Что такое матрица процессора

Обновлено: 06.07.2024

Матричный процессор вместе с адаптером можно рассматривать как сложное устройство ввода-вывода, объединяющее функции канала, устройства управления и внешнего устройства. Управляется оно при помощи той же самой системы управляющих слов, которая применяется в системе ввода-вывода ЕС ЭВМ ( команда ввода - вывода, КСК, УСУ, ССК), и механизма прерываний по вводу-выводу. [1]

Матричный процессор предназначен для быстрого выполнения таких операций с плавающей занятой, которые имеют место при матричных исчислениях и преобразованиях Фурье. При этом благодаря параллельному выполнению нескольких процессов достигается боль-шая внутренняя скорость вычислений, которая в зависимости от размера полей и алгоритма соединения может быть в 10 - 50 раз больше, чем у обычной программы. [2]

Матричные процессоры наилучшим образом ориентированы на реализацию алгоритмов обработки упорядоченных ( имеющих регулярную структуру) массивов входных данных. Они появились в середине 70 - х годов в виде устройств с фиксированной программой, которые могли быть подключены к универсальным ЭВМ; но к настоящему времени в их программировании достигнута высокая степень гибкости. Зачастую матричные процессоры используются в качестве вспомогательных процессоров, подключаемых к главной универсальной ЭВМ. В большинстве матричных процессоров осуществляется обработка 32-разрядных чисел с плавающей запятой со скоростью от 5 - Ю6 до 50 - Ю6 флопс. Как правило, они снабжены быстродействующими портами данных, что дает возможность для непосредственного ввода данных без вмешательства главного процессора. [3]

Матричный процессор предназначен для решения задач, в которых с большим потоком данных многократно выполняется определенный ограниченный набор математических операций. [4]

Матричный процессор конструктивно представляет собой стойку, содержащую три рамы и пульт управления внутри стойки. Матричный процессор питается от трехфазной стандартной сети, потребляя мощность 2 кВ - А. [6]

Матричный процессор ЕС-2345 является дополнительным средством к ЭВМ ЕС-1045 и подключается к ней в качестве седьмого канала. Применение матричного процессора ( МП) особенно эффективно при решении задач, где необходимо производить многократно повторяющиеся действия над группой данных ( ряда, матрицы), разгружая тем самым центральный процессор. Обработка данных МП ведется параллельно и независимо от работы, проводимой в центральном процессоре. [7]

Скорость матричных процессоров измеряется в единицах MIPS ( Millions of Instructions Per Second - миллионы операций в секунду) или MFLOPS ( Millions of Floating-point Operations Per Second - миллионы операций с плавающей запятой в секунду), которые распространены в одинаковой мере. [9]

Работа матричного процессора устойчива по отношению к локальным повреждениям. [10]

В структуру матричного процессора входят: арифметическое устройство, устройство управления, блок микропрограммного управления, пульт управления и система электропитания. [11]

Для управления матричным процессором , эффективного использования его функциональных возможностей и повышения надежности разработана система программного обеспечения МП, состоящая из специальных программ метода доступа, программных средств восстановления и диагностики и средств оперативного тестирования. [12]

Суперкомпьютеры ( и матричные процессоры ) состоят из большого числа связанных между собой элементарных процессоров, что позволяет проводить большое число параллельных операций над данными. Эти процессоры синхронизованы и управляются таким образом, что быстродействие суперкомпьютера значительно превышает скорость вычислений обычной универсальной ЭВМ. В обычном компьютере эта задача решается путем проведения ста последовательных операций сложения, по одной на каждую пару соответствующих компонент векторов. В суперкомпьютере аналогичные вычисления производятся значительно быстрее, так как сложение векторов осуществляется выполнением одновременно 100 операций сложения чисел. Нетрудно видеть, что выигрыш в быстродействии по сравнению с отдельным ЦП стократный. [13]

Эффективность вычислительного комплекса матричный процессор - ЭВМ обеспечивается как высокой производительностью самого матричного процессора и параллельной его работой с центральным процессором, так и организацией работы матричного микропроцессора в составе системы с помощью программного обеспечения, в котором применены эффективные алгоритмы, основанные на использовании системных средств ОС ЕС и предназначенные для быстрого выполнения процедур ввода-вывода. [15]

Существующие в настоящее время алгоритмы прикладных задач, системное программное обеспечение и аппаратные средства преимущественно ориентированы на традиционную адресную обработку данных . Данные должны быть представлены в виде ограниченного количества форматов (например, массивы, списки, записи), должна быть явно создана структура связей между элементами данных посредством указателей на адреса элементов памяти, при обработке этих данных должна быть выполнена совокупность операций, обеспечивающих доступ к данным по указателям. Такой подход обуславливает громоздкость операционных систем и систем программирования, а также служит препятствием к созданию вычислительных средств с архитектурой, ориентированной на более эффективное использование параллелизма обработки данных.

