Diseño de una computadora con multiprocesadores

Abstract

Los diversos métodos para aumentar la velocidad de las computadoras se pueden dividir en dos ramas distintas: los métodos electrónicos y los estructurales. Generalmente, se usa una combinación de ambos. A. LOS MÉTODOS ELECTRÓNICOS La forma más sencilla de aumentar la velocidad de una computadora es la de utilizar piezas electrónicas más rápidas. Estas han aumentado su velocidad desde la fabricación del primer transistor. Las técnicas de fabricación actuales han llevado las piezas hasta tal punto que la velocidad de éstos ya no puede ser aumentada significativamente. Esto se debe a que no se puede transmitir información más rápido de lo que viaja la electricidad por los alambres de conexión, generalmente un 45% de la velocidad de la luz con alambres comunes y un 90% si se utilizan alambres coaxiales. Se ha estado investigando también métodos criogénicos para aumentar la velocidad enfriando los componentes a temperaturas cercanas al cero absoluto para disminuir la resistencia de los alambres y transmitir la información a la velocidad de la luz. Actualmente, se han obtenido velocidades de hasta 1,000 MFLOPS con máquinas experimentales. E. LOS MÉTODOS ESTRUCTURALES Como se ve, los métodos electrónicos tienen su límite para aumentar la velocidad, además de ser costosos. Los diseñadores de computadoras buscan, como alternativa, hacer la arquitectura de la computadora más funcional y con posibilidad de ejecutar varias operaciones al mismo tiempo. Actualmente existen c.latro arquitecturas básicas. 1. Sistema de uniprocesador. Este sistema es el más usado en la actualidad; es prácticamente el mismo diseño que hizo Von Neumann en 1940. Su ventaja es su simplicidad. Consta de una unidad de control que maneja las relaciones entre los demás componentes, un procesador que ejecuta todas las instrucciones aritméticas y lógicas, un sistema de entrada/salida para comunicarse al exterior y la unidad de memoria para almacenar información. Generalmente el procesador y el control se hallan unidos en un solo bloque llamado procesador central. La desventaja principal estriba en que la única forma de aumentar la velocidad es utilizando componentes electrónicos más rápidos. La arquitectura de este sistema se presenta en la Fig. 1. 2. Sistema multiprocesador. A diferencia del uniproceador este sistema tiene varios procesadores. Cada procesador tiene su propia unidad de control. Pero está conectado con los otros con fines de sincronización. La memoria está dividida en bloques que los procesadores comparten al igual que las unidades de entrada/salida. Su ventaja principal es la capacidad de ejecutar tantos procesos como procesadores existan, pudiendo ser éstos partes concurrentes de un mismo trabajo. El problema más grande de este tipo de arquitectura es toda la lógica necesaria para sincronizar los procesadores, los accesos a memoria y el uso de los dispositivos de entrada/salida. Se puede mencionar entre las máquinas que utilizan esta arquitectura a la ILLIAC IV, de 64 procesadores que se utilizó hasta 1981 cuando fue substituida por una máquina Cray-1 (con arquitectura de pipeline). La arquitectura del multiprocesador se aprecia en la Fig. 2. 3. Sistema da procesadores en paralelo. Esta arquitectura presenta cierta similitud con la de multiprocesadores, pues ambas tienen mas de un procesador. La diferencia radica en que el procesador en paralelo sólo posee una unidad de control y en consecuencia, todos los procesadores deben trabajar al mismo tiempo con las mismas operaciones, sobre distintos operados. Es muy práctica para vectores pues en ellos se ejecuta la misma operación sobre una serie de elementos. La desventaja de este método es la poca flexibilidad que tiene. Puede llegarse a desperdiciar más del 50% de la máquina, si se tratara sólo con escalares y no vectores. La sincronización de trios los procesadores no permite la ejecución de otras operaciones escalares mientras se está procesando ya una. La arquitectura de estas máquinas se halla en la Fig. 3. 4. Sistema de procesador de múltiple estación (Pipeline). Esta arquitectura nos muestra otro concepto de cómo aumentar la velocidad. En ella sólo se encuentra tiza unidad de control, una serie de registros internos (o memoria local) y una serie de procesadores de función específica (sumar, restar, etc.). La conexión de los procesadores forma la múltiple estación. Estas se unen para ejecutar ciertas operaciones distribuidas en etapas. La ventaja es que mientras una operación está en la etapa n, otras operaciones se encuentran en la etapa n-1, n-2, n-3, ...l, con el resultado de tener n operaciones ejecutándose al mismo tiempo. Normalmente las computadores construidas de esta manera tienen varias estaciones múltiples para a-..mentar la concurrencia de las operaciones. La arquitectura SE describe en la Fig. 4. RR