Комп’ютерні системи з нетрадиційною архітектурою

 

 

Систолічні КС

У систоличних структурах дані на своєму шляху, від прочитування з пам’яті до повернення назад, пропускаються через як можна більше число ПЕ (рис.16.1).

 

 

Рисунок 16.1 - Обробка даних в КС з систоличною структурою

 

Якщо провести паралель у фізіології, то систоли більше всього нагадують систему судин і серце, яке постійно посилає кров у всі артерії, судини і капіляри тіла. Звідси і відбувається назва систолична матриця (систола - скорочення передсердя і шлуночків серця, при якому кров нагнітається в артерії). Систоличні структури ефективні при виконанні матричних обчислень, обробці сигналів, сортуванні даних і т.д.

Систолічні системи є дуже спеціалізованими обчислювачами і створюються в основному під конкретне завдання. Фактично, завдання побудови систоличного обчислювача зводиться до побудови апаратного конвеєра, що має чималий час отримання результату (тобто велику кількість ступенів) але при цьому порівняно маленький час між послідовною видачею результатів, оскільки значна кількість проміжних значень обробляється на різних ступенях конвеєра.

Розглянемо як приклад систоличну структуру, що виконує процес векторного множення матриць. В основі схеми лежить ритмічне проходження двох потоків даних x_i і у_j назустріч один одному. Послідовні елементи кожного потоку розділені одним тактовим періодом, щоб будь-який з них міг зустрітися з будь-яким елементом зустрічного потоку. Обчислення виконуються паралельно в процесорних елементах, кожний з яких реалізує один крок в операції обчислення скалярного множення (IPS, Inner Product Step) і носить назву IPS-елементу (рис.16.2).

Значення у_вх, що поступає на вхід ПЕ, підсумовується з добутком вхідних значень x_вх і а_вх. Результат виходить з ПЕ як у_вих. 3начение х_вх, крім того, для можливого подальшого використання рештою частини масиву транслюється через ПЕ без змін і покидає його у вигляді x_вих (рис.16.3).

Рисунок 16.2 – Функциональна схема IPS-елемента

 

 

Рисунок 16.3 – Процес векторного множення матриць

 

Систолична структура - це однорідне обчислювальне середовище з процесорних елементів, що суміщає в собі властивості конвеєрної і матричної обробки і що володіє наступними особливостями:

- обчислювальний процес в систоличних структурах є безперервною і регулярною передачею даних від одного ПЕ до іншого без запам’ятовування проміжних результатів обчислення;

- кожен елемент вхідних даних вибирається з пам’яті одноразово і використовується стільки раз, скільки необхідно по алгоритму, введення даних здійснюється в крайні ПЕ матриці;

- створюючі систоличну структуру ПЕ однотипні і кожний з них може бути менш універсальним, чим процесори звичайних багатопроцесорних систем;

- потоки даних і керуючих сигналів володіють регулярністю, що дозволяє об’єднувати ПЕ локальними зв’язками мінімальної довжини;

- алгоритми функціонування дозволяють сумістити паралелізм з конвеєрною обробкою даних;

- продуктивність матриці можна поліпшити за рахунок додавання в неї певного числа ПЕ, причому коефіцієнт підвищення продуктивності при цьому лінійний.

В даний час досягнута продуктивність систоличних процесорів: близько 1000 млрд операцій/с.