Ассоциативные процессоры

Ассоциативный способ обработки данных позволяет преодолеть многие ограничения, присущие адресному доступу к памяти, за счет задания некоторого критерия отбора и проведения необходимых преобразований, только над теми данными, которые удовлетворяют этому критерию . Критерием отбора может быть совпадение с любым элементом данных, достаточным для выделения искомых данных из всех имеющихся. Поиск данных может происходить по фрагменту, имеющему большую или меньшую корреляцию с заданным элементом данных.

Исследованы и в разной степени применяются несколько подходов, различающихся полнотой реализации модели ассоциативной обработки . Если реализуется только ассоциативная выборка данных с последующим поочередным использованием найденных данных, то говорят об ассоциативной памяти или памяти, адресуемой по содержимому. При достаточно полной реализации всех свойств ассоциативной обработки используется термин "ассоциативный процессор ".

Ассоциативные системы относятся к классу: один поток команд – множество потоков данных ( SIMD = Single Instruction Multiple Data ). Эти системы включают большое число операционных устройств, способных одновременно по командам управляющего устройства вести обработку нескольких потоков данных. В ассоциативных вычислительных системах информация на обработку поступает от ассоциативных запоминающих устройств (АЗУ), характеризующихся тем, что информация в них выбирается не по определенному адресу, а по ее содержанию.

Конвейерные процессоры

Процессоры современных компьютеров используют особенную технологию – конвейеры , которые позволяют обрабатывать более одной команды одновременно.

Обработка команды может быть разделена на несколько основных этапов, назовем их микрокомандами . Выделим основные пять микрокоманд :

выборка команды;
расшифровка команды;
выборка необходимых операндов;
выполнение команды;
сохранение результатов.

Все этапы команды задействуются только один раз и всегда в одном и том же порядке: одна за другой. Это, в частности, означает, что если первая микрокоманда выполнила свою работу и передала результаты второй, то для выполнения текущей команды она больше не понадобится, и, следовательно, может приступить к выполнению следующей команды. Выделим каждую команду в отдельную часть устройства и расположим их в порядке выполнения. В первый момент времени выполняется первая микрокоманда . Она завершает свою работу и начинает выполняться вторая микрокоманда , в то время как первая готова для выполнения следующей инструкции. Первая инструкция может считаться выполненной, когда завершат работу все пять микрокоманд .

Такая технология обработки команд носит название конвейерной обработки. Каждая часть устройства называется ступенью конвейера , а общее число ступеней – длиной конвейера .

Во многих вычислительных системах наряду с конвейером команд используются и конвейеры данных .

Сочетание этих двух конвейеров позволяет достичь очень высокой производительности на определенных классах задач, особенно если используется несколько различных конвейерных процессоров, способных работать одновременно и независимо друг от друга.

Одной из наиболее высокопроизводительных вычислительных конвейерных систем считается СRАY. В этой системе конвейерный принцип обработки используется в максимальной степени. Имеется и конвейер команд, и конвейер арифметических и логических операций. В системе широко применяется совмещенная обработка информации несколькими устройствами. Максимальная пиковая производительность процессора может составлять 12 GFLOPS .

В настоящее время созданы однокристальные векторно-конвейерные процессоры, основными компонентами которых являются скалярный процессор и 8 идентичных векторных устройств, суммарная производительность которых составляет 64 GFLOPS . На их основе построена система SX-6 компании NEC.

Матричные процессоры

Наиболее распространенными из систем класса один поток команд – множество потоков данных ( SIMD ) являются матричные системы, которые лучше всего приспособлены для решения задач, характеризующихся параллелизмом независимых объектов или данных . Организация систем подобного типа, на первый взгляд, достаточно проста. Они имеют общее управляющее устройство , генерирующее поток команд и большое число процессорных элементов , работающих параллельно и обрабатывающих каждая свой поток данных. Таким образом, производительность системы оказывается равной сумме производительностей всех процессорных элементов . Однако на практике чтобы обеспечить достаточную эффективность системы при решении широкого круга задач, необходимо организовать связи между процессорными элементами с тем, чтобы наиболее полно загрузить их работой. Именно характер связей между процессорными элементами и определяет разные свойства системы.

Одним из первых матричных процессоров был SОLОМОN (60-е годы).

