معالج المصفوفة: العمارة والأنواع والعمل وتطبيقاته

الكمبيوتر العملاق هو جهاز كمبيوتر قوي للغاية يتضمن الهندسة المعمارية والموارد والمكونات التي تمنح المستهلك قوة حوسبة هائلة. يحتوي الكمبيوتر العملاق أيضًا على عدد كبير من ملفات معالجات الذي يؤدي ملايين أو مليارات العمليات الحسابية كل ثانية. لذلك يمكن لأجهزة الكمبيوتر هذه أداء العديد من المهام في بضع ثوانٍ. هناك ثلاثة أنواع من أجهزة الكمبيوتر العملاقة المتصلة بإحكام بين أجهزة الكمبيوتر العنقودية التي تعمل معًا كوحدة واحدة. يمكن لأجهزة الكمبيوتر السلعية الاتصال بشبكات LAN ذات زمن وصول منخفض وعرض نطاق ترددي عالٍ وأخيراً أجهزة كمبيوتر معالجة ناقلات تعتمد على معالج مصفوفة أو ناقلات. يشبه معالج المصفوفة وحدة المعالجة المركزية (CPU) التي تساعد في إجراء العمليات الحسابية على عناصر البيانات المختلفة. أشهر معالج مصفوف هو كمبيوتر ILLIAC IV الذي صممه شركة Burroughs Corporation. تتناول هذه المقالة نظرة عامة على ملف معالج مجموعة - العمل والأنواع والتطبيقات.

ما هو معالج المصفوفة؟

يسمى المعالج الذي يتم استخدامه لإجراء عمليات حسابية مختلفة على مجموعة ضخمة من البيانات بمعالج الصفيف. المصطلحات الأخرى المستخدمة لهذا المعالج هي المعالجات المتجهة أو المعالجات المتعددة. يقوم هذا المعالج بتنفيذ تعليمات واحدة فقط في كل مرة على مجموعة من البيانات. تعمل هذه المعالجات مع مجموعات بيانات ضخمة لتنفيذ العمليات الحسابية. لذلك ، فهي تستخدم بشكل أساسي لتحسين أداء أجهزة الكمبيوتر.

بنية معالج صفيف

يتضمن معالج المصفوفة عددًا من وحدات المنطق الحسابي ALUs التي تسمح بمعالجة جميع عناصر المصفوفة معًا. يتم تزويد كل وحدة ALU في المعالج بذاكرة محلية تُعرف باسم عنصر المعالجة أو PE. تظهر بنية هذا المعالج أدناه. باستخدام هذا المعالج ، يتم إصدار تعليمات واحدة من خلال وحدة التحكم ويتم تطبيق هذه التعليمات ببساطة على عدد من مجموعات البيانات في وقت واحد. باستخدام تعليمة واحدة ، يتم إجراء عملية مماثلة على مجموعة من البيانات مما يجعلها مناسبة لحسابات المتجهات.

تُعرف بنية معالجة الصفيف بمصفوفة أو مصفوفة ثنائية الأبعاد. يتم تنفيذ هذه البنية بواسطة معالج ثنائي الأبعاد. في هذا المعالج ، تصدر وحدة المعالجة المركزية تعليمات واحدة وبعد ذلك ، يتم تطبيقها على رقم. من البيانات في وقت واحد. تعتمد هذه البنية بشكل أساسي على حقيقة أن جميع مجموعات البيانات تعمل وفقًا لتعليمات مماثلة ، ومع ذلك ، إذا كانت مجموعات البيانات هذه تعتمد على بعضها البعض ، فلا يمكن تطبيق المعالجة المتوازية. وبالتالي تساهم هذه المعالجات بكفاءة وتعزز سرعة المعالجة مقارنة بالتعليمات بأكملها.

عمل معالج المصفوفة

يحتوي معالج المصفوفة على بنية مصممة بشكل أساسي لمعالجة مصفوفات الأرقام. تحتوي بنية المعالج هذه على عدد من المعالجات التي تعمل في وقت واحد ، كل منها يتعامل مع عنصر مصفوفة واحد ، بحيث يتم تطبيق عملية واحدة على جميع عناصر المصفوفة بالتوازي. للحصول على نفس التأثير داخل معالج تقليدي ، يجب تطبيق العملية على كل عنصر مصفوفة بالتتابع وببطء أكبر.

هذا المعالج عبارة عن وحدة قائمة بذاتها متصلة بالكمبيوتر الرئيسي من خلال ناقل داخلي أو منفذ إدخال / إخراج. يزيد هذا المعالج من السرعة الإجمالية لمعالجة التعليمات. تعمل هذه المعالجات بشكل غير متزامن من وحدة المعالجة المركزية المضيفة لتحسين سعة النظام الإجمالية. هذا المعالج هو أداة قوية للغاية تعالج المشاكل بمستوى عالٍ من التوازي.

