Ma'lumotlar grafigini aniq bajarish - Explicit data graph execution - Wikipedia

Ushbu maqola ko'rsatmalar to'plamining arxitektura turi haqida. Raqamli uyali telefon texnologiyasi uchun qarang GSM evolyutsiyasi uchun yaxshilangan ma'lumotlar stavkalari. Ayollarning ta'limni qo'llab-quvvatlash tashkiloti uchun qarang EDGE Foundation. EDGE qisqartmasidan boshqa foydalanish uchun qarang Yon (ajralish).

Ma'lumotlar grafigini aniq bajarish, yoki EDGE, bir turi ko'rsatmalar to'plami arxitekturasi (ISA) shunga o'xshash keng tarqalgan protsessorlarga nisbatan hisoblash ish faoliyatini yaxshilash niyatida Intel x86 chiziq. EDGE ko'plab individual ko'rsatmalarni "hyperblock" deb nomlanuvchi katta guruhga birlashtiradi. Hyperblocks osongina parallel ravishda ishlashga mo'ljallangan.

Zamonaviy protsessor dizaynlarining parallelligi, odatda, sakkizta ichki birlikda va birdan to'rttagacha "yadro" da platolardan boshlanadi, EDGE dizaynlari yuzlab ichki birliklarni qo'llab-quvvatlamoqchi va ishlov berish tezligini mavjud dizaynlardan yuz marta kattaroq taklif qiladi. EDGE kontseptsiyasining asosiy rivojlanishi Ostindagi Texas universiteti ostida DARPA Polimorfik hisoblash arxitekturasi dasturi, 2012 yilga qadar 1 ta TFLOPS ko'rsatkichiga ega bitta chipli protsessor dizayni ishlab chiqarishni maqsad qilib qo'ygan va 2018 yilga qadar amalga oshirilmagan.[1]

An'anaviy dizaynlar

Deyarli barcha kompyuter dasturlari ma'lumotlarni bir shakldan boshqasiga o'zgartiradigan bir qator ko'rsatmalardan iborat. Aksariyat ko'rsatmalar operatsiyani bajarish uchun bir nechta ichki qadamlarni talab qiladi. Vaqt o'tishi bilan turli bosqichlarning nisbiy ko'rsatkichlari va narxi keskin o'zgarib ketdi, natijada ISA dizaynida bir necha katta o'zgarishlar yuz berdi.

CISC - RISC

1960-yillarda xotira nisbatan qimmatga tushgan va protsessor dizaynerlari ushbu resursdan yaxshiroq foydalanish uchun ko'rsatmalar va ma'lumotlarni zich kodlangan ko'rsatmalar to'plamlarini ishlab chiqarishgan. Masalan, C hosil qilish uchun B ga A qo'shing ko'rsatma A va B ni turli joylardan to'playdigan turli xil shakllarda taqdim etiladi; asosiy xotira, indekslar yoki registrlar. Ushbu turli xil ko'rsatmalarni berish dasturchiga xotirada eng kam joy egallagan ko'rsatmalarni tanlashga imkon berdi, dastur ehtiyojlarini kamaytirdi va ma'lumotlarga ko'proq joy qoldirdi. Har qanday mumkin bo'lgan ko'rsatma uchun har qanday kirish rejimini ta'minlashga harakat qilgan ko'rsatmalar to'plami (masalan DEK VAX ) nomi bilan tanilgan ortogonal, keyin dizaynning paragonasi deb hisoblangan. Turli xil rejimlarga ega bo'lgan ushbu xotiradan foydalanish uslubi yuzlab turli xil ko'rsatmalarga ega bo'lgan ko'rsatmalar to'plamiga olib keldi, bu uslub bugungi kunda ma'lum CISC (Kompleks ko'rsatmalar to'plamini hisoblash).

1970-yillarning oxiriga kelib xotira arzonlashdi, ammo kam ishlash evaziga; Endi protsessor dizayni ular suhbatlashgan xotiradan bir necha marotaba tezroq ishlaydi. Ushbu yangi rejimga binoan ortogonallik istalmagan bo'lib qoldi. Ko'rsatmalarning har bir versiyasi protsessorda joy egallagan, ammo yaxshilanishi uchun ozgina yoki hech narsa qilmagan ishlash chunki ular sekin xotira bilan aloqa qilishdi, shu bilan birga xotirani tejash endi keraksiz edi. Ushbu davrda RISC (Reduced Instruction Set Computing) dizayn falsafasi rivojlandi. Asosiy maqsad, ko'pgina ko'rsatmalar uchun ichki yuqori mahsuldor registrlardan foydalangan holda, xotiraga kirishni iloji boricha kamaytirish edi. Yon ta'siri sifatida ko'rsatmalar uchun turli xil rejimlar yo'q bo'lib ketdi; bitta bo'lishi mumkin QO'ShIMChA ko'pchilik o'rniga ko'rsatma. Ushbu ko'rsatmalarni olib tashlash buyruq dekoderining murakkabligini pasaytirdi va protsessorda katta bo'shliqni bo'shatdi, bu bo'shliq registrlar sonini ko'paytirish uchun ishlatilgan.

