Симметричная многопроцессорная обработка или многопроцессорная обработка с общей памятью [1] ( SMP ) включает в себя многопроцессорную компьютерную аппаратную и программную архитектуру, в которой два или более идентичных процессора подключены к одной общей основной памяти , имеют полный доступ ко всем устройствам ввода и вывода и контролируются. с помощью одного экземпляра операционной системы, который одинаково обращается со всеми процессорами, не резервируя ни одного для специальных целей. Большинство многопроцессорных систем сегодня используют архитектуру SMP. В случае многоядерных процессоров архитектура SMP применяется к ядрам, рассматривая их как отдельные процессоры.
Профессор Джон Д. Кубятович считает, что традиционно SMP-системы содержат процессоры без кэшей. [2] Каллер и Пал-Сингх в своей книге 1998 года «Параллельная компьютерная архитектура: аппаратно-программный подход» упоминают: «Термин SMP широко используется, но вызывает некоторую путаницу. [...] Более точное описание того, что предназначен для SMP — это мультипроцессор с общей памятью, в котором стоимость доступа к ячейке памяти одинакова для всех процессоров; то есть он имеет одинаковые затраты на доступ, когда фактически осуществляется доступ к памяти. Если это место кэшируется, доступ будет быстрее, но время доступа к кэшу и время доступа к памяти одинаково на всех процессорах». [3]
Системы SMP — это тесно связанные многопроцессорные системы с пулом однородных процессоров, работающих независимо друг от друга. Каждый процессор, выполняющий разные программы и работающий с разными наборами данных, имеет возможность совместного использования общих ресурсов (памяти, устройства ввода-вывода, системы прерываний и т. д.), которые соединяются с помощью системной шины или кроссбара .
Системы SMP имеют централизованную разделяемую память , называемую основной памятью (MM), работающую под управлением одной операционной системы с двумя или более однородными процессорами. Обычно каждый процессор имеет связанную с ним частную высокоскоростную память, известную как кэш-память (или кэш), для ускорения доступа к данным основной памяти и уменьшения трафика системной шины.
Процессоры могут быть соединены между собой с помощью шин, перекрестных переключателей или ячеистых сетей на кристалле. Узким местом в масштабируемости SMP с использованием шин или перекрестных коммутаторов является пропускная способность и энергопотребление соединения между различными процессорами, памятью и дисковыми массивами. Ячеистые архитектуры позволяют избежать этих узких мест и обеспечивают почти линейную масштабируемость до гораздо большего числа процессоров, жертвуя программируемостью:
С такой архитектурой остаются серьезные проблемы программирования, поскольку она требует двух различных режимов программирования; один для самих процессоров и один для соединения между процессорами. Единый язык программирования должен быть способен не только распределять рабочую нагрузку, но и учитывать локальность памяти, что очень важно для ячеистой архитектуры. [4]
Системы SMP позволяют любому процессору работать над любой задачей независимо от того, где в памяти расположены данные для этой задачи, при условии, что каждая задача в системе не выполняется на двух или более процессорах одновременно. При надлежащей поддержке операционной системы системы SMP могут легко перемещать задачи между процессорами для эффективной балансировки рабочей нагрузки.