أنواع معالج المصفوفة

هناك نوعان من معالج المصفوفة مثل ؛ مرفق و SIMD الذي تمت مناقشته أدناه.

معالج صفيف مرفق

يظهر أدناه المعالج الإضافي مثل معالج المصفوفة المرفق. يتم توصيل هذا المعالج ببساطة بجهاز كمبيوتر لتحسين أداء الجهاز في المهام الحسابية العددية. هذا المعالج متصل بجهاز الكمبيوتر للأغراض العامة من خلال واجهة إدخال / إخراج وواجهة ذاكرة محلية حيث يتم توصيل كل من الذكريات مثل الرئيسية والمحلية. يحقق هذا المعالج أداءً عاليًا من خلال المعالجة المتوازية بواسطة وحدات وظيفية متعددة.

معالج صفيف SIMD

معالجات SIMD ('التعليمات الفردية وتدفق البيانات المتعددة') عبارة عن أجهزة كمبيوتر بها وحدات معالجة متعددة تعمل بالتوازي. تؤدي وحدات المعالجة هذه نفس العملية في المزامنة تحت إشراف وحدة التحكم المشتركة (CCU). يتضمن معالج SIMD مجموعة من PEs (عناصر المعالجة) المتطابقة حيث يكون لكل PES ذاكرة محلية.

يتضمن هذا المعالج وحدة تحكم رئيسية وذاكرة رئيسية. تتحكم وحدة التحكم الرئيسية في المعالج في تشغيل عناصر المعالجة. وأيضًا ، يفك تشفير التعليمات ويحدد كيفية تنفيذ التعليمات. لذلك ، إذا كانت التعليمات هي التحكم في البرنامج أو الحجمي ، فسيتم تنفيذها مباشرة في وحدة التحكم الرئيسية. تُستخدم الذاكرة الرئيسية بشكل أساسي لتخزين البرنامج بينما تستخدم كل وحدة معالجة معاملات مخزنة في ذاكرتها المحلية.

مزايا

تشمل مزايا معالج المصفوفة ما يلي.

• تعمل معالجات المصفوفة على تحسين سرعة معالجة التعليمات بالكامل.
• تعمل هذه المعالجات بشكل غير متزامن من وحدة المعالجة المركزية المضيفة ، ويتم تحسين السعة الإجمالية للنظام.
  تتضمن هذه المعالجات الذاكرة المحلية الخاصة بها والتي توفر ذاكرة إضافية للأنظمة. لذلك يعد هذا اعتبارًا مهمًا للأنظمة من خلال مساحة عنوان محدودة أو ذاكرة فعلية.
• تقوم هذه المعالجات ببساطة بإجراء عمليات حسابية على مجموعة ضخمة من البيانات.
• هذه أدوات قوية للغاية تساعد في معالجة المشاكل بكمية كبيرة من التوازي.
• يتضمن هذا المعالج عددًا من وحدات ALU التي تسمح بمعالجة جميع عناصر المصفوفة في وقت واحد.
• بشكل عام ، تعد أجهزة الإدخال / الإخراج الخاصة بنظام مصفوفة المعالج فعالة للغاية في توفير البيانات المطلوبة للذاكرة مباشرة.
• الميزة الرئيسية لاستخدام هذا المعالج مع مجموعة من المستشعرات هي بصمة أخف.

التطبيقات

ال تطبيقات معالجات المصفوفة تشمل ما يلي.

• يستخدم هذا المعالج في التطبيقات الطبية وعلم الفلك.
• هذه مفيدة جدًا في تحسين الكلام.
• هذه تستخدم في السونار و رادار الأنظمة.
• هذه قابلة للتطبيق في مكافحة التشويش والاستكشاف الزلزالي و اتصالات لاسلكية .
• هذا المعالج متصل بجهاز كمبيوتر متعدد الأغراض لتحسين أداء الكمبيوتر في المهام الحسابية. لذلك فهي تحقق أداءً عاليًا من خلال المعالجة المتوازية بواسطة عدة وحدات وظيفية.

وبالتالي ، هذه نظرة عامة على معالج المصفوفة الذي له بنية محددة للتعامل مع المصفوفات العددية. هذه تم تصميم المعالج كوحدة مستقلة ومتصلة بجهاز كمبيوتر من خلال ناقل داخلي أو منفذ I / O. يعد كمبيوتر ILLIAC IV أشهر معالج مصفوفة SIMD تم تصميمه بواسطة شركة Burroughs Corporation . معالج المصفوفة ومعالج المتجه كلاهما متماثلان مع اختلاف طفيف. الفرق بين هذين المعالجات هو ؛ يستخدم معالج المتجه عدة خطوط أنابيب متجهية لكن معالج المصفوفة يستخدم رقم. من معالجة العناصر للعمل بالتوازي. هنا سؤال لك ، ما هو ملف المعالج ؟