Ichki parallellik

1990-yillarda mikrosxemalarni loyihalash va ishlab chiqarish jarayoni har qanday potentsial xususiyatga ega bo'lgan tovar protsessorini qurish imkoniyati darajasiga ko'tarildi. Ishlashni yaxshilash uchun protsessor dizayni ichki parallellikni qo'sha boshladi va "superskalar ". Har qanday dasturda bir-biriga bog'liq bo'lmagan ma'lumotlar ustida ishlaydigan ko'rsatmalar mavjud, shuning uchun ko'proq funktsional birliklarni qo'shish orqali ushbu ko'rsatmalar bir vaqtning o'zida bajarilishi mumkin. CPU ning yangi qismi rejalashtiruvchi, ushbu mustaqil ko'rsatmalarni qidiradi va ularni birliklarga boqadi, ularning natijalarini olib, qayta buyurtma qiladi, tashqi ko'rinishda ular ketma-ket yugurgan ko'rinadi.

Superskalar dizaynlarida olinadigan parallellik miqdori rejalashtiruvchining o'zaro bog'liqliklarni tekshirishi mumkin bo'lgan ko'rsatmalar soni bilan cheklangan. Ko'proq ko'rsatmalarni o'rganish parallel ravishda bajarilishi mumkin bo'lgan yo'riqnomani topish imkoniyatini yaxshilashi mumkin, lekin faqat rejalashtiruvchining o'zi murakkabligini oshirish evaziga. Katta sa'y-harakatlarga qaramay, klassik RISC yoki CISC ISA-laridan foydalangan holda protsessor dizayni uch yoki to'rtta funktsional birlikda joylashgan.[iqtibos kerak ].

Turli xil ishlaydigan qurilmalarni topish bo'yicha ko'rsatmalarni o'rganib chiqib, tizimdan qo'shimcha ishlash mumkin emas turlari ma'lumotlar va ushbu turdagi ma'lumotlarga bag'ishlangan birliklarni qo'shish; bu kiritilishiga olib keldi suzuvchi nuqta birliklari va yaqinda, bitta ko'rsatma, bir nechta ma'lumotlar (SIMD) birliklari. Ushbu yondashuvning kamchiligi shundaki, u protsessorni kamroq umumiy qiladi; masalan, deyarli barcha suzuvchi nuqta ko'rsatmalaridan foydalanadigan dastur bilan protsessorni oziqlantirish, boshqa birliklar bo'sh turgan holda FPU-larni bog'laydi.

Zamonaviy protsessor dizaynidagi so'nggi muammo bu registrlar bilan suhbatni kechiktirishdir. Umuman olganda, protsessor o'limining o'lchami vaqt o'tishi bilan deyarli bir xil bo'lib qoldi, protsessor tarkibidagi birliklarning hajmi esa tobora ko'proq birliklar qo'shilishi bilan ancha kichiklashdi. Bu degani nisbiy har qanday funktsiya birligi va global registr fayli orasidagi masofa vaqt o'tishi bilan o'sdi. Asosiy xotira bilan suhbatni kechiktirishga yo'l qo'ymaslik uchun kiritilganidan so'ng, global registr fayli o'zi kechikishga aylandi, bu esa qochishga to'g'ri keladi.

Yangi ISA?

Xotira bilan gaplashishning kechikishi, uning narxi tushib ketganda, ISA (Instruction Set Architecture) ning CISC-dan RISC-ga tubdan o'zgarishini taklif qilgani kabi, dizaynerlar ham parallellik miqyosidagi muammolar va registrlar bilan kechikishlarning ko'payishi asosiy ISA-ga yana bir o'tishni talab qiladimi deb o'ylashadi.

Yangi ISAni joriy etish usullari orasida juda uzun ko'rsatma so'zi (VLIW) arxitekturalari Itanium. VLIW rejalashtiruvchi mantig'ini protsessordan va kompilyatorga ko'chiradi, bu erda u ko'proq xotiraga ega va ko'rsatmalar oqimini tekshirish uchun uzoqroq vaqtga ega. Bu statik joylashtirish, statik muammo bajarilish modeli barcha kechikishlar ma'lum bo'lganda yaxshi ishlaydi, ammo kesh kechikishlari mavjud bo'lganda, buyruq so'zlarini to'ldirish kompilyator uchun qiyin bo'lganligini isbotladi.[2] Ma'lumotlar keshida bo'lsa, besh tsiklni bajarishi mumkin bo'lgan ko'rsatma, agar bo'lmasa, yuzlab narsani olishi mumkin, ammo kompilyator ushbu ma'lumotlarning ish vaqtida keshda bo'lishini bilishning imkoni yo'q - bu umumiy tizim yuki va boshqa omillar bilan belgilanadi tuzilgan dastur bilan hech qanday aloqasi bo'lmagan.

An'anaviy dizayndagi asosiy to'siq bu ma'lumotlar va ular ustida ishlaydigan ko'rsatmalar xotira haqida nazariy jihatdan tarqalib ketganligidir. Xotira ko'rsatkichlari umumiy ishlashda ustunlik qiladi va klassik dinamik joylashtirish, dinamik masala dizaynlar ularning ishlash qobiliyatlari chegarasiga etganga o'xshaydi. VLIW a-dan foydalanadi statik joylashtirish, statik muammo model, ammo o'zlashtirish qiyin bo'lgan, chunki dasturlarning ishlash vaqtini oldindan rejalashtirish va to'g'ri rejalashtirish qiyin.

EDGE

Nazariya

EDGE arxitekturalari - bu ISga asoslangan yangi sinf statik joylashtirish, dinamik muammo dizayn. EDGE tizimlari kompilyatsiya qilish manba kodi statik ajratilganlardan tashkil topgan shaklga hiperbloklar yuzlab yoki minglab individual ko'rsatmalarni o'z ichiga oladi. Ushbu giperbloklar keyinchalik CPU tomonidan dinamik ravishda rejalashtirilgan. Shunday qilib EDGE kompilyatsiya vaqtida mustaqil ma'lumotlarni qidirish bo'yicha VLIW kontseptsiyasining afzalliklarini va ular uchun ma'lumotlar mavjud bo'lganda ko'rsatmalarni bajarish superscalar RISC kontseptsiyasini birlashtiradi.

Haqiqiy dasturlarning aksariyat qismida ma'lumotlar va ko'rsatmalarning aloqasi aniq va ravshan. Dasturlar kichik bloklarga bo'linadi subroutines, protseduralar yoki usullar (davrga va foydalaniladigan dasturlash tiliga qarab), odatda ma'lumotlar kirish yoki chiqish joylarida aniq belgilangan kirish va chiqish joylariga ega. Ushbu ma'lumot yo'qolgan yuqori darajadagi til protsessorning ancha sodda ISA-ga aylantiriladi. Ammo bu ma'lumotlar shunchalik foydaliki, zamonaviy kompilyatorlar ushbu tushunchani "asosiy blok ", ularni dasturlar ichida aniqlashga urinish, ular orqali xotiraga kirishni optimallashtirish registrlar. Ko'rsatmalar blokida boshqaruv bayonotlari mavjud emas, lekin oldindan ko'rsatmalar bo'lishi mumkin. The ma'lumotlar oqimi grafigi ushbu bloklar yordamida, ko'rsatmalarning bir blokidan boshqasiga yoki ba'zi bir saqlash maydoniga ma'lumotlar oqimini belgilash orqali kodlangan.

EDGE-ning asosiy g'oyasi ushbu bloklarni ISA darajasida to'g'ridan-to'g'ri qo'llab-quvvatlash va ulardan foydalanishdir. Asosiy bloklar xotiraga aniq belgilangan usullar bilan kirganligi sababli, protsessor tegishli bloklarni yuklashi va ularni rejalashtirishi mumkin, shunda bitta blokning chiqishi to'g'ridan-to'g'ri uning ma'lumotlarini iste'mol qiladigan blokga o'tadi. Bu global registr fayliga bo'lgan ehtiyojni yo'q qiladi va dastur tomonidan registrlarga kirishni rejalashtirishda kompilyatorning vazifasini umuman soddalashtiradi - aksincha, har bir asosiy blokga o'zlarining mahalliy registrlari beriladi va kompilyator blok ichidagi kirishni optimallashtiradi. oddiyroq vazifa.

