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पैरेलल प्रोसेसिंग – 3 महत्वपूर्ण आर्किटेक्चर समझाए गए

Parallel processing

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समानांतर प्रसंस्करण (पैरेलल प्रोसेसिंग) क्या है?

समानांतर प्रसंस्करण को तकनीकों की एक श्रेणी के रूप में वर्णित किया जा सकता है जो सिस्टम को कंप्यूटर सिस्टम की कम्प्यूटेशनल गति बढ़ाने के लिए एक साथ डेटा-प्रोसेसिंग कार्यों को प्राप्त करने में सक्षम बनाता है।

एक समानांतर प्रसंस्करण प्रणाली तेजी से निष्पादन समय को प्राप्त करने के लिए एक साथ डेटा-प्रसंस्करण कर सकती है। उदाहरण के लिए, जबकि सीपीयू के ALU घटक में एक निर्देश संसाधित किया जा रहा है, अगला निर्देश मेमोरी से पढ़ा जा सकता है।

समानांतर प्रसंस्करण का प्राथमिक उद्देश्य कंप्यूटर प्रसंस्करण क्षमता को बढ़ाना और उसके थ्रूपुट को बढ़ाना है, अर्थात् प्रसंस्करण की मात्रा जिसे किसी दिए गए अंतराल के दौरान पूरा किया जा सकता है।

क्यों समानांतर प्रसंस्करण आवश्यक है?

सीपीयू एक माइक्रोप्रोसेसर है – एक चिप पर एक कंप्यूटिंग इंजन। जबकि आधुनिक माइक्रोप्रोसेसर छोटे हैं, वे वास्तव में शक्तिशाली हैं। वे प्रति सेकंड लाखों निर्देशों की व्याख्या कर सकते हैं। फिर भी, कुछ कम्प्यूटेशनल समस्याएं हैं जो इतनी जटिल हैं कि एक शक्तिशाली माइक्रोप्रोसेसर को उन्हें हल करने के लिए वर्षों की आवश्यकता होगी।

कंप्यूटर वैज्ञानिक इस समस्या के समाधान के लिए विभिन्न तरीकों का उपयोग करते हैं। एक संभावित दृष्टिकोण अधिक शक्तिशाली माइक्रोप्रोसेसरों के लिए धक्का है। आमतौर पर, इसका मतलब है कि माइक्रोप्रोसेसर चिप पर अधिक ट्रांजिस्टर फिट करने के तरीके। कंप्यूटर इंजीनियर पहले से ही ट्रांजिस्टर के साथ माइक्रोप्रोसेसरों का निर्माण कर रहे हैं जो केवल कुछ दर्जन नैनोमीटर चौड़े हैं।

अधिक शक्तिशाली माइक्रोप्रोसेसरों के निर्माण के लिए एक गहन और महंगी उत्पादन प्रक्रिया की आवश्यकता होती है। अधिक शक्तिशाली माइक्रोप्रोसेसर के लाभ के साथ भी कुछ कम्प्यूटेशनल समस्याओं को हल करने में वर्षों लगते हैं। आंशिक रूप से इन कारकों के कारण, कंप्यूटर वैज्ञानिक कभी-कभी एक अलग दृष्टिकोण यानी समानांतर प्रसंस्करण का उपयोग करते हैं।

सामान्य तौर पर, समानांतर प्रसंस्करण का मतलब है कि कम से कम दो माइक्रोप्रोसेसर एक समग्र कार्य के कुछ हिस्सों को संभालते हैं। अवधारणा बहुत सरल है: एक कंप्यूटर वैज्ञानिक विशेष रूप से कार्य के लिए डिज़ाइन किए गए विशेष सॉफ़्टवेयर का उपयोग करके एक जटिल समस्या को घटक भागों में विभाजित करता है। वह या तो प्रत्येक घटक भाग को एक समर्पित प्रोसेसर को सौंपता है। प्रत्येक प्रोसेसर समग्र कम्प्यूटेशनल समस्या के अपने हिस्से को हल करता है। सॉफ्टवेयर मूल जटिल समस्या के अंतिम निष्कर्ष तक पहुंचने के लिए डेटा को पुन: प्रस्तुत करता है।

विभिन्न समानांतर प्रसंस्करण दृष्टिकोण क्या हैं?

समानांतर प्रसंस्करण के कई प्रकार हैं, लेकिन तीन सबसे अधिक इस्तेमाल किए जाने वाले प्रकार हैं

  • एकल निर्देश एकाधिक डेटा (SIMD)
  • एकाधिक निर्देश कई डेटा (MIMD)
  • एकाधिक निर्देश एकल डेटा (MISD)

एकल निर्देश एकल डेटा (SISD)

SISD का अर्थ ‘सिंगल इंस्ट्रक्शन और सिंगल डेटा स्ट्रीम’ है। यह एक एकल कंप्यूटर के संगठन का प्रतिनिधित्व करता है जिसमें एक नियंत्रण इकाई, एक प्रोसेसर इकाई और एक स्मृति इकाई है।

निर्देश क्रमिक रूप से निष्पादित किए जाते हैं, और सिस्टम में आंतरिक समानांतर प्रसंस्करण क्षमता हो सकती है या नहीं हो सकती है।

अधिकांश पारंपरिक कंप्यूटरों में SISD वास्तुकला है जिसे वॉन-न्यूमैन आर्किटेक्चर भी कहा जाता है।

सरल निर्देश एकाधिक डेटा (SIMD)

SIMD प्रसंस्करण, जिसमें एकल निर्देश कई डेटा पर लागू होता है, मल्टीमीडिया प्रसंस्करण के लिए उपयुक्त है, और इसलिए इसे समकालीन प्रोसेसर में लागू किया जाता है।

