[전자계산기] 병렬 컴퓨터

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<h2 id="병렬-처리기">병렬 처리기</h2> <h3 id="파이프라인-처리기pipeline-processor">파이프라인 처리기(Pipeline Processor)</h3> <p>하나의 처리기를 서로 다른 기능을 가진 <strong>여러 개의 처리기로 나눈 후</strong> 각각의 처리기가 동시에 서로 다른 데이터를 취급하는 기법</p> <ul> <li>시간적 병렬성을 활용하기 위하여 프로그램 수행에 필요한 작업을 <strong>시간적으로 중첩시켜 수행</strong>시키는 처리기</li> </ul> <blockquote> <p><strong>파이프라인 클록 타임</strong>(T) = k + (N - 1)<br /> k: 파이프라인 단계수, N: 수행할 명령어의 개수</p> </blockquote> <h3 id="배열-처리기array-processor">배열 처리기(Array Processor)</h3> <p>한 컴퓨터 내에 여러 개의 <strong>처리기를 배열 형태</strong>로 가지고 있는 경우</p> <ul> <li>배열 처리기들을 <strong>동기화</strong>시켜 동일한 종류의 <strong>계산이 병렬적</strong>으로 실행되도록 한다</li> <li>벡터 계산이나 행렬 계산에 적합</li> <li>제어 처리기가 명령어를 인출한다</li> </ul> <h3 id="다중-처리기multi-processor">다중 처리기(Multi Processor)</h3> <p>자율적인 실행이 가능한 두 개 이상의 처리기로 구성되며 처리기들은 여러 자원을 공유할 수 있다.</p> <p>전체 하드웨어 시스템은 <strong>단일 운영체제</strong>에 의해 운영되도록 하며 한 <strong>작업을 여러 개로 나누어서 서로 다른 처리기에 할당</strong>하여 <strong>동시</strong>에 수행되도록 함으로써 실행 시간을 줄이고 전체 효율을 향상시킨다</p> <h4 id="결합-방식">결합 방식</h4> <ul> <li> <p><strong>강 결합(Tightly Coupled) 방식</strong><br /> 각 처리기가 <strong>공유 기억 장치를 통하여 정보를 교환</strong>하는 방식으로 한 가지 일을 처리하는 고속 처리 방식</p> </li> <li> <p><strong>약 결합(Loosely Coupled) 방식</strong><br /> 각 처리기가 <strong>독립적인 기억 장소</strong>를 가지고 <strong>통신으로 연결</strong>되어 상호 정보를 교환하는 방식으로 많은 양의 일을 처리하는 <strong>분산 처리 시스템</strong> 방식</p> </li> </ul> <h4 id="상호-연결-구조">상호 연결 구조</h4> <ul> <li> <p><strong>공유 버스형 연결 구조</strong><br /> 각 CPU, 메모리, 입출력 프로세서 등이 버스로 연결되어 있는 방법으로 추가는 쉽지만 처리 속도가 버스 속도에 제한된다</p> </li> <li> <p><strong>크로스바 스위치형 연결 구조</strong><br /> 각 프로세스와 메모리 모듈 버스 사이를 크로스바 스위치로 연결하여 <strong>모든 메모리 모듈에서 동시에 전송</strong>할 수 있도록 연결한 방식</p> </li> <li> <p><strong>오메가 스위치형(다단 상호 연결망형)</strong><br /> 다단계 망을 구성하는 오메가 스위치는 <strong>2개의 입력이 상호 교환</strong>되어 <strong>2개의 출력이 나오는 형태</strong>로 여러 개를 다단계로 연결하여 구성된다</p> </li> </ul> <h3 id="벡터-처리기vector-processor">벡터 처리기(Vector Processor)</h3> <ul> <li><strong>파이프라인 기법을 이용</strong>한 다중 처리기법 사용</li> <li>시스톨릭 