EDGE tizimlari juda o'xshashdir ma'lumotlar oqimi tillari 1960-70-yillarda va yana 1990-yillarda. Dataflow kompyuterlari dasturlarni "ma'lumotlar oqimini otish qoidasi" ga muvofiq bajaradilar, bu ko'rsatmalar operandlari mavjud bo'lganidan keyin istalgan vaqtda bajarilishi mumkinligini belgilaydi. EDGE-ga o'xshash ma'lumotlarning ajratilishi tufayli ma'lumotlar oqimi tillari o'zaro parallel bo'lib, ularga qiziqish umumiy hisoblash muammolari echimi sifatida massiv parallellikka ko'proq qiziqish ortidan ergashdi. O'sha paytdagi mavjud protsessor texnologiyasiga asoslangan tadqiqotlar shuni ko'rsatdiki, ma'lumotlar oqimi mashinasi uchun protsessor yaqinida etarli darajada ma'lumotlarni ushlab turish qiyin bo'lishi juda qiyin va aynan shu to'siq zamonaviy ishlab chiqarish texnikasi yuzlab protsessorlarni va ularni joylashtirib hal qilishi mumkin. bitta o'limdagi xotira.

Dataflow tizimlari hech qachon ommalashmaganligining yana bir sababi shundaki, davr kompilyatorlari kabi umumiy imperativ tillar bilan ishlash qiyin bo'lgan. C ++. Buning o'rniga, ko'pgina ma'lumotlar oqimlari tizimlari maxsus tillardan foydalangan Prograf, bu ularning tijorat manfaatlarini chekladi. O'n yillik kompilyator tadqiqotlari ushbu muammolarning ko'pini yo'q qildi va ma'lumotlar oqimi va EDGE yondashuvlari o'rtasidagi asosiy farq shundaki, EDGE dizaynlari keng qo'llaniladigan tillar bilan ishlashni maqsad qiladi.

CPU

EDGE-ga asoslangan CPU o'zlarining mahalliy registrlariga ega bo'lgan bir yoki bir nechta kichik blokli dvigatellardan iborat bo'ladi; realistik dizaynlarda yuzlab birliklar bo'lishi mumkin. Bloklar bir-biri bilan maxsus bloklararo aloqa aloqalari yordamida bog'langan. Tuzuvchi tomonidan blokga kodlangan ma'lumot tufayli, rejalashtiruvchi butun blokni tekshirishi mumkin, uning kirish joylari mavjudligini va uni dvigatelga yuborish uchun yuborishi mumkin - ichidagi individual ko'rsatmalarni o'rganishga hojat yo'q.

Murakkablikning ozgina oshishi bilan, rejalashtiruvchi bir nechta bloklarni tekshirishi mumkin, natijada birining chiqishi boshqasining kirishi sifatida beriladimi va bu bloklarni ularning birliklararo aloqa kechikishini kamaytiradigan bloklarga joylashtiring. Agar zamonaviy protsessor potentsial parallellik uchun mingta yo'riqnomani o'rganib chiqsa, xuddi shu murakkablik EDGEda har biri yuzlab ko'rsatmalardan iborat bo'lgan mingta hiperblokni tekshirishga imkon beradi. Bu rejalashtiruvchiga qo'shimcha xarajatlarsiz ancha yaxshi imkoniyatlarni beradi. Aynan shu ishlash uslubi kontseptsiyaga o'z nomini beradi; "grafika" - bu ular orasidagi oqayotgan ma'lumotlar bilan bog'langan bloklar qatori.

EDGE kontseptsiyasining yana bir afzalligi shundaki, u keng miqyosli. Past darajadagi dizayn, dastur tomonidan chaqirilgandek bloklarni yuboradigan stub rejalashtiruvchisi bo'lgan bitta blokli dvigateldan iborat bo'lishi mumkin. Ish stolida ishlashga mo'ljallangan EDGE protsessori o'rniga yuzlab blokli dvigatellarni o'z ichiga oladi. Kritik ravishda, ushbu dizaynlar orasidagi o'zgarishlarning barchasi faqat rejalashtiruvchi tomonidan ma'lum bo'lgan chipning jismoniy joylashuvi va shaxsiy ma'lumotdir; bitta blokli mashina uchun yozilgan dastur ish stoli versiyasida minglab marta tezroq bo'lsa ham hech qanday o'zgarishsiz ishlaydi. Quvvatni masshtablash ham keskin takomillashtirilgan va soddalashtirilgan; blokli dvigatellar quvvat sarfiga chiziqli ta'sir ko'rsatishi bilan kerak bo'lganda yoqilishi yoki o'chirilishi mumkin.

Ehtimol, EDGE kontseptsiyasining eng katta afzalligi shundaki, u har qanday ma'lumot yukini boshqarish uchun javob beradi. CPU ning turli qismlari turli xil ma'lumotlarga bag'ishlangan zamonaviy protsessor dizaynlaridan farqli o'laroq, EDGE protsessori odatda bitta turdagi ALU o'xshash birlik. Bir vaqtning o'zida bir nechta turli xil dasturlarni ishlaydigan ish stoli foydalanuvchisi, faqat suzuvchi nuqta yordamida bitta dasturda ovqatlanadigan ilmiy foydalanuvchi singari parallellik oladi; ikkala holatda ham rejalashtiruvchi har bir blokni birliklarga yuklaydi. Past darajadagi alohida blokli dvigatellarning ishlashi, masalan, ajratilgan FPUnikiga to'g'ri kelmaydi, ammo bunday katta ustunlikni katta parallellik orqali engib o'tishga harakat qiladi.

Amaliyotlar

TRIPS

Asosiy maqola: TRIPS arxitekturasi

The Ostindagi Texas universiteti deb nomlanuvchi EDGE ISA ishlab chiqardi TRIPS. Uni boshqarish uchun mo'ljallangan protsessorning mikroarxitekturasini soddalashtirish uchun TRIPS ISA har bir TRIPS hiperblokiga bir nechta aniq cheklovlarni qo'yadi, ular:

  • eng ko'p 128 ko'rsatmalarga ega,
  • ko'pi bilan 32 ta yuk va / yoki do'kon,
  • eng ko'pi bilan 32 ta ro'yxatdan o'tgan bank o'qiydi va / yoki yozadi,
  • blokning oxirini ko'rsatish uchun foydalaniladigan bitta filial qaroriga ega.

TRIPS kompilyatori ko'rsatmalarni hiperbloklarga statik ravishda to'playdi, shuningdek, ushbu bloklarni statik ravishda ALUlarda ishlash uchun kompilyatsiya qiladi. Bu shuni anglatadiki, TRIPS dasturlari aniq tuzilgan dasturga bog'liqdir.

2003 yilda ular 4 dan 4 gacha bo'lgan tarmoqdagi o'n oltita blokli dvigatellari bilan TRIPS prototipining namunasini, shuningdek, megabaytli mahalliy kesh va uzatish xotirasini ishlab chiqarishdi. TRIPS-ning bitta chipli versiyasi IBM Kanadada 130 nm jarayonidan foydalangan holda, ikkita ikkita "grid dvigatellari" va birgalikda 2-darajali kesh va turli xil qo'llab-quvvatlash tizimlari mavjud. Bunday to'rtta mikrosxemalar va gigabaytli operativ xotira eksperimentlar o'tkazish uchun kartochkaga joylashtirilgan.

TRIPS jamoasi 2008 yilda mavjud bo'lgan yuqori darajadagi tovar protsessorlarining ishlash ko'rsatkichidan taxminan 50 baravar ko'proq (1 yadroli Xeon 5160 17 ta ta'minotni taqdim etadi) 1 ta TFLOPS ishlashida ishlashga qodir bitta chipli dastur ishlab chiqarishni maqsad qilib qo'ygan edi. GFLOPS).

Naqd pul

CMU "s Naqd pul ishlab chiqaradigan kompilyator oraliq kod "Pegasus" deb nomlangan.[3] CASH va TRIPS kontseptsiyasi jihatidan juda o'xshashdir, ammo CASH ma'lum bir me'morchilik uchun mahsulot ishlab chiqarishga qaratilgan emas va shuning uchun bloklar tartibida qat'iy cheklovlar mavjud emas.

WaveScalar

The Vashington universiteti "s WaveScalar me'morchilik EDGE-ga deyarli o'xshash, ammo statik ravishda "to'lqinlar" ichida ko'rsatmalar joylashtirmaydi. Buning o'rniga, maxsus ko'rsatmalar (phiva rho) to'lqinlarning chegaralarini belgilang va rejalashtirishga ruxsat bering.[4]

Adabiyotlar

Izohlar

  1. ^ Ostindagi Texas universiteti, "TRIPS: 2012 yilgacha soniyada bir trillion hisob-kitob"
  2. ^ V. Xavanki, S. Banerjiya va T. Konte. "Keng miqyosli protsessorlar uchun daraxt mintaqalarini rejalashtirish", Yuqori samarali kompyuter arxitekturasi bo'yicha to'rtinchi xalqaro simpozium materiallari, 1998 yil yanvar, pg. 266–276
  3. ^ "Feniks loyihasi"
  4. ^ "WaveScalar ISA"

Bibliografiya