Tiểu luận môn tính toán lưới TÌM HIỂU TÍNH TOÁN SONG SONG

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN  TÍNH TOÁN LƯỚI ĐỀ TÀI: TÌM HIỂU TÍNH TOÁN SONG SONG GVHD: PGS. TS. Nguyễn Phi Khứ Thực hiện: Trịnh Quốc Hùng - CH1101088 Thành phố Hồ Chí Minh - Tháng 07 Năm 2013 Tính Toán Lưới NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN Mục lục Tìm hiểu tính toán song song Trang 2 Tính Toán Lưới Tìm hiểu tính toán song song Trang 3 Tính Toán Lưới 1. Tổng quan về tính toán song song 1.1. Tính toán tuần tự - Một vấn đề được chia thành một dãy rời rạc các chỉ thị (Instruction – lệnh máy tính) mà máy tính có thể hiểu để thực hiện. - Máy tính thực hiện các chỉ thị theo thứ tự mà chúng xuất hiện. - Chỉ có duy nhất một chỉ thị được thực hiện tại một thời điểm. - Các phần mềm ứng dụng đều được viết cho các máy tính tuần tự. Máy tính tuần tự là loại máy tính thực hiện các lệnh một cách tuần tự và tại mỗi thời điểm chỉ một chỉ thị duy nhất được thực hiện. Cách tính toán tuần tự trên máy đơn nguyên có thể minh họa bởi hình 1.1 Hình 1.1 Mô tính toán tuần tự 1.2. Tính toán song song Tính toán song song là quá trình tính toán gồm nhiều tiến trình được kích hoạt đồng thời và cùng tham gia tính toán giải quyết một vấn đề, và nói chung phải thực hiện trên các hệ thống đa bộ xử lí. - Một vấn đề cần tính toán được phân hoạch thành các phần tính toán rời rạc, các phần này lại có thể tính toán được đồng thời (song song). - Từng phần của phân hoạch lại được chia nhỏ thành chuỗi các chỉ thị và được thực hiện tuần tự. - Các chỉ thi của từng phần thực hiện đồng thời trên các CPU khác nhau. Quan niệm đơn giản nhất, tính toán song song là việc sử dụng đồng thời nhiều máy tính được kết nối thành mạng hoặc chỉ trên một máy tính nhưng có nhiều hơn hai bộ xử lý. Tìm hiểu tính toán song song Trang 4 Tính Toán Lưới Hình 1.2 Mô tính toán song song Trong tính toán song song hiện nay, có hai công nghệ chính: Thứ nhất là sử dụng các siêu máy tính với rất nhiều bộ xử lý được tích hợp bên trong được thiết kế đồng bộ cảvềphần cứng và phần mềm. Các công nghệ được áp dụng trong các siêu máy tính thường là các công nghệ tiên tiến làm cho giá thành của hệ thống siêu tính tăng rất cao.Vì thế các siêu máy tính thường được sử dụng trong các lĩnh vực mà vấn đềtính toán phức tạp, nhạy cảm và yêu cầu thời gian thực như mô phỏng thực hiện của các động cơ máy bay, quốc phòng, vũ trụ Cách thứ hai là kết nối các máy tính lại với nhau và cùng thực hiện bài toán. Hệ thống các máy tính kết nối này chính là hệ thống tính toán song song phân cụm. Hệ thống này có ưu điểm là giá thành rẻ hơn rất nhiều so với siêu máy tính có cùng sức mạnh (do sử dụng các thiết bị thông thường) và tính linh hoạt của hệthống (sốnút, số bộ xử lý, bộ nhớ, thiết bịmạng đều mang tính tuỳ biến cao). Sự phát triển mạnh mẽ của mạng máy tính, các công nghệ mạng hiện nay đã lấp đi hạn chế về truyền thông trong hệ thống máy tính song song phân cụm làm cho nó được phát triển rộng rãi. Các lĩnh vực sử dụng hệ thống tính toán song song phân cụm thường yêu cầu tính toán các kiến trúc song song. 1.3. Tại sao sử dụng tính toán song song? • Tiết kiệm thời gian và / hoặc tài chính Tìm hiểu tính toán song song Trang 5 Tính Toán Lưới • Giải quyết được các vấn đề lớn hơn, phức tạp hơn Nhiều vấn đề quá lớn và/hoặc quá phức tạp đến nỗi nó không thực tế hoặc không có khả năng giải quyết chúng trên máy tính đơn, đặc biệt là bộ nhớ máy tính lại bị hạn chế. Chẳng hạn các vấn đề: - Dự báo thời tiết, bão, động