بنية نظام المعالجات المتعددة

يُعرَّف نظام المعالجات المتعددة ( MP ) بأنه "نظام يحتوي على أكثر من معالج واحد "، وبشكل أدق، "عدد من وحدات المعالجة المركزية المرتبطة ببعضها البعض لتمكين المعالجة المتوازية". ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]}

يتمثل الهدف الرئيسي للمعالج المتعدد في تعزيز سرعة تنفيذ النظام. أما الأهداف الأخرى فهي تحمل الأعطال ومطابقة التطبيقات. ^{[ 4 ]}

قد يُخلط بين مصطلح "المعالج المتعدد" ومصطلح " المعالجة المتعددة ". فبينما تُشير المعالجة المتعددة إلى نوع من المعالجة حيث يعمل معالجان أو أكثر معًا لتنفيذ برامج متعددة في وقت واحد، فإن المعالج المتعدد يُشير إلى بنية عتادية تسمح بالمعالجة المتعددة. ^{[ 5 ]}

يتم تصنيف أنظمة المعالجات المتعددة وفقًا لكيفية التعامل مع الوصول إلى ذاكرة المعالج وما إذا كانت معالجات النظام من نوع واحد أو أنواع متعددة.

توجد أنواع عديدة من أنظمة المعالجات المتعددة:

• نظام معالجات متعددة مترابطة بشكل فضفاض
• نظام معالجات متعددة مترابطة بإحكام
• نظام معالجات متعددة متجانس
• نظام متعدد المعالجات غير متجانس
• نظام معالجات متعددة بذاكرة مشتركة
• نظام معالجات متعددة بذاكرة موزعة
• نظام الوصول الموحد للذاكرة (UMA)
• نظام cc–NUMA
• نظام هجين – ذاكرة نظام مشتركة للبيانات العامة وذاكرة محلية للبيانات المحلية

في أنظمة المعالجات المتعددة ذات الترابط الضعيف، يمتلك كل معالج ذاكرته المحلية الخاصة، وقنوات الإدخال/الإخراج ، ونظام التشغيل الخاص به . تتبادل المعالجات البيانات عبر شبكة اتصالات عالية السرعة عن طريق إرسال الرسائل باستخدام تقنية تُعرف باسم " تمرير الرسائل ". تُعرف أنظمة المعالجات المتعددة ذات الترابط الضعيف أيضًا بأنظمة الذاكرة الموزعة، حيث لا تتشارك المعالجات في الذاكرة الفعلية، ولكل منها قنوات إدخال/إخراج فردية.

نظام متعدد المعالجات بذاكرة مشتركة متصلة اتصالاً وثيقاً بالمعالجات.

نظام المعالجة المتعددة المتناظر هو نظام ذو ذاكرة مشتركة مركزية تسمى الذاكرة الرئيسية (MM) ويعمل تحت نظام تشغيل واحد مع معالجين متجانسين أو أكثر.

يوجد نوعان من الأنظمة:

• نظام الوصول الموحد للذاكرة (UMA)
• نظام NUMA

نظام الوصول الموحد للذاكرة (UMA)

• نظام معالجة متعددة غير متجانس
• نظام المعالجة المتعددة المتناظر (SMP)

نظام متعدد المعالجات غير متجانس

يحتوي نظام المعالجة المتعددة غير المتجانس على وحدات معالجة متعددة، ولكنها غير متجانسة، مثل وحدات المعالجة المركزية (CPU)، ووحدات معالجة الرسومات (GPU)، ومعالجات الإشارات الرقمية (DSP)، أو أي نوع من الدوائر المتكاملة الخاصة بالتطبيقات (ASIC). يسمح تصميم النظام لأي مُسرِّع - على سبيل المثال، معالج الرسومات - بالعمل على نفس مستوى معالجة وحدة المعالجة المركزية للنظام.

نظام معالجات متعددة متناظر

أنظمة تعمل بنظام تشغيل واحد ( نظام تشغيل ) مع معالجين متجانسين أو أكثر وذاكرة رئيسية مشتركة مركزية.

نظام المعالجات المتعددة المتناظر (SMP) هو نظام يتكون من مجموعة من المعالجات المتجانسة التي تعمل بنظام تشغيل واحد مع ذاكرة رئيسية مركزية مشتركة. يتمتع كل معالج، الذي ينفذ برامج مختلفة ويعمل على مجموعات بيانات مختلفة، بالقدرة على مشاركة الموارد المشتركة (الذاكرة، وأجهزة الإدخال/الإخراج، ونظام المقاطعات، وما إلى ذلك) المتصلة باستخدام ناقل النظام، أو ناقل متقاطع، أو مزيج من الاثنين، أو ناقل عناوين وناقل متقاطع للبيانات.

يحتوي كل معالج على ذاكرة تخزين مؤقتة خاصة به تعمل كحلقة وصل بين المعالج والذاكرة الرئيسية. وتتمثل وظيفة هذه الذاكرة المؤقتة في تقليل الحاجة إلى الوصول إلى البيانات من الذاكرة الرئيسية، وبالتالي تقليل حركة البيانات على ناقل النظام.

يسمح استخدام الذاكرة المشتركة بوقت وصول موحد للذاكرة (UMA).