Самой ранней производственной системой с несколькими идентичными процессорами была Burroughs B5000 , которая начала функционировать примерно в 1961 году. Однако во время выполнения она была асимметричной : один процессор был ограничен прикладными программами, а другой процессор в основном обрабатывал операционную систему и аппаратные прерывания. В Burroughs D825 впервые реализован SMP в 1962 году. [5] [6]
IBM предложила двухпроцессорные компьютерные системы на основе своей System/360 Model 65 и близкородственных моделей 67 [7] и 67–2. [8] На этих машинах работали операционные системы OS/360 M65MP [9] и TSS/360 . Другое программное обеспечение, разработанное в университетах, в частности Michigan Terminal System (MTS), использовало оба процессора. Оба процессора могли получать доступ к каналам данных и инициировать ввод-вывод. В OS/360 M65MP периферийные устройства обычно можно было подключить к любому процессору, поскольку ядро операционной системы работало на обоих процессорах (хотя и с «большой блокировкой» вокруг обработчика ввода-вывода). [10] Супервизор MTS (UMMPS) может работать на обоих процессорах IBM System/360 модели 67–2. Блокировки супервизора были небольшими и использовались для защиты отдельных общих структур данных, к которым можно было получить доступ одновременно с любого ЦП. [11]
Другие мэйнфреймы, поддерживавшие SMP, включали UNIVAC 1108 II , выпущенный в 1965 году, который поддерживал до трех процессоров, а также GE-635 и GE-645 , [12] [13] , хотя GECOS на многопроцессорных системах GE-635 работал в качестве ведущего устройства. -Slave асимметричным способом, в отличие от Multics в многопроцессорных системах GE-645, которые работали симметрично. [14]
Начиная с версии 7.0 (1972 г.), операционная система TOPS-10 компании Digital Equipment Corporation реализовала функцию SMP. Самой ранней системой, работающей с SMP, была двухпроцессорная система DECSystem 1077 KI10. [15] Позже система KL10 могла объединять до 8 процессоров по принципу SMP. Напротив, первая многопроцессорная система VAX компании DEC , VAX-11/782, была асимметричной [16] , но более поздние многопроцессорные системы VAX были SMP. [17]
Ранние коммерческие реализации Unix SMP включали Sequent Computer Systems Balance 8000 (выпущенный в 1984 году) и Balance 21000 (выпущенный в 1986 году). [18] Обе модели были основаны на процессорах National Semiconductor NS32032 с тактовой частотой 10 МГц , каждый из которых имел небольшой кэш со сквозной записью, подключенный к общей памяти для формирования общей системы памяти. Еще одной ранней коммерческой реализацией Unix SMP была система Honeywell Information Systems Italy XPS-100 на базе NUMA, разработанная Дэном Гиланом из VAST Corporation в 1985 году. Ее конструкция поддерживала до 14 процессоров, но из-за электрических ограничений самой крупной продаваемой версией была двухпроцессорная система. . Операционная система была получена и портирована корпорацией VAST на основе кода AT&T 3B20 Unix SysVr3, используемого внутри AT&T.
Ранее существовали некоммерческие многопроцессорные порты UNIX, в том числе порт под названием MUNIX, созданный в Военно-морской аспирантуре к 1975 году . [19]
Системы с разделением времени и серверные системы часто могут использовать SMP без внесения изменений в приложения, поскольку в них может работать несколько процессов параллельно, а система, в которой запущено более одного процесса, может запускать разные процессы на разных процессорах.
На персональных компьютерах SMP менее полезен для приложений, которые не были модифицированы. Если система редко запускает более одного процесса одновременно, SMP полезен только для приложений, модифицированных для многопоточной (многозадачной) обработки. Специально запрограммированное программное обеспечение может быть написано или модифицировано для использования нескольких потоков, чтобы оно могло использовать несколько процессоров.
Многопоточные программы также можно использовать в системах с разделением времени и серверных системах, поддерживающих многопоточность, что позволяет им более эффективно использовать несколько процессоров.
В современных системах SMP все процессоры тесно связаны внутри одного блока с помощью шины или коммутатора; в более ранних системах SMP один процессор занимал весь шкаф. Некоторые из общих компонентов — это глобальная память, диски и устройства ввода-вывода. На всех процессорах работает только одна копия ОС, и ОС должна быть спроектирована так, чтобы использовать преимущества этой архитектуры. Некоторые из основных преимуществ включают экономичные способы увеличения пропускной способности. Для решения различных проблем и задач SMP применяет несколько процессоров для решения одной задачи, известной как параллельное программирование .
Однако существует несколько ограничений на масштабируемость SMP из-за согласованности кэша и общих объектов.
Однопроцессорные и SMP-системы требуют разных методов программирования для достижения максимальной производительности. Программы, работающие в системах SMP, могут повысить производительность, даже если они были написаны для однопроцессорных систем. Это связано с тем, что аппаратные прерывания обычно приостанавливают выполнение программы, в то время как ядро , которое их обрабатывает, вместо этого может выполняться на простаивающем процессоре. Эффект в большинстве приложений (например, игр) заключается не столько в увеличении производительности, сколько в том, что программа работает гораздо более плавно. Некоторые приложения, особенно создание программного обеспечения и некоторые проекты распределенных вычислений , работают быстрее в раз (почти) количества дополнительных процессоров. (Компиляторы сами по себе являются однопоточными, но при создании программного проекта с несколькими модулями компиляции, если каждая единица компиляции обрабатывается независимо, это создает до неловкости параллельную ситуацию во всем проекте с несколькими модулями компиляции, позволяя почти линейно масштабировать компиляцию. Проекты распределенных вычислений по своей сути параллельны.)