Рис. 6.2. Структура матричной вычислительной системы SOLOMON

Система SOLOMON содержит 1024 процессорных элемента , которые соединены в виде матрицы: 32х32. Каждый процессорный элемент матрицы включает в себя процессор , обеспечивающий выполнение последовательных поразрядных арифметических и логических операций, а также оперативное ЗУ емкостью 16 Кбайт. Длина слова – переменная от 1 до 128 разрядов. Разрядность слов устанавливается программно. По каналам связи от устройства управления передаются команды и общие константы . В процессорном элементе используется так называемая многомодальная логика, которая позволяет каждому процессорному элементу выполнять или не выполнять общую операцию в зависимости от значений обрабатываемых данных. В каждый момент все активные процессорные элементы выполняют одну и ту же операцию над данными, хранящимися в собственной памяти и имеющими один и тот же адрес .

Идея многомодальности заключается в том, что в каждом процессорном элементе имеется специальный регистр на 4 состояния – регистр моды . Мода (модальность) заносится в этот регистр от устройства управления. При выполнении последовательности команд модальность передается в коде операции и сравнивается с содержимым регистра моды . Если есть совпадения, то операция выполняется. В других случаях процессорный элемент не выполняет операцию, но может, в зависимости от кода, пересылать свои операнды соседнему процессорному элементу . Такой механизм позволяет выделить строку или столбец процессорных элементов , что очень полезно при операциях над матрицами. Взаимодействуют процессорные элементы с периферийным оборудованием через внешний процессор .

Дальнейшим развитием матричных процессоров стала система ILLIАC-4, разработанная фирмой BURROUGHS. Первоначально система должна была включать в себя 256 процессорных элементов , разбитых на группы, каждый из которых должен управляться специальным процессором. Однако по различным причинам была создана система, содержащая одну группу процессорных элементов и управляющий процессор . Если в начале предполагалось достичь быстродействия 1 млрд. операций в секунду, то реальная система работала с быстродействием 200 млн. операций в секунду. Эта система в течение ряда лет считалась одной из самых высокопроизводительных в мире.

В начале 80-х годов в СССР была создана система ПС-2000, которая также является матричной. Основой этой системы является мультипроцессор ПС-2000, состоящий из решающего поля и устройства управления мультипроцессором. Решающее поле строится из одного, двух, четырех или восьми устройств обработки, в каждом из которых 8 процессорных элементов . Мультипроцессор из 64 процессорных элементов обеспечивает быстродействие 200 млн. операций в секунду на коротких операциях.

Чтобы создать сверхмощный процессор, достаточно простого.

Песок. В наших компьютерах в буквальном смысле песок, вернее — составляющий его кремний. Это основной элемент, благодаря которому в компьютерах всё работает. А вот как из песка получаются компьютеры.

Что такое процессор

Процессор — это небольшой чип внутри вашего компьютера или телефона, который производит все вычисления. Об основе вычислений мы уже писали — это транзисторы, которые собраны в сумматоры и другие функциональные блоки.

Если очень упрощённо — это сложная система кранов и труб, только вместо воды по ним течёт ток. Если правильным образом соединить эти трубы и краны, ток будет течь полезным для человека образом и получатся вычисления: сначала суммы, потом из сумм можно получить более сложные математические операции, потом числами можно закодировать текст, цвет, пиксели, графику, звук, 3D, игры, нейросети и что угодно ещё.

Кремний

Почти все процессоры, которые производятся в мире, делаются на кремниевой основе. Это связано с тем, что у кремния подходящая внутренняя атомная структура, которая позволяет делать микросхемы и процессоры практически любой конфигурации.

Самый доступный источник кремния — песок. Но кремний, который получается из песка, на самом первом этапе недостаточно чистый: в нём есть 0,5% примесей. Может показаться, что чистота 99,5% — это круто, но для процессоров нужна чистота уровня 99,9999999%. Такой кремний называется электронным, и его можно получить после цепочки определённых химических реакций.

Когда цепочка заканчивается и остаётся только чистый кремний, можно начинать выращивать кристалл.

Кристалл и подложка

Кристаллы — это такие твёрдые тела, в которых атомы и молекулы вещества находятся в строгом порядке. Проще говоря, атомы в кристалле расположены предсказуемым образом в любой точке. Это позволяет точно понимать, как будет вести себя это вещество при любом воздействии на него. Именно это свойство кристаллической решётки используют на производстве процессоров.

Самые распространённые кристаллы — соль, драгоценные камни, лёд и графит в карандаше.

Большой кристалл можно получить, если кремний расплавить, а затем опустить туда заранее подготовленный маленький кристалл. Он сформирует вокруг себя новый слой кристаллической решётки, получившийся слой сделает то же самое, и в результате мы получим один большой кристалл. На производстве он весит под сотню килограмм, но при этом очень хрупкий.