نظام cc-NUMA

من المعروف أن نظام المعالجة المتعددة المتناظرة (SMP) محدود القابلية للتوسع. وللتغلب على هذا القيد، يُستخدم عادةً تصميم معماري يُسمى "cc-NUMA" (تماسك الذاكرة المخبئية - الوصول غير الموحد للذاكرة). السمة الرئيسية لنظام cc-NUMA هي وجود ذاكرة عالمية مشتركة موزعة على كل عقدة، على الرغم من أن "وصول" المعالج الفعلي إلى ذاكرة نظام فرعي بعيد، أو "عقدة"، يكون أبطأ مقارنةً بالوصول إلى الذاكرة المحلية، ولهذا السبب يكون الوصول إلى الذاكرة "غير موحد".

نظام cc-NUMA هو عبارة عن مجموعة من أنظمة SMP - تسمى كل منها "عقدة"، والتي يمكن أن تحتوي على معالج واحد، أو معالج متعدد النوى ، أو مزيج من الاثنين، من نوع واحد أو أنواع أخرى من البنية - متصلة عبر "شبكة اتصال" عالية السرعة يمكن أن تكون "رابطًا" يمكن أن يكون حلقة عكسية مفردة أو مزدوجة، أو حلقات متعددة، أو اتصالات من نقطة إلى نقطة، ^{[ 6 ] [ 7 ]} أو مزيج من هذه (مثل أنظمة IBM Power ^{[ 6 ] [ 8 ]} )، أو ربط ناقل (مثل NUMAq ^{[ 9 ]} )، أو "مصفوفة متقاطعة"، أو "ناقل مجزأ" ( NUMA Bull HN ISI ex Honeywell ، ^{[ 10 ]} )، أو " موجّه شبكي "، إلخ.

يُطلق على بنية cc-NUMA أيضًا اسم " الذاكرة المشتركة الموزعة " (DSM). ^{[ 11 ]}

يمكن أن يكون الفرق في أوقات الوصول بين الذاكرة المحلية والذاكرة البعيدة أيضًا بمقدار رتبة واحدة، اعتمادًا على نوع شبكة الاتصال المستخدمة (أسرع في ناقل مجزأ، وشبكة متقاطعة، وشبكة اتصال من نقطة إلى نقطة؛ أبطأ في اتصال الحلقات التسلسلية).

أمثلة على الترابط

للتغلب على هذا القيد، تُستخدم عادةً ذاكرة تخزين مؤقتة كبيرة عن بُعد (انظر ذاكرة التخزين المؤقتة عن بُعد ). وبهذا الحل، يصبح نظام cc-NUMA قريبًا جدًا من نظام SMP كبير.

لكلتا البنيتين مزايا وعيوب يمكن تلخيصها على النحو التالي:

• تتميز البنى ذات الترابط الضعيف بأداء عالٍ لكل معالج على حدة، لكنها لا تتيح موازنة الحمل بين المعالجات بسهولة في الوقت الفعلي.
• تتميز البنى المترابطة بإحكام بسهولة موازنة الأحمال وتوزيعها بين المعالجات، لكنها تعاني من عنق الزجاجة المتمثل في مشاركة الموارد المشتركة من خلال ناقل واحد أو أكثر.

يتمثل النهج الوسيط، بين نهجي البنيتين السابقتين، في وجود موارد مشتركة وموارد محلية، مثل الذاكرة المحلية (LM)، في كل معالج.

يمكن الوصول إلى الموارد المشتركة من جميع المعالجات عبر ناقل النظام، بينما لا يمكن الوصول إلى الموارد المحلية إلا من قِبل المعالج المحلي. ويمكن اعتبار ذاكرة التخزين المؤقت من هذا المنظور بمثابة ذاكرة محلية.

هذا النظام (براءة اختراع F. Zulian ^{[ 12 ]} )، المستخدم في نظام DPX/2 300 القائم على Unix (Bull Hn Information Systems Italia (ex Honeywell))، ^{[ 13 ]} هو مزيج من الأنظمة المترابطة بإحكام والأنظمة المترابطة بشكل فضفاض ويستفيد من جميع التطورات في هذين الهيكلين.

تنقسم الذاكرة المحلية إلى قطاعين، البيانات العالمية (GD) والبيانات المحلية (LD).

تتمثل الفكرة الأساسية لهذه البنية في وجود بيانات عالمية، وهي معلومات قابلة للتعديل، يمكن الوصول إليها من قبل جميع المعالجات. يتم نسخ هذه المعلومات وتخزينها في الذاكرة المحلية لكل معالج.

في كل مرة يتم فيها تعديل البيانات العامة في ذاكرة محلية، تُرسل إشارة كتابة عبر ناقل النظام إلى جميع الذاكرات المحلية الأخرى للحفاظ على اتساق البيانات العامة. وبالتالي، يمكن لكل معالج قراءة البيانات العامة من ذاكرته المحلية دون الحاجة إلى ناقل النظام. ولا يلزم الوصول إلى ناقل النظام إلا عند تعديل البيانات العامة في ذاكرة محلية لتحديث نسخة هذه البيانات المخزنة في الذاكرات المحلية الأخرى.

يمكن تبادل البيانات المحلية في نظام مترابط بشكل فضفاض عبر تمرير الرسائل .