병렬처리 컴퓨터

9.1.2 다중 기능 장치

수치 및 논리 연산을 위해 각각 독립된 기능을 가진 장치들에게 데이터를 분산하여 처리하도록 하는 것으로서, 부동 소수점 연산에서 지수부와 가수부 연산을 각각 취급하는 두 개의 장치로 구성하는 것 등이다.



9.1.3 명령 파이프라인

하나의 명령을 독립된 단계로 세분하여 각 단계들을 동시에 수행하도록 하는 것



9.1.4 메모리 인터리빙

메모리를 독립된 메모리 모듈로 나누어 동시에 메모리 사용이 가능하도록 하는 것으로 보다 짧은 지연 시간을 갖도록 하기 위한 구조적인 해결 방안





9.2 파이프라인

파이프라인이란 하나의 프로세서를 서로 다른 기능을 가진 여러 개의 서브 프로세서 (Subprocessor)로 나누어 각 서브 프로세서가 동시에 서로 다른 데이터를 취급하도록 하는 기법이다. 이렇게 기능별로 나누어진 서브 프로세서를 세그먼트(Segment) 또는 단계(Stage)라고 한다. 이 세그먼트를 더 세분화할 수 있을 때 처리시간이 더 단축될 수 있다. 예를 들어 5개의 세그먼트로 구성된 파이프라인이 있다고 하고, 하나의 세그먼트에서 걸리는 시간을 t 라 하면 처음 5t라는 시간이 지나면 하나의 결과를 얻을 수 있고 그다음부터는 t라는 시간마다 하나씩의 결과를 얻을 수 있어서 높은 처리 효율을 가져올 수 있다. 즉. 파이프라인이 차고 나면 연속적으로 결과를 얻을 수 있으므로 연산 속도가 빠르다. 그러나 동일한 연산이 여러 번 반복되는 일에는 효율적이지만 그렇지 않을 경우에는 구조가 복잡한 파이프라인을 효과적으로 이용하지 못하므로 하드웨어 가격이 상승하고, 오히려 간단한 한 번의 계산은 시간이 오래 걸리고 효율적이지 못하다.



9.3 배열 프로세서

데이터를 고속으로 처리하기 위해 연산 장치를 병렬로 배열한 처리 구조로 벡터 계산이나 행렬 계산에 적합하다. 이는 여러 다른 데이터에 대하여 서로 다를 PE(Processing Element)가 동시에 하나의 제어 장치에 의해 동기화하여 동시에 한 명령을 처리하게 된다. 반복되는 연산을 독립된 개개의 연산 처리 장치에 의해 수행될 수 있다면, 각 연산이 동시에 독립된 위치에서도 수행이 가능하다.

Flynn이 분류한 형태로 보면 이것은 SIMD 형태로 볼 수 있다. 이것은 파이프라인에서는 하나의 태스크를 서부태스크로 나누어서 처리하는데 비해서 여러 개의 프로세서가 하나의 태스크를 처리하는 형태로 볼 수 있다.



9.4 벡터 프로세서

벡터 프로세서는 벡터 연산을 빠르고 효율적으로 수행하도록 구성되어 있으며, 산술, 논리 연산, 비교, 내적 계산, 최댓값, 최소 값을 찾는 명령 등의 벡터 연산 명령을 가지며, 이러한 빅터 프로세서를 가진 컴퓨터를 벡터 컴퓨터라고 한다. 벡터처리가 많이 이용되는 분야로서는 다음과 같은 것들이 있다.

• 장기 기상 예보

• 지진 데이터 분석

• 의학 검진

• 비행 시뮬레이션

• 전문가 시스템

• 영상처리

• 인공지능



9.5 데이터 흐름 컴퓨터

기존의 대부분의 컴퓨터에서는 데이터가 사용 가능 하더라도 명령어의 제어나 연산의 제어에 의해서 데이터의 필요한 연산이 가능했다. 이것은 제어 신호를 발생해서 적절하게 제어를 해야 함으로서 처리 속도를 떨어트린다. 그래서 새로운 구조의 모델로서 데이터 흐름 모델은 계산에 필요한 데이터의 사용이 가능해지면, 이들을 즉시 실행하여 원하는 연산을 수행한다. 이러한 시스템을 데이터 흐름 컴퓨터라 한다.



