Architettura Non Von Neumann: Multicore

Introduzione all'Architettura Non Von Neumann

• L'architettura di Von Neumann definisce la struttura interna della CPU.
• Il core è l'unità di calcolo più elementare di un processore, costituito da ALU, CU e registri interni.
• I primi processori erano single-core.

Evoluzioni dell'Architettura del Computer

• Le prestazioni della CPU sono state migliorate tramite:
  • Aumento della frequenza di clock.
  • Aumento della lunghezza della parola.
  • Aumento dello spazio di indirizzamento.
• Sono state sviluppate architetture non Von Neumann per elaborazioni parallele.

Multicore

• Architettura non Von Neumann con una singola CPU (CHIP) che integra più core.
• Un processore dual-core ha due core, un quad-core ne ha quattro.
• I processori multicore eseguono contemporaneamente istruzioni parallele, aumentando la velocità senza aumentare la frequenza di clock.
• Un processore quad-core può eseguire simultaneamente quattro istruzioni dello stesso programma.

Multiprocessore

• Architettura non Von Neumann con più CPU, ciascuna su un chip separato.
• Possono utilizzare memoria condivisa o distribuita.

Multiprocessore a Memoria Condivisa

• Unico spazio di memoria per tutte le CPU.
• Qualsiasi processo può leggere o scrivere in tutta la memoria.
• Le CPU comunicano leggendo/scrivendo in celle di memoria specifiche.
• Tutte le CPU utilizzano lo stesso bus per accedere alla memoria principale, causando potenziale inattività per alcune CPU a causa del traffico.

Multiprocessore a Memoria Distribuita

• Ogni CPU ha la propria memoria privata collegata tramite bus privati.
• Per i calcoli, le CPU operano su dati nella memoria privata.
• Se sono necessari dati remoti, la CPU accede alla memoria principale via bus comune o comunica con altre CPU tramite messaggi.

Coprocessore

• CPU secondarie dedicate a compiti specifici, aumentando il parallelismo.
  • Coprocessore numerico FPU specializzato in calcoli in virgola mobile.
  • Coprocessore grafico GPU specializzato nella generazione di immagini.
• Le GPU moderne possono essere utilizzate per calcoli complessi.

Differenza tra Multicore e Multiprocessore

• Multicore: singola CPU con più core integrati su un chip.
• Multiprocessore: sistema con più CPU, ognuna su un chip separato.
• Multicore esegue un singolo programma più velocemente, mentre multiprocessore esegue più programmi contemporaneamente.
• I sistemi multiprocessore sono più affidabili.
• I sistemi multicore hanno meno traffico per l'accesso al bus.

Relazione tra Multi-core e Multiprocessore

• I computer recenti combinano più CPU, ciascuna con più core.
• Ad esempio, un computer con 2 CPU quad-core può eseguire simultaneamente 2 programmi e 4 istruzioni per programma (8 istruzioni totali).

Conclusioni

• Multicore si riferisce a una singola CPU con più unità di esecuzione.
• Multiprocessore si riferisce a un sistema con due o più CPU.
• I computer moderni combinano entrambe le architetture.

CPU con Pipeline

• Architettura non Von Neumann.
• L'elaborazione di un'istruzione avviene in cinque fasi:
  • IF (lettura dell'istruzione).
  • ID (decodifica e lettura operandi).
  • EX (esecuzione).
  • MEM (attivazione memoria).
  • WB (scrittura del risultato).
• Le prime CPU eseguivano le cinque fasi in sequenza, richiedendo almeno cinque cicli di clock per istruzione.

Funzionamento della Pipeline

• La CPU con pipeline è composta da cinque stadi specializzati.
• Ogni stadio esegue una delle cinque fasi su un'istruzione.
• Vengono eseguite in parallelo 5 istruzioni, ognuna in uno stadio diverso.
• A regime, un'istruzione completata esce ad ogni ciclo di clock.
• Aumenta la velocità di esecuzione, ma con maggiore complessità.

Limitazioni della Pipeline

• La velocità di esecuzione è ridotta in presenza di:
  • Istruzioni di salto condizionato: richiedono lo svuotamento della pipeline.
  • Istruzioni che richiedono dati non disponibili: causano blocchi in attesa del completamento delle operazioni precedenti.
• Tecnologia Hyper-Threading come soluzione hardware.

Processo, Thread, Task e Tecnologia Hyper-Threading

• Processo: programma in esecuzione.
• Thread: sottoprocesso, esegue una parte del codice del programma.
• Task: insieme dei thread di uno stesso processo.
• Hyper-Threading (Intel): esecuzione di 2 thread per core per migliorare il parallelismo.
• Se un thread si blocca, il core esegue le istruzioni dell'altro thread.
• Richiede la duplicazione dei registri di ciascun core.

CPU con Pipeline Multiple

• Integrazione di più pipeline in parallelo per migliorare le prestazioni.
• Aumenta la complessità nella gestione dei salti condizionati.
• Le CPU moderne hanno tra 14 e 31 stadi per pipeline.

Esecuzione Fuori Ordine

• La CPU esegue le istruzioni in un ordine diverso da quello del codice, analizzando le istruzioni e individuando quelle non vincolate.

Prefetch (precaricamento)

• Unità che analizzano il codice e caricano dati e istruzioni nella cache prima del loro utilizzo.
• Richiede un'implementazione complessa per garantire che nessuna istruzione modifichi un dato prima del suo utilizzo.

Supercomputer

• Sistemi progettati per potenze di calcolo elevate.
• Valutati tramite benchmark che simulano problemi reali.
• La velocità è misurata in FLOPS (Floating Point Operations Per Second).
• Attualmente basati su cluster di unità di calcolo connesse tramite reti ad alta velocità.

DMA (Direct Memory Access)

• I dispositivi periferici segnalano la disponibilità al trasferimento dati tramite interrupt.
• Il trasferimento di grosse moli di dati è delegato al DMA controller.
• La CPU imposta indirizzo e dimensioni del blocco di memoria, poi il DMA controller trasferisce autonomamente i dati.
• La CPU è coinvolta solo nell'avvio e nella terminazione.

Classificazione delle Architetture

• SISD (single instruction single data): un processore, un'istruzione, un dato.
• SIMD (single instruction multiple data): una istruzione, più dati.
• MISD (multiple instruction single data): più processori, più istruzioni, un dato.
• MIMD (multiple instruction multiple data): più processori, più istruzioni, più dati.