Готовый кристалл кремния.

После того, как кристалл готов, его нарезают специальной пилой на диски толщиной в миллиметр. При этом диаметр такого диска получается около 30 сантиметров — на нём будет создаваться сразу несколько десятков процессоров.

Каждую такую пластинку тщательно шлифуют, чтобы поверхность получилась идеально ровной. Если будут зазубрины или шероховатости, то на следующих этапах диск забракуют.

Готовые отполированные пластины кремния.

Печатаем транзисторы

Когда диски отполированы, на них можно формировать процессоры. Процесс очень похож на то, как раньше печатали чёрно-белые фотографии: брали плёнку, светили сверху лампой, а снизу клали фотобумагу. Там, куда попадал свет, бумага становилось тёмной, а те места, которые закрыло чёрное изображение на плёнке, оставались белыми.

С транзисторами всё то же самое: на диск наносят специальный слой, который при попадании света реагирует с молекулами диска и изменяет его свойства. После такого облучения в этих местах диск начинает проводить ток чуть иначе — сильнее или слабее.

Чтобы так поменять только нужные участки, на пути света помещают фильтр — прямо как плёнку в фотопечати, — который закрывает те места, где менять ничего не надо.

Потом получившийся слой покрывают тонким слоем диэлектрика — это вещество, которое не проводит ток, типа изоленты. Это нужно, чтобы слои процессора не взаимодействовали друг с другом. Процесс повторяется несколько десятков раз. В результате получаются миллионы мельчайших транзисторов, которые теперь нужно соединить между собой.

Соединяем всё вместе

То, как соединяются между собой транзисторы в процессоре, называется процессорной архитектурой. У каждого поколения и модификации процессоров своя архитектура. Все производители держат в секрете тонкости архитектуры, потому что от этого может зависеть скорость работы или стоимость производства.

Так как транзисторов много, а связей между ними нужно сделать немало, то поступают так: наносят токопроводящий слой, ставят фильтр и закрепляют проводники в нужном месте. Потом слой диэлектрика и снова токопроводящий слой. В результате выходит бутерброд из проводников, которые друг другу не мешают, а транзисторы получают нужные соединения.

Токопроводящие дорожки крупным планом. На фото они уже в несколько слоёв и не мешают друг другу.

В чём сложность

Современные процессоры производятся на нанометровом уровне, то есть размеры элементов измеряются нанометрами, это очень мало.

Если, например, во время печати очень толстый мальчик упадёт на пол в соседнем цехе, еле заметная ударная волна прокатится по перекрытиям завода и печатная форма немного сдвинется, а напечатанные таким образом транзисторы окажутся бракованными. Пылинка, попавшая на пластину во время печати — это, считай, загубленное ядро процессора.

Поэтому на заводах, где делают процессоры, соблюдаются жёсткие стандарты чистоты, все ходят в масках и костюмах, на всех воздуховодах стоят фильтры, а сами заводы находятся на сейсмических подушках, чтобы толчки земной коры не мешали производить процессоры.

Крышка и упаковка

Когда дорожки готовы, диск отправляют на тесты. Там смотрят на то, как работает каждый процессор, как он греется и сколько ему нужно энергии, заодно проверяют на брак.

После тестов диск разрезают на готовые процессорные ядра.

Пластина со множеством одинаковых процессорных ядер. Робот вырезает ядра из готовой пластины.

После этого к ядру процессора добавляют контакты, чтобы можно было вставить его в материнскую плату, и накрывают крышкой. Чёрный или металлический прямоугольник, из которого торчат ножки, — это как раз крышка.

Крышка выполняет две функции: защищает сам кристалл от повреждений и отводит от него тепло во время работы. Дело в том, что миллионы транзисторов при работе нагреваются, и если процессор не остужать, то он перегреется и кристалл может испортиться. Чтобы такого не произошло, на крышку процессора ставят воздушные кулеры или делают водяное охлаждение.

Система на чипе

Чипы процессоров уже настолько маленькие, что под одной крышкой можно поместить какое-нибудь ещё устройство. Например, видеосистему — то, что обсчитывает картинку перед выводом на экран. Или устройство радиосвязи с антенной.

В какой-то момент на маленьком чипе площадью около 1 см 2 уже можно было поместить процессор, видео, модем и блютус, сделать всё нужное для поддержки памяти и периферии — в общем, система на чипе. Подключаете к этому хозяйству экран, нужное количество антенн, портов и кнопок, а главное — здоровенную батарею, и у вас готовый смартфон. По сути, все «мозги» вашего смартфона находятся на одном маленьком чипе, а 80% пространства за экраном занимает батарея.