Області застосування і задачі паралельної обробки

Є коло обчислювальних задач, для розв’язку яких необхідні потужніші обчислювальні ресурси, ніж ті, які можуть забезпечити типові комп’ютери чи системи. В таких задачах необхідно забезпечити: надвисоку швидкодію, великий об’єм оперативної пам’яті, велику кількість інформації, що передається, обробку і зберігання великого об’єму інформації. При наявності хоча б однієї з наведених вимог використання паралельної обробки оправдано.

Приклади:

1. Складні, багатовимірні задачі, які необхідно розв’язати на протязі досить обмеженого часу, вимагають забезпечення надвисокої швидкодії, наприклад - задачі прогнозу погоди. Область розв’язку (атмосфера) розбивається на окремі просторові зони. Причому, для забезпечення прогнозу на певному періоді часу, обчислення в кожній зоні повторюється багато разів. Якщо об’єм зони рівний 1 км³, то для моделювання 10 км атмосфери необхідно 5х10⁸ таких зон. Припустимо, що обчислення в кожній зоні вимагає 200 операцій з рухомою крапкою, тоді за один часовий крок необхідно виконати 10¹¹ операцій з рухомою крапкою. Для того, щоб зпрогнозувати погоду з передбачуванністю 10 днів з 10-ти хвилинним кроком комп’ютеру з продуктивністю 100 Mflops (10⁸ операцій з рухомою крапкою за секунду) необхідно 10⁷ секунд чи понад 100 днів. Для того, щоб провести розрахунок за 10 хв., необхідний комп’ютер продуктивністю 1.7 Tflops (1.7X10¹² операцій з рухомою крапкою за секунду).

2. До категорії задач, що вимагають великого об’єму оперативної пам’яті, відносяться, наприклад, задачі гідро- і газодинаміки з розрахунку течій з врахуванням різних фізичних і хімічних процесів. Такі задачі є, як правило, багатовимірними, і розрахунок по кожному з напрямків вимагає оперативної пам’яті понад 10 Гбайт. В квантовій хімії неемпіричні розрахунки електронної структури молекул вимагають обчислювальних затрат, пропорційних N⁴ чи N⁵, де N умовно характеризує кількість молекул.

3. Вимога забезпечення великої кількості інформації, що передається характерна для задач гідро- і газодинаміки з змінюючими граничними умовами, коли обчислювальний алгоритм постійно вимагає підведення нової інформації, і задач економічної оптимізації, що описують поведінку системи, яка занурена в середовище з неперервно змінюючими властивостями, від яких залежить стан системи.

4. Проблема обробки і зберігання великого об’єму інформації характерна для задач астрономії, спектроскопії, біології, ядерної фізики.

Конвеєризація і паралелізм

Конвеєризація – метод, що забезпечує сукупність різних дій за рахунок їх розбиття на підфункції з зміщенням в часі виконанням. Конвеєрний пристрій розробляють з окремих ступенів, час спрацювання яких в ідеальному випадку повинен бути однаковим.

Паралелізм – метод, що забезпечує виконання різних функцій шляхом їх розбиття на підфункції з одночасним виконанням в часі.

Приклад:

Варіант структурної схем виконання виразу при паралельній обробці наведений на рис.1.1.