Arquitectura de computadora: ¿Cuál es la diferencia entre canalización y paralelismo?

Por lo general, una CPU consta de muchas unidades funcionales como aritmética, predictor de ramificación, carga / almacenamiento. Estas funcionalidades se implementan en el propio hardware, por lo que pueden funcionar simultáneamente.

Ahora tomemos un ejemplo simple de seguir las instrucciones.
a = b + c;
A nivel de máquina, esta sencilla instrucción constará de:

1. cargar los valores de b & c en registros de la memoria
2. agregar el contenido de los registros r0, r1
3. almacenar el resultado en la ubicación de memoria señalada por a.

Ahora, mientras los valores de a & b se cargan en los registros r0 y r1, otra unidad funcional estará inactiva. Así desperdicio de recursos. Para evitar este concepto de tubería se introdujo, donde la ejecución de la instrucción se divide en múltiples etapas. Cada etapa es ejecutada por diferentes unidades funcionales de la CPU. Por lo tanto, cuando addr agrega dos registros, la unidad de carga puede cargar el valor de alguna otra ubicación de memoria señalada por una instrucción diferente. Por lo tanto, en un momento dado, habrá múltiples instrucciones en la tubería en diferentes etapas, lo que resultará en un aumento en el rendimiento.

El paralelismo llega a un nivel un poco más lógico. Aquí usted escribe su programa de tal manera que diferentes partes (una parte comprenderá varias instrucciones) pueden ser ejecutadas simultáneamente por diferentes CPU. (donde se implementó la canalización dentro de la propia CPU). Por ejemplo, digamos que dos conjuntos de tamaños 10000000 cada uno deben agregarse en cuanto a índice. ahora puede dividir la matriz en múltiples sub-matrices y asignar cada par de sub-matrices a diferentes CPU. Al final se recogen los resultados de cada subconjunto de diferentes CPU y se obtiene el resultado final.

PS- paralelismo y tubería típicamente coexisten.

La canalización es una forma particular de paralelismo. En general, el paralelismo es simplemente operaciones múltiples que ocurren al mismo tiempo. La canalización es una disposición particular de funciones para que diferentes partes de una operación fluyan a través de un conjunto particular de subfunciones, con las subfunciones sucediendo en paralelo.

Ejemplos particularmente divertidos de tuberías son:

• Ejecución de instrucciones en procesadores x86 recientes.
• Vectorización de operación de punto flotante en un Cray-1.
• La tubería de reenvío de paquetes en la NPU Procket: 198 núcleos VLIW.

El paralelismo implica hardware replicado (aprovechando el espacio). La canalización implica reutilizar el hardware de manera óptima en función de los flujos de datos (aprovechando el tiempo).

El paralelismo puede hacer dos cálculos al mismo tiempo en unidades de cómputo separadas. La canalización puede hacer un cálculo dos veces en tiempo incremental sobre hacerlo una vez, utilizando un solo conjunto de unidades de cálculo.

La canalización es un tipo de paralelismo.

Aquí hay ejemplos concretos simples del mundo real (solo para ilustrar el punto):

Tubería:

Supongamos que una línea de pago de una tienda de comestibles está siendo respaldada. En esta tienda lo registran, lo embolsan y lo llevan a su automóvil. Sin embargo, el cajero solo puede ir tan rápido. Ella tiene que escanear los artículos, deslizarlos hacia el área de la bolsa, tomar el siguiente artículo, tomar el pago, empacar los artículos, cargar el carrito, llevar al cliente al automóvil y regresar, todo antes de que pueda pasar al siguiente cliente.

¿Solución? Tubería Agregue una ensacadora a la sección de ensacado en la parte inferior del soporte del cajero que empacará los artículos y cargará el carrito del cliente mientras el cajero saca los artículos y acepta el pago. Ahora hemos agregado una segunda etapa a nuestra cartera de puestos de caja. Un nuevo cliente ahora puede acercarse y comenzar a pagar. Podríamos optimizar aún más nuestra cartera agregando un empleado adicional que acompañe a los clientes al automóvil. Todavía lleva aproximadamente la misma cantidad de tiempo atender a un solo cliente, pero se ha dividido en “etapas”, lo que significa que estaremos produciendo más clientes con este método.

Paralelismo:

Asumamos el mismo problema que el anterior antes de agregar la tubería.

¿Solución? Agregue más empleados y revise los carriles. Ahora simplemente está procesando más líneas de clientes y cajeros al mismo tiempo (potencialmente con beneficios adicionales de canalización en cada línea, mejorando aún más la eficiencia).

La clave para entender aquí es que la canalización es realmente un enfoque inteligente para dividir y conquistar. El paralelismo también es un tipo de enfoque de divide y vencerás, pero es más un método de “fuerza bruta” que esencialmente agrega más “cpus” para hacer más cosas al mismo tiempo.

También es importante tener en cuenta que la canalización aún necesita una forma de operar alguna sección de sus etapas de canalización al mismo tiempo. Si no es así, es esencialmente solo el tiempo empalmado multitarea. Ese escenario sería similar a cómo funciona el cerebro humano, o cómo Windows y otros sistemas operativos realizan una “multitarea” básica. Realmente no podemos realizar múltiples tareas sin tener otro cerebro o CPU (núcleo). Esencialmente, cambiamos muy rápidamente entre el mismo conjunto de tareas para dar la ilusión de que todas se están completando simultáneamente y sin demora aparente.