يسرع باحثون من Intel وجامعة نورث كارولينا تبادل البيانات بين نوى وحدة المعالجة المركزية بمقدار 2-12 مرة

طوبولوجيا الجيل السابع من معالجات Intel Core (التي كانت تُعرف سابقًا باسم Kaby Lake) ، والتي ستكون متاحة في نهاية عام 2016. الصورة: Intel

طور فريق من الباحثين من جامعة نورث كارولاينا وإنتل تقنية CAF (Core to Core Communication Acceleration Framework) ، والتي يمكنها تسريع تبادل البيانات بشكل كبير بين نوى المعالج. من خلال التخلص من هذا الاختناق ، سيتمكن المصنعون أخيرًا من زيادة عدد النوى في وحدة المعالجة المركزية دون زيادة هائلة في حركة الخدمة بينهم.

في تنفيذ البرامج الموازية ، فإن أصعب شيء هو ضمان التنسيق الصحيح للموارد المشتركة بين العمليات. في المعالجات الحديثة ، تتم مزامنة التفاعل المتوازي بين النوى بطريقتين: استخدام تمرير الرسائل وعبر الذاكرة المشتركة.

في الحالة الأولى ، يتم إطلاق عملية واحدة مترابطة على كل قلب ، والتي تتبادل البيانات مع العمليات الأخرى التي تعمل على نواة أخرى.

عند التفاعل من خلال الذاكرة المشتركة على كل معالج لنظام متعدد المعالجات ، يتم تشغيل مؤشر ترابط التنفيذ الذي ينتمي إلى عملية واحدة. تتبادل التدفقات البيانات من خلال جزء من الذاكرة المشتركة لهذه العملية. عدد الخيوط يتوافق مع عدد المعالجات.

يقترح الباحثون تنفيذ مثل هذا التنسيق المواردعلى مستوى الأجهزة . في خلاصة العمل العلمي المعد ، لاحظوا أن "التفاعل من خلال الذاكرة المشتركة بطبيعته يشمل الإعاقات للحفاظ على التماسك وذاكرة التخزين المؤقت ، مما يزيد بشكل كبير ويخلق كمية كبيرة من حركة مرور الشبكة [الزائدة]."

تتطلب العديد من المهام الهامة تبادلًا كبيرًا لحركة المرور بين النوى ، لذا فإن الزيادة الكبيرة في التكاليف العامة تؤدي إلى إصابة هائلة في الأداء. ينطبق هذا أيضًا على أداء خط أنابيب الحوسبة ، والذي يستخدم على نطاق واسع في حلول البرامج لتشغيل التوازي على مستوى الأمر.

تسريع الأجهزة ينسق عمل النوى في الحوسبة المتوازية. يعتبر التنسيق الأساسي للجهاز المقترح أكثر كفاءة بكثير من أي طرق مزامنة برامج مستخدمة حاليًا. قال يان سوليهين ، أستاذ الهندسة الكهربائية وهندسة الحاسبات في جامعة نورث كارولينا ، والمؤلف المشارك في البحث:

"هذا النهج ، الذي أطلقنا عليه اسم إطار CAF لتسريع الاتصال بين النوى ، يحسن نقل البيانات من 2 إلى 12 مرة" . "وبعبارة أخرى ، سرعة التنفيذ - من البداية إلى النهاية - هي ضعف السرعة على الأقل."

في العمل العلمي المعد ، أجرى المؤلفون تحليلًا للنفقات العامة (حركة الشبكة الزائدة بين النوى) ، والتي تحدث عند مزامنة الحسابات المتوازية مع طرق البرمجيات الحالية. واقترحوا حلا بديلا.

عنصر أساسي في إطار العمل الجديد هو وحدة أجهزة إدارة قائمة انتظار جهاز إدارة قائمة الانتظار (QMD). إنه قادر على أداء وظائف حسابية بسيطة وهو متصل بالأجهزة بنظام الاتصالات الفرعي ، أي إلى NoC (شبكة على شريحة - إنترنت صغير داخل المعالج ).


رسم توضيحي من مقالة " شبكة على شريحة - إنترنت صغير داخل المعالج "

تتولى وحدة QMD مهمة إدارة قائمة الانتظار ومزامنة التفاعل الموازي للنوى ، دون أي تعليمات برمجية إضافية على نوى وحدة المعالجة المركزية. إنه مثل جهاز توجيه على شبكة.

التطور المستقبلي مهم في ضوء الزيادة المستمرة في النوى على المعالجات الحديثة. هذه عملية طبيعية تمامًا ، نظرًا لأن سرعة الساعة توقفت تقريبًا بسبب القيود المادية الطبيعية. ليس أمام الشركات المصنعة خيار سوى موازاة الحسابات.

في ظل هذه الظروف ، يصبح تزامن التفاعل الموازي بين النوى عنق الزجاجة الذي يحد من أداء النظام. من خلال التوجيه الفعال لحركة المرور بين نوى المعالج ، يمكنك الاستمرار في توسيع نطاق بنية وحدة المعالجة المركزية وإنشاء معالجات تحتوي على عشرات أو مئات النوى ذات مقياس أداء خطي تقريبًا. يعد توجيه حركة المرور الفعال بين النوى تقنية رئيسية مطلوبة لزيادة توسيع بنية وحدة المعالجة المركزية متعددة النواة.

بالإضافة إلى تسريع تبادل البيانات بين النوى بشكل متكرر أثناء مزامنة الحوسبة المتوازية ، يمكن أن تكون وحدة QMD مفيدة في تجميع البيانات من نوى متعددة. يعتقد الباحثون أنه سيسرع معالجة بعض عمليات الحوسبة الأساسية بنسبة تصل إلى 15٪.

سيتم تقديم العمل العلمي " CAF: Core to Core Communication Acceleration Framework " في المؤتمر الخامس والعشرين حول البنى المتوازية وأساليب التجميع PACT '16 ، الذي سيعقد في 11-15 سبتمبر 2016 في حيفا (إسرائيل).

المخترعون هم Yipeng Wang (جامعة نورث كارولينا) ، و Ren Wang ، و Andrew Herdrich ، و James Tsai (جميع شركات Intel) ، والمؤلف الرئيسي للورقة هو المذكور أعلاه. يان سوليهين من جامعة نورث كارولينا ومؤسسة العلوم الوطنية الأمريكية.

تم تضمين المقالة في وقائع المؤتمر الدولي لعام 2016 حول البنى المتوازية والتجميعص 351-362 ، دوى: 10.1145/2967938.2967954. من المرجح أن يتم توزيع مجموعة التقارير على المشاركين في المؤتمر ونشرها على الإنترنت.

Source: https://habr.com/ru/post/ar397275/