एकल निर्देश कई डेटा (SIMD), जैसा कि नाम से पता चलता है, एक निर्देश में निर्दिष्ट एक ऑपरेशन लेता है और एक ही समय में डेटा तत्वों के एक से अधिक सेट पर लागू होता है। उदाहरण के लिए, एक पारंपरिक स्केलर माइक्रोप्रोसेसर में, एक ऐड ऑपरेशन एक जोड़ी ऑपरेंड को जोड़ देगा और एक एकल परिणाम उत्पन्न करेगा। SIMD प्रसंस्करण में, स्वतंत्र संख्याओं के समान संख्या का उत्पादन करने के लिए कई स्वतंत्र ऑपरेंड जोड़े को एक साथ जोड़ा जाता है। निम्नलिखित आंकड़ा पारंपरिक और SIMD प्रसंस्करण दिखाता है।

पैरेलल प्रोसेसिंग

एकाधिक निर्देश कई डेटा (MIMD)

मल्टीपल इंस्ट्रक्शन मल्टीपल डेटा एक समानांतर आर्किटेक्चर को संदर्भित करता है, जो संभवतः सबसे बुनियादी, लेकिन समानांतर प्रोसेसर का सबसे परिचित प्रकार है। इसका मुख्य उद्देश्य समानता प्राप्त करना है।

MIMD आर्किटेक्चर में N-individual, कसकर युग्मित प्रोसेसर का एक सेट शामिल है। प्रत्येक प्रोसेसर में एक मेमोरी शामिल होती है जो सभी प्रोसेसर के लिए सामान्य हो सकती है और अन्य प्रोसेसर द्वारा सीधे एक्सेस नहीं की जा सकती है।

MIMD वास्तुकला में ऐसे प्रोसेसर शामिल हैं जो स्वतंत्र रूप से और अतुल्यकालिक रूप से संचालित होते हैं। विभिन्न प्रोसेसर डेटा के विभिन्न टुकड़ों पर किसी भी समय विभिन्न निर्देश दे सकते हैं।

MIMD वास्तुकला के दो प्रकार हैं:

  • साझा स्मृति MIMD आर्किटेक्चर
  • वितरित स्मृति MIMD आर्किटेक्चर

साझा मेमोरी MIMD आर्किटेक्चर में निम्नलिखित विशेषताएं हैं:

  • मेमोरी मॉड्यूल और प्रोसेसर का एक समूह बनाता है।
  • कोई भी प्रोसेसर इंटरकनेक्शन नेटवर्क के माध्यम से किसी भी मेमोरी मॉड्यूल को सीधे एक्सेस करने में सक्षम है।
  • मेमोरी मॉड्यूल का समूह एक सार्वभौमिक पता स्थान को रेखांकित करता है जो प्रोसेसर के बीच साझा किया जाता है।

आर्किटेक्चर प्रकार का एक प्रमुख लाभ यह है कि यह बहुत तेजी से प्रोग्राम करता है क्योंकि वैश्विक मेमोरी स्टोर के माध्यम से संबोधित संचार के साथ प्रोसेसर के बीच कोई स्पष्ट संचार मौजूद नहीं है।

वितरित मेमोरी MIMD वास्तुकला में निम्नलिखित विशेषताएं हैं:

  • मेमोरी / प्रोसेसर जोड़े को क्लोन करता है, जिसे प्रसंस्करण तत्व (पीई) के रूप में जाना जाता है, और एक इंटरकनेक्शन नेटवर्क का उपयोग करके उन्हें जोड़ता है।
  • प्रत्येक पीई संदेश भेजकर दूसरों के साथ संवाद कर सकता है।

हर प्रोसेसर को अपनी स्वयं की मेमोरी प्रदान करके, वितरित मेमोरी आर्किटेक्चर साझा मेमोरी आर्किटेक्चर के डाउनसाइड को दरकिनार कर देता है। एक प्रोसेसर केवल उस मेमोरी तक पहुंच सकता है जो सीधे उससे जुड़ी है।

यदि प्रोसेसर को ऐसे डेटा की आवश्यकता होती है जो दूरस्थ प्रोसेसर मेमोरी में रहता है, तो प्रोसेसर को आवश्यक डेटा का अनुरोध करते हुए, रिमोट प्रोसेसर को एक संदेश भेजना चाहिए।

दूरस्थ प्रोसेसर पर डेटा तक पहुँचने के विपरीत स्थानीय मेमोरी तक पहुँच जल्दी हो सकती है। इसके अलावा, यदि दूरस्थ प्रोसेसर की भौतिक दूरी अधिक है, तो दूरस्थ डेटा तक पहुंच में अधिक समय लगेगा।

पैरेलल प्रोसेसिंग

एकाधिक निर्देश एकल डेटा (MISD)

मल्टीपल इंस्ट्रक्शन सिंगल डेटा कंप्यूटिंग सिस्टम एक मल्टीप्रोसेसर मशीन है जो विभिन्न पीई पर अलग-अलग निर्देशों को निष्पादित करने में सक्षम है, लेकिन ये सभी एक ही डेटासेट पर काम कर रहे हैं।

सिस्टम एक ही डेटा सेट पर अलग-अलग ऑपरेशन करता है। MISD मॉडल का उपयोग करके निर्मित मशीनें अधिकांश अनुप्रयोगों में उपयोगी होती हैं। कुछ मशीनें निर्मित हैं, लेकिन उनमें से कोई भी व्यावसायिक रूप से उपलब्ध नहीं है।

पैरेलल प्रोसेसिंग
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