9.6 시스톨릭 어레이

시스토릭 어레이란 각 PE(Processing Blement)들이 바로 이웃한 PE와 연결되어 서로 데 이터를 주고받으면서 연속적으로 계산을 수행하고 그 결과를 출력하는 네트워크로서 기존의 고 전적인 컴퓨터로써는 실시간 처리하려면 많은 양의 자료로 인하여 처리하는 과정에서 입출력 병목현상이 생겨서 처리 속도가 떨어진다. 이러한 단점을 보완하기 위해서 한번 메모리에서 가져온 데이터는 각 PE 들을 거치면서 최대한도로 사용된 후에 다시 메모리로 보내므로 입출력 병목 현상을 해결하고 적은 메모리 대역폭(Bandwidth)을 가지고 처리 속도를 높일 수 있다. 그래서 이러한 구조는 입출력 횟수보다 계산의 회수가 더 많은 문제를 해결하는데 더 적합하다.



9.7 다중처리 시스템

다중처리 시스템이란 반드시 CPU를 두 개 이상 갖고 있는 시스템을 말한다. 그러므로 I/O 프로세서는 아무리 많이 갖고 있더라도 CPU가 하나라면 다중처리 시스템이라고 하지 않는다.

이러한 형태는 FIynn이 분류를 했던 방식들 중에서 MIMD형의 컴퓨터라 할 수 있다. 이러한 시스템은 어느 한 부분의 고장이나 에러가 다른 부분에 미치는 영향을 최소화 할 수 있도록 구성함으로써 시스템의 신뢰성을 향상할 수 있다.

이 시스템은 메모리의 구조에 따라서 두 가지로 분류된다. 공통의 공유메모리를 가진 멀티 프로세서 시스템을 공유메모리 시스템(Shared Memory)이라고 하며, 분산 메모리를 갖는 구조를 느슨히 결합한 시스템(Loosely Coupled)이라고 한다.



9.8 RISC

RISC 구조의 목표는 기금까지의 컴퓨터가 대부분 명령어가 복잡하고 다양하여 전반적으로 처리 속도가 떨어지는데 이런 점을 보완하기 위해서 명령어를 간소화하여 처리 시간을 줄이려고 하는 것이다. 지금까지의 대부분의 컴퓨터가 명령어가 복잡해지면서 명령어의 길이도 다양하고, 어드레싱 모드도 많아져서 고급언어를 기계어로 번역하는 과정에서 필요로 하는 명령어 또한 증가하였다. 그리고 이러한 처리를 소프트웨어로 실행하던 것을 하드웨어로 바꾸려는 시도 또한 계속 이루어졌다.



(1) CISC의 특징

• 명령어의 수가 대략 100~250개로 많다.

• 거의 사용되지 않는 명령어가 있다.

• 주소지정 모드가 많다.

• 명령어의 길이가 가변길이이다.

• 대부분의 명령어가 메모리를 참조해야 함으로서 명령어의 처리 시간이 길다.



(2) RISC의 특징

• 명령어의 수가 적다.

• 명령어의 처리가 한 사이클로 가능하다.

• 주소지정 모드가 적다.

• 명령어의 길이가 고정길이로서 디코딩이 간단하다.

• Load와 Store 명령어만이 메모리를 참조한다.

• 효과적인 명령어 파이프라인을 내장하고 있다.

• 중첩된 레지스터 윈도우를 사용

• 컴파일러가 고급언어를 효과적으로 기계어로 번역한다.

• 레지스터의 수가 많다.