Esecuzione di istruzioni in parallelo per un calcolatore digitale
Introduzione:
Sin dai primi passi dell’informatica, la ricerca di calcolatori sempre più veloci è stata una costante. Tuttavia, la fisica impone dei limiti invalicabili: la velocità della luce (circa 30 cm per nanosecondo nel vuoto e 20 cm in un filo di rame) determina la distanza massima che un segnale elettrico può percorrere all’interno di una CPU (central processing unit) per eseguire un’istruzione in un nanosecondo. Per ottenere un simile risultato, le dimensioni del calcolatore devono essere necessariamente ridotte.
Calcolatori veloci e dissipazione del calore:
La miniaturizzazione, pur favorendo la velocità, comporta un problema: i calcolatori veloci generano più calore di quelli lenti. Per dissipare questo calore in modo efficiente, alcuni supercalcolatori vengono immersi in fluidi refrigeranti come il freon liquido.
Superare i limiti con l’architettura parallela:
In alternativa a un’unica CPU ad alta velocità, si è pensato di costruire macchine con più ALU (unità aritmetico-logiche) più lente o con diverse CPU complete, collegate e sincronizzate per ottenere la stessa potenza di calcolo a un costo inferiore. Nascono così le macchine parallele, che si suddividono in tre categorie in base al numero di flussi di istruzioni e dati:
- SISD (Single Instruction Single Data): un unico flusso di istruzioni e dati (esempio: macchina di Von Neumann);
- SIMD (Single Instruction Multiple Data): un unico flusso di istruzioni su più dati (esempio: array processor);
- MISD (Multiple Instruction Single Data): più flussi di istruzioni su un unico set di dati (architettura poco utilizzata);
- MIMD (Multiple Instruction Multiple Data): più flussi di istruzioni su più set di dati (architettura più efficiente e diffusa).
Esempi di macchine parallele:
- CDC 6600: dotato di unità funzionali multiple (ALU specializzate) per l’esecuzione simultanea di diverse operazioni.
- Cray-1: supercalcolatore vettoriale con una struttura MIMD e un’architettura pipeline che permetteva l’esecuzione di più operazioni su dati diversi in contemporanea.
- Blue Gene/L: supercalcolatore con migliaia di processori PowerPC collegati da una rete ad alta velocità.
Vantaggi e svantaggi dell’architettura parallela:
Vantaggi:
- Aumento significativo della potenza di calcolo;
- Riduzione dei costi rispetto a un’unica CPU ad alta velocità;
- Possibilità di affrontare problemi complessi che richiedono un’elevata potenza di calcolo.
Svantaggi:
- Aumento della complessità di progettazione e programmazione;
- Necessità di algoritmi e software specifici per sfruttare al meglio l’architettura parallela;
- Problemi di comunicazione e sincronizzazione tra i processori.
Conclusione:
L’architettura parallela rappresenta un’evoluzione fondamentale nel campo dei calcolatori, permettendo di superare i limiti imposti dalla fisica e di ottenere prestazioni sempre più elevate. La continua ricerca e lo sviluppo di nuove tecnologie promettono di portare questa tecnologia a livelli ancora più avanzati, aprendo nuove frontiere nel campo dell’informatica e della scienza.