배열 구조로 나타낸 벡터 처리기는 신호 및 화상 처리와 같은 특별한 응용에 사용 <ul> <li><strong>시스톨릭 배열(Systolic Array)</strong> : 파이프라인 어레이 구조의 새로운 범주로서 지역적으로 연결된 프로세서들이 규칙적으로 데이터를 계산하고 시스템을 통해 데이터를 전달하는 <strong>프로세서 네트워크</strong></li> </ul> </li> <li>비용, 성능 면에서 우수하나 응용의 한계성, 프로그램 등의 단점 존재</li> </ul> <h2 id="병렬-컴퓨터-구조-분류">병렬 컴퓨터 구조 분류</h2> <h3 id="플린fynn의-분류">플린(Fynn)의 분류</h3> <p>프로그램 수행 중 처리기가 동시에 수행하는 명령과 데이터의 수에 따라 구분하는 방법</p> <ul> <li><strong>SISD(Single Instruction stream Single Data stream)</strong><br /> 하나의 명령에 하나의 데이터를 처리하는 단일 프로세서 시스템 <ul> <li>명령이 하나씩 순서대로 실행되지만, 실행 과정은 여러 개의 단계로 나누어 파이프라인으로 연결하여 처리하는 방식</li> <li><span style="color:orangered;">파이프라인 처리기</span></li> </ul> </li> <li><strong>SIMD(Single Instruction stream Multiple Data stream)</strong><br /> 하나의 명령에 여러 개의 데이터를 처리하는 배열 처리 형태 <ul> <li>여러 개의 프로세서가 하나의 제어 장치에 의해 제어되는 구조</li> <li><span style="color:orangered;">배열 처리기</span></li> </ul> </li> <li><strong>MISD(Multiple Instruction stream Single Data stream)</strong><br /> 하나의 데이터에 대해 여러 명령어를 수행하는 구조 <ul> <li>일반 용도의 컴퓨터 구조로는 거의 사용되지 않는다</li> <li><span style="color:orangered;">시스톨릭 배열 구조</span></li> </ul> </li> <li><strong>MIMD(Multiple Instruction stream Multiple Data stream)</strong><br /> 여러 개의 명령이 여러 개의 데이터를 처리하는 방식 <ul> <li>진정한 의미의 배열 처리 방법</li> <li><span style="color:orangered;">다중 프로세서</span></li> </ul> </li> </ul> <h3 id="펭feng의-분류">펭(Feng)의 분류</h3> <blockquote> <p><strong>최대 병렬 수행도</strong> : 단위 시간에 처리할 수 있는 최대 비트 수, 비트 슬라이스 길이와 단어 길이를 곱해서 면적으로 나타낸다</p> </blockquote> <p><strong>병렬 수행 정도에 따라</strong> 분류하는 방법</p> <ul> <li> <p><strong>단어 순차 비트 순차(WSBS, Word Serial Bit Serial)</strong><br /> 한 번에 한 비트씩 처리하는 방식</p> </li> <li> <p><strong>단어 순차 비트 병렬(WSBP, Word Serial Bit Parallel)</strong><br /> 한 번에 한 단어씩 처리하는 방식</p> </li> <li> <p><strong>단어 병렬 비트 순차(WPBS, Word Parallel Bit Serial)</strong><br /> 여러 개의 단어를 묶어 그 중 한 개의 비트씩 슬라이스 단위로 순차 처리하는 방식</p> </li> <li> <p><strong>단어 벙렬 비트 병렬(WPBP, Word Parallel Bit Parallel)</strong><br /> 여러 개의 단어를 묶어서 단어 단위로 처리하는 방식</p> </li> </ul>