Системные программисты должны встроить поддержку SMP в операционную систему , иначе дополнительные процессоры останутся бездействующими и система будет функционировать как однопроцессорная.
Системы SMP также могут привести к увеличению сложности наборов команд. Однородная процессорная система обычно требует дополнительных регистров для «специальных инструкций», таких как SIMD (MMX, SSE и т. д.), тогда как гетерогенная система может реализовывать разные типы аппаратного обеспечения для разных инструкций/использований.
Когда одновременно выполняется более одной программы, производительность SMP-системы значительно выше, чем у однопроцессорной, поскольку разные программы могут одновременно выполняться на разных процессорах. И наоборот, асимметричная многопроцессорная обработка (AMP) обычно позволяет только одному процессору одновременно запускать программу или задачу. Например, AMP можно использовать для назначения ЦП определенных задач в зависимости от приоритета и важности выполнения задач. AMP был создан задолго до SMP с точки зрения работы с несколькими процессорами, что объясняет недостаточную производительность в приведенном примере.
В тех случаях, когда среда SMP обрабатывает множество заданий, администраторы часто сталкиваются с потерей эффективности оборудования. Программное обеспечение было разработано для планирования заданий и других функций компьютера, чтобы загрузка процессора достигла максимального потенциала. Хорошие пакеты программного обеспечения могут достичь этого максимального потенциала за счет планирования каждого процессора отдельно, а также благодаря возможности интеграции нескольких компьютеров и кластеров SMP.
Доступ к оперативной памяти сериализован; из-за этого и проблем с когерентностью кэша производительность немного отстает от количества дополнительных процессоров в системе.
SMP использует одну общую системную шину , которая представляет собой один из самых ранних стилей архитектуры многопроцессорных машин, обычно используемый для создания небольших компьютеров с числом процессоров до 8.
Более крупные компьютерные системы могут использовать новые архитектуры, такие как NUMA (неоднородный доступ к памяти), которая выделяет разные банки памяти для разных процессоров. В архитектуре NUMA процессоры могут получать доступ к локальной памяти быстрее, а к удаленной памяти медленнее. Это может значительно повысить пропускную способность памяти, если данные локализованы для конкретных процессов (и, следовательно, процессоров). С другой стороны, NUMA увеличивает стоимость перемещения данных с одного процессора на другой, как и при балансировке рабочей нагрузки. Преимущества NUMA ограничены определенными рабочими нагрузками, особенно на серверах , где данные часто тесно связаны с определенными задачами или пользователями.
Наконец, существует компьютерная кластерная многопроцессорная обработка (например, Beowulf ), в которой не вся память доступна всем процессорам. Методы кластеризации довольно широко используются для создания очень больших суперкомпьютеров.
Переменная симметричная многопроцессорность (vSMP) — это особая технология мобильного использования, разработанная NVIDIA. Эта технология включает в себя дополнительное пятое ядро в четырехъядерном устройстве, называемое ядром Companion, созданное специально для выполнения задач на более низкой частоте во время мобильного активного режима ожидания, воспроизведения видео и воспроизведения музыки.
Проект Kal-El ( Tegra 3 ), [20] запатентованный NVIDIA, был первой SoC (системой на кристалле), реализовавшей эту новую технологию vSMP. Эта технология не только снижает энергопотребление мобильных устройств в активном режиме ожидания, но также максимизирует производительность четырехъядерных процессоров во время активного использования для интенсивных мобильных приложений. В целом эта технология удовлетворяет потребности в увеличении срока службы батареи во время активного и резервного использования за счет снижения энергопотребления мобильных процессоров.
В отличие от нынешних архитектур SMP, ядро vSMP Companion прозрачно для ОС. Это означает, что операционная система и запущенные приложения совершенно не знают об этом дополнительном ядре, но все же могут использовать его преимущества. Некоторые из преимуществ архитектуры vSMP включают согласованность кэша, эффективность ОС и оптимизацию энергопотребления. Преимущества этой архитектуры описаны ниже:
Эти преимущества приводят к тому, что архитектура vSMP значительно выигрывает [ павлинская проза ] по сравнению с другими архитектурами, использующими технологии асинхронной синхронизации.