đất, sóng thần, mô hình sinh thái, … - Máy dò tìm web/CSDL để xử lý hàng triệu triệu giao dịch trên một giây (công cụ tìm kiếm web/CSDL xử lý hàng triệu giao dịch/giây) - … • Cung cấp tính đồng thời • Sử dụng tài nguyên phi cục bộ Sử dụng tài nguyên tính toán trên một mạng diện rộng, hoặc thậm chí Internet khi tài nguyên tại nơi tính toán tài nguyên đang khan hiếm, không đủ. Ví dụ: • Những hạn chế khi tính toán tuần tự o Tốc độ truyền - tốc độ của một máy tính tuần tự phụ thuộc trực tiếp vào tốc độ chuyển dữ liệu qua phần cứng. Giới hạn tốc độ tuyệt đối là tốc độ của ánh sáng (30 cm/nanosecond) và hạn chế sự lan truyền (băng thông) của dây đồng (9 cm/nanosecond). Để tăng tốc độ cần phải tăng số lượng các phần tử xử lý, o Các giới hạn về công nghệ tiểu họa vi xử lý (miniaturization – processor technology) là cho phép tăng số lượng bóng bán dẫn được đặt trên một chip. Tuy nhiên, ngay cả với các thành phần cấp độ phân tử hoặc nguyên tử thì một giới hạn cũng sẽ được đạt đến dù các thành phần nhỏ đến thế nào đi nữa. o Các hạn chế về kinh tế - làm một bộ xử lý đơn càng nhanh thì càng đắt tiền. o Các kiến trúc máy tính hiện tại đang ngày càng dựa vào khả năng song song hóa phần cứng để cải thiện hiệu suất như:  Có nhiều đơn vị thực hiện  Dùng các chỉ lệnh đường ống (Pipelined instructions)  Đa nhân (Multi-core) Tìm hiểu tính toán song song Trang 6 Tính Toán Lưới Một vấn đề được thực hiện song song sẽ có các ưu/nhược điểm cơ bản sau: Ưu điểm: - Có thể kết thúc công việc sớm hơn, - Chi phí có thể ít hơn nhiều, - Nhược điểm: - Tăng tính phức tạp cho hệ thống. - Tăng chi phí cho nhân lực vì phải tăng nhân lực - Tăng chi phí mua các thiết bị. - Tăng chi phí lắp đặt hệ thống. Trong 20 năm qua, sự phát triển mạnh của các mạng (network), hệ thống phân tán và kiến trúc đa xử lý (thậm chí là máy tính để bàn) đã cho thấy rõ song song là xu hướng của tính toán. Trong thời gian đó, các siêu máy tính đã tăng hơn 1000 lần về hiệu xuất, và sẽ tiếp tục trong tương lai. Tìm hiểu tính toán song song Trang 7 Tính Toán Lưới Tính toán song song hiện đang được sử dụng rộng rãi trên thế giới trong nhiều ứng dụng lớn Nguồn: Top500.org Tìm hiểu tính toán song song Trang 8 Tính Toán Lưới Nhà cung cấp: Tìm hiểu tính toán song song Trang 9 Tính Toán Lưới Phần lớn các siêu máy tính trên thế giới là các cụm phần cứng được sản xuất bởi một số ít các nhà cung cấp nổi tiếng Nguồn: Top500.org 2. Các mô hình máy tính song song Micheal Flynn chia kiến trúc máy tính song song như hình sau: 2.1. Đơn chỉ thị đơn dữ liệu (SISD - Single Instruction Single Data) − Dùng cho máy tính đơn nguyên tuần tự - không song song − Đơn chỉ thị: mỗi thời điểm chỉ dùng một chỉ có một chỉ thị đang được xử lý bởi CPU trong một chu kỳ đồng hồ nào đó. Chẳng hạn, hình 2.1, chu kỳ đồng hồ thứ nhất load, chu kỳ đồng hồ thứ hai load, … , chu kỳ đồng hồ cuối cùng Store Tìm hiểu tính toán song song Trang 10 [...]... . Mục lục Tìm hiểu tính toán song song Trang 2 Tính Toán Lưới Tìm hiểu tính toán song song Trang 3 Tính Toán Lưới 1. Tổng quan về tính toán song song 1.1. Tính toán tuần tự - Một vấn. song song Trang 7 Tính Toán Lưới Tính toán song song hiện đang được sử dụng rộng rãi trên thế giới trong nhiều ứng dụng lớn Nguồn: Top500.org Tìm hiểu tính toán song song Trang 8 Tính Toán Lưới Nhà. song phân cụm thường yêu cầu tính toán các kiến trúc song song. 1.3. Tại sao sử dụng tính toán song song? • Tiết kiệm thời gian và / hoặc tài chính Tìm hiểu tính toán song song Trang 5 Tính Toán