병렬 처리기

파이프라인 처리기(Pipeline Processor)

하나의 처리기를 서로 다른 기능을 가진 여러 개의 처리기로 나눈 후 각각의 처리기가 동시에 서로 다른 데이터를 취급하는 기법

• 시간적 병렬성을 활용하기 위하여 프로그램 수행에 필요한 작업을 시간적으로 중첩시켜 수행시키는 처리기

파이프라인 클록 타임(T) = k + (N - 1)
k: 파이프라인 단계수, N: 수행할 명령어의 개수

배열 처리기(Array Processor)

한 컴퓨터 내에 여러 개의 처리기를 배열 형태로 가지고 있는 경우

• 배열 처리기들을 동기화시켜 동일한 종류의 계산이 병렬적으로 실행되도록 한다
• 벡터 계산이나 행렬 계산에 적합
• 제어 처리기가 명령어를 인출한다

다중 처리기(Multi Processor)

자율적인 실행이 가능한 두 개 이상의 처리기로 구성되며 처리기들은 여러 자원을 공유할 수 있다.

전체 하드웨어 시스템은 단일 운영체제에 의해 운영되도록 하며 한 작업을 여러 개로 나누어서 서로 다른 처리기에 할당하여 동시에 수행되도록 함으로써 실행 시간을 줄이고 전체 효율을 향상시킨다

결합 방식

• 강 결합(Tightly Coupled) 방식
  각 처리기가 공유 기억 장치를 통하여 정보를 교환하는 방식으로 한 가지 일을 처리하는 고속 처리 방식

• 약 결합(Loosely Coupled) 방식
  각 처리기가 독립적인 기억 장소를 가지고 통신으로 연결되어 상호 정보를 교환하는 방식으로 많은 양의 일을 처리하는 분산 처리 시스템 방식

상호 연결 구조

• 공유 버스형 연결 구조
  각 CPU, 메모리, 입출력 프로세서 등이 버스로 연결되어 있는 방법으로 추가는 쉽지만 처리 속도가 버스 속도에 제한된다

• 크로스바 스위치형 연결 구조
  각 프로세스와 메모리 모듈 버스 사이를 크로스바 스위치로 연결하여 모든 메모리 모듈에서 동시에 전송할 수 있도록 연결한 방식

• 오메가 스위치형(다단 상호 연결망형)
  다단계 망을 구성하는 오메가 스위치는 2개의 입력이 상호 교환되어 2개의 출력이 나오는 형태로 여러 개를 다단계로 연결하여 구성된다

벡터 처리기(Vector Processor)

• 파이프라인 기법을 이용한 다중 처리기법 사용
• 시스톨릭 배열 구조로 나타낸 벡터 처리기는 신호 및 화상 처리와 같은 특별한 응용에 사용
  • 시스톨릭 배열(Systolic Array) : 파이프라인 어레이 구조의 새로운 범주로서 지역적으로 연결된 프로세서들이 규칙적으로 데이터를 계산하고 시스템을 통해 데이터를 전달하는 프로세서 네트워크
• 비용, 성능 면에서 우수하나 응용의 한계성, 프로그램 등의 단점 존재

병렬 컴퓨터 구조 분류

플린(Fynn)의 분류

프로그램 수행 중 처리기가 동시에 수행하는 명령과 데이터의 수에 따라 구분하는 방법

• SISD(Single Instruction stream Single Data stream)
  하나의 명령에 하나의 데이터를 처리하는 단일 프로세서 시스템
  • 명령이 하나씩 순서대로 실행되지만, 실행 과정은 여러 개의 단계로 나누어 파이프라인으로 연결하여 처리하는 방식
  • 파이프라인 처리기
• SIMD(Single Instruction stream Multiple Data stream)
  하나의 명령에 여러 개의 데이터를 처리하는 배열 처리 형태
  • 여러 개의 프로세서가 하나의 제어 장치에 의해 제어되는 구조
  • 배열 처리기
• MISD(Multiple Instruction stream Single Data stream)
  하나의 데이터에 대해 여러 명령어를 수행하는 구조
  • 일반 용도의 컴퓨터 구조로는 거의 사용되지 않는다
  • 시스톨릭 배열 구조
• MIMD(Multiple Instruction stream Multiple Data stream)
  여러 개의 명령이 여러 개의 데이터를 처리하는 방식
  • 진정한 의미의 배열 처리 방법
  • 다중 프로세서

펭(Feng)의 분류

최대 병렬 수행도 : 단위 시간에 처리할 수 있는 최대 비트 수, 비트 슬라이스 길이와 단어 길이를 곱해서 면적으로 나타낸다

병렬 수행 정도에 따라 분류하는 방법

• 단어 순차 비트 순차(WSBS, Word Serial Bit Serial)
  한 번에 한 비트씩 처리하는 방식

• 단어 순차 비트 병렬(WSBP, Word Serial Bit Parallel)
  한 번에 한 단어씩 처리하는 방식

• 단어 병렬 비트 순차(WPBS, Word Parallel Bit Serial)
  여러 개의 단어를 묶어 그 중 한 개의 비트씩 슬라이스 단위로 순차 처리하는 방식

• 단어 벙렬 비트 병렬(WPBP, Word Parallel Bit Parallel)
  여러 개의 단어를 묶어서 단어 단위로 처리하는 방식