CAPITULO 6 Procesadores Vectoriales

6.1 Introducción: Motivación, Definiciones y Notas Históricas Microarquitectura orientada al procesamiento de vectores. Repertorio con instrucciones maquina que implementan operaciones en donde los operandos como los resultados son vectores.

Las operaciones con vectores tienen una serie de características que pueden ser aprovechadas por una microarquitectura adecuada para mejorar las prestaciones con respecto a una arquitectura escalar: En una operación vectorial, el calculo de cada uno de los componentes es independiente del calculo de los restantes. A=(a1,a2,…,an) y B=(b1,b2,…,bn) es igual a A+B=(a1+b1,a2+b2,…,an+bn) Una única instrucción vectorial codifica una gran cantidad de cálculos. De esa forma se reduce el numero de instrucciones de los programas vectoriales en comparación a los escalares.

Esta situacion tiene consecuencias importantes, no solo en lo que se refiere a las necesidades de memoria, sino también de cara a reducir el numero de accesos a memoria para acceder al programa y a evitar ciertos riesgos asociados al control de los bucles. Por ejemplo: El bucle for i=1 to n do V1[i]=V2[i]+V3[i] se podría codificar con una sola instrucción vectorial como ADDV1,V2,V3. En una arquitectura escalar, el código asociado al bucle anterior implica la ejecución de n sumas cuyos operandos y resultado serian cada uno de los componentes de los arrays V1[i],V2[i],V[i].Además de dos instrucciones para controlar el final del bucle.

Por tanto, frente a una única instrucción vectorial, se necesitaran n+2 instrucciones escalares, una de las cuales seria una instrucción de salto condicional. Los datos que luego se van a utilizar conjuntamente como componentes de un operador vectorial se podrían ubicar en posiciones contiguas de memoria. De esta forma se pueden aprovechar la localidad espacial de los accesos a memoria, utilizando eficientemente el entrelazado de memoria.

En una arquitectura vectorial el software juega muy importante en la extracción del paralelismo potencial de una aplicación para que la arquitectura lo aproveche. A diferencia de los procesadores superescalares, la microarquitectura no extrae este paralelismo, solo aprovecha el paralelismo explicito en la entrada. Precisamente, la disponibilidad de compiladores para la extracción automática del paralelismo que aprovecha el procesador vectorial a sido decisiva en la extensión de este tipo de arquitecturas.

Aparición y Desarrollo de las Arquitecturas Vectoriales En los años 60 los primeros computadores con tecnología de transistores empezaron a estar disponibles comercialmente. Entre los primeros computadores comerciales están el IBM 7090 y el CDC A partir del CDC 1604 de ( Control Data Corporation) diseñado por Seymour Cray surgen dos tendencias representadas por: CDC 3600 (compatibilidad con el 1604) CDC 6600 (alcanzar prestaciones entre 15 y 20 veces las del 1604)

IBM S360 juego de instrucciones complejo con instrucciones orientadas a las aplicaciones comerciales, aunque sacrificando la velocidad de las operaciones aritméticas. IBM lanza IBMS que es 2 veces mejor que el CDC6600. Hacia 1970 aparece el CDC 7600 muy similar al CDC6600 Mejoras en el ciclo de reloj( de 100ns a 27.5ns) Doblaba la velocidad del IBM S Después del CDC 7600, se inician dos proyectos: CDC 8600 CDC Star 100

Tanto el Star 100 como el procesador que salio paralelamente el ASC National instrument se pueden incluir dentro del tipo de arquitectura vectorial memoria a memoria, los operandos se captan directamente desde memoria, pasan a través de los causes vectoriales y los resultados se escriben directamente en memoria. El CDC 8600 debía tener cuatro procesadores y ser el doble de rápido que el star. Aparecieron problemas relacionados con la capacidad de empaquetamiento de la circuitería y limitaciones de los retardos existentes. Por otra parte la política de CDC dejo de orientarse claramente hacia la innovación en busca de computadores cada vez mas rápidos, preocupándose mas en compatibilidad. S.Cray dejo CDC y fundo Cray Research Inc.(CRI).La primera maquina de CRI el Cray-1 (1976) Es un computador con una arquitectura vectorial registro - registro, en la que los datos se cargan desde memoria en registros vectoriales, desde donde pasan a los causes vectoriales segmentados, cuyos resultados se escriben en registros vectoriales desde donde se escriben en memoria. El éxito de Cray-1: Reducción considerable de los tiempos de latencia de inicio de los cauces con el uso de los registros vectoriales. Excelentes prestaciones que ofrecían en le procesamiento escalar

L a arquitectura de las unidades vectoriales del Cray-1 ha sido la base de la familia de computadores vectoriales de Cray. Cray X-MP Con dos procesadores vectoriales Mejora la velocidad y eficiencia del procesador Se diseña un sistema de acceso a memoria que proporciona un ancho de banda suficientemente elevado para utilizar varios procesadores Cray -2 Incorporan tecnologías de integración mas avanzadas Nuevas estrategias para la refrigeración Velocidad pico del Cray-2 2 Gflops con 4 procesadores Disponía de 2Gbytes de memoria principal con tecnología DRAM

El Cray-1 era un superordenador mítico. A partir del año 2007, los más rápidos procesadores de PC alcanzaron más de 40 GFLOPS, 130 veces más rápido que un Cray-1.

Cray Y-MP (hasta 8 proocesadores) C-90 (hasta 16 procesadores ) T-90(hasta 32 procesadores) La ultima realización de CRI es el Cray XI (2002) que debe llegar a alcanzar velocidades del orden de los PETAFLOPS( calculos/s) En 1989 Cray dejo CRI y fundo Cray Computer Corporation, donde se desarrollo el Cray 3. Con el que se pretendía incorporar la tecnología electrónica mas avanzada (Ga As) En 1992 se produjo un Cray 3 y le anunciado Cray 4 no se llego a desarrollar.

En 1982,CDC presento un nuevo computador vectorial Basado en le diseño del Star 100 Con arquitectura memoria - memoria Unidades escalares separadas de la unidad vectorial En 1983 CDC creo la compañía ETA Systems Inc. Para impulsar su presencia en el mercado de supercomputadores EN 1987 ETA-10 Basado en Cyber 205 Podía incorporar hasta 8 procesadores con memoria compartida y memorias locales Velocidad pico del modelo mas potente era de 10Gflops

IBM también desarrollo arquitecturas vectoriales. En 1986 presenta una extensión de la arquitectura S/370 constituida por 171 instrucciones vectoriales junto con una implementación de dicha arquitectura que se denomina3090/VF(vector facility)

A partir de 1983, las compañías japonesas Fujitsu,Hitachi yNEC empiezan a vender computadores con arquitectura vectorial VP (1983) VPP700(1998) VPP5000(1999) Hitachi S810(1984) S820 SR800 NEC SX/2, SX4(1995),SX5(1998), SX/6(2002) y SX/7

Se expone la reducción en el numero de computadores vectoriales incluidos entre los 500 computadores mas potentes. Esta reducción fue considerable hasta 1999.Apartir de ahí, aunque se sigue reduciendo el numero de computadores vectoriales en el TOP 500. Aún así, la máquina que en la edición de 2003 estaba situada en primera posición de la lista TOP500 era el Earth Simulator, un computador con 5120 procesadores vectoriales del modelo SX-6 de NEC. Ese mismo año aparecían 35supercomputadores en la lista (NEC SX5, SX6, SX7; Cray X1; Hitachi SR8xxx; Fujitsu VPP5000).

Evolución de los computadores vectoriales en el TOP500