184
99,399
0,031
0,002
0,074
0,005
0,137
0,010
0,241
0,019
0,614
0,089
0,006
0,2
0,1
0,05
0,01
Gráfica de la Ley de Amdahl aplicada a MPP’s
Aceleración
_1
f
f=0
Overhead = 0
f= 0
Overhead = 0
f=0
Overhead = 0
Número de Procesadores
Conclusión fundamental:
La fracción serie, f, de un programa limita la aceleración
1
a
, aún en el caso de contar con infinitos procef
sadores.
La overhead asociada con la paralelización, que siempre
ocurre en un sistema real, reduce este límite aún mas.