Практикум: Многопрограммная работа ЭВМ. Многомашинные и многопроцессорные вычислительные системы

Интерактивный рабочий лист студента по дисциплине «Архитектура аппаратных средств» (СИЭУиП, занятие 19). Архитектурные парадигмы параллелизма: многопрограммность ОС vs сильносвязанные SMP/NUMA vs слабосвязанные кластеры MPI; аппаратные уровни параллелизма ILP, DLP, TLP; протокол кэш-когерентности MESI и эффект False Sharing; топологии кластерных интерконнектов InfiniBand/RoCE/Ethernet; расчет ускорения масштабирования по 4 вариантам прикладных задач.

ФИО обучающегося:

Учебная группа:

Вариант задания:

Вариант не выбран

Дата выполнения:

Задание 1. Сравнительный анализ архитектурных моделей параллелизма

Сопоставьте три базовые модели параллельной обработки данных: программный параллелизм ОС, аппаратные многопроцессорные комплексы и многомашинные кластеры. Заполните сравнительную таблицу и сформулируйте аппаратные различия уровней ILP, DLP, TLP.

1.1. Сравнительная матрица моделей организации параллелизма

Модель параллелизма	Изоляция памяти	Механизм обмена данными	Аппаратная среда / шина	Главный источник накладных расходов
Многопрограммность ОС (1 CPU / ядро)
Многопроцессорные системы (SMP / NUMA)
Многомашинные кластеры (Beowulf / MPI)

1.2. Разграничение аппаратных уровней параллелизма: ILP, DLP, TLP

Опишите физическую суть и аппаратные механизмы реализации каждого уровня параллелизма (ILP — суперскалярность/конвейер/OoO; DLP — векторные регистры SIMD/AVX; TLP — потоки SMT/Hyper-Threading и процессорные ядра):

Задание 2. Анализ протокола когерентности кэш-памяти MESI и деградации производительности

В сильносвязанных SMP-системах каждое ядро имеет локальный кэш L1/L2. Для обеспечения когерентности данных используется протокол шинного снупинга MESI. Заполните таблицу переходов состояний строк кэша и проанализируйте аппаратный эффект «ложного разделения данных» (False Sharing).

2.1. Анализ переходов состояний протокола MESI (Modified, Exclusive, Shared, Invalid)

Исходное состояние в Кэше 1	Событие (операция процессора / шины)	Новое состояние в Кэше 1	Состояние в Кэше 2	Транзакция на системной шине
I (Invalid)	Процессор 1 читает адрес (Local Read). В Кэше 2 этой строки нет.
I (Invalid)	Процессор 1 читает адрес (Local Read). В Кэше 2 строка в состоянии E.
S (Shared)	Процессор 1 выполняет запись по адресу (Local Write).
M (Modified)	Процессор 2 инициирует чтение этого адреса (BusRd от CPU 2).

2.2. Анализ деградации производительности: эффект False Sharing (ложное разделение данных)

Объясните, почему размещение двух независимых переменных в одной 64-байтной кэш-линии приводит к катастрофическому падению скорости в многопоточных программах. Какие аппаратные и программные меры (alignas, padding) предотвращают эту проблему?

Задание 3. Анализ масштабируемости параллельных систем и топологий интерконнекта

Исследуйте масштабируемость параллельной вычислительной системы при доле последовательного кода s = 0.04 (p = 0.96) и сравните сетевые интерфейсы кластеров (Ethernet, RoCE v2, InfiniBand).

Закон Амдала (Strong Scaling): S_A = 1 / (s + p/n) | Предел при n -> inf: S_max = 1 / s
Закон Густафсона-Барсиса (Weak Scaling): S_G = s + p * n | Эффективность: E = S / n

3.1. Таблица расчета ускорения и эффективности масштабирования (s = 0.04, p = 0.96)

Узлы / Ядра (n)	Ускорение по Амдалу (S_A)	КПД Амдала (E_A)	Ускорение по Густафсону (S_G)	КПД Густафсона (E_G)
n = 4
n = 16
n = 64
n = 256

3.2. Сравнение кластерных интерфейсов: Ethernet vs RoCE v2 vs InfiniBand

Сравните стандартный стек TCP/IP Ethernet и технологии RDMA (RoCE v2, InfiniBand). Почему прямая передача данных без прерываний процессора (Kernel-Bypass, Zero-Copy) критична для параллельных масштабируемых комплексов?

Задание 4. Индивидуальный расчетно-аналитический кейс

Решите инженерный кейс в соответствии с вариантом, выбранным в карточке обучающегося. Обоснуйте выбор архитектурной модели, рассчитайте ускорение и предложите аппаратную конфигурацию под заданную прикладную нагрузку.

Вариант не выбран

Выберите вариант задания в верхней карточке, чтобы загрузить исходные параметры целевой вычислительной системы.

4.1. Выбор и обоснование архитектурной модели параллелизма

Определите архитектурный класс системы (многопрограммная ОС, SMP/NUMA, кластер с распределенной памятью, гибридный комплекс) и объясните организацию оперативной памяти и обмена данными:

4.2. Математический расчет масштабируемости (ускорение и эффективность)

Приведите пошаговый расчет ускорения по закону Амдала (S_A), предела масштабирования S_max, ускорения по Густафсону (S_G) и эффективности параллелизации (E):

4.3. Выявление критических узких мест архитектуры

Опишите физические и аппаратные барьеры, ограничивающие рост производительности в данном сценарии (штрафы кэш-когерентности, сетевая латентность барьеров, блокировки, задержки интерконнекта):

4.4. Инженерное обоснование спецификации оборудования

Сформулируйте практические рекомендации по конфигурации оборудования (интерконнект, топология сети, привязка NUMA, организация синхронизации) для устранения узких мест: