并行计算（计算机体系结构）

并行计算

计算机体系结构

并行计算或称平行计算是相对于串行计算来说的。它是一种一次可执行多个指令的算法，目的是提高计算速度，及通过扩大问题求解规模，解决大型而复杂的计算问题。所谓并行计算可分为时间上的并行和空间上的并行。 时间上的并行就是指流水线技术，而空间上的并行则是指用多个处理器并发的执行计算。

定义

并行计算（Parallel Computing）是指同时使用多种计算资源解决计算问题的过程，是提高计算机系统计算速度和处理能力的一种有效手段。它的基本思想是用多个处理器来协同求解同一问题，即将被求解的问题分解成若干个部分，各部分均由一个独立的处理机来并行计算。并行计算系统既可以是专门设计的、含有多个处理器的超级计算机，也可以是以某种方式互连的若干台的独立计算机构成的集群。通过并行计算集群完成数据的处理，再将处理的结果返回给用户。

并行计算可分为时间上的并行和空间上的并行。

时间上的并行：是指流水线技术，比如说工厂生产食品的时候步骤分为：

1． 清洗：将食品冲洗干净。

2． 消毒：将食品进行消毒处理。

3． 切割：将食品切成小块。

4． 包装：将食品装入包装袋。

如果不采用流水线，一个食品完成上述四个步骤后，下一个食品才进行处理，耗时且影响效率。但是采用流水线技术，就可以同时处理四个食品。这就是并行算法中的时间并行，在同一时间启动两个或两个以上的操作，大大提高计算性能。

l 空间上的并行：是指多个处理机并发的执行计算，即通过网络将两个以上的处理机连接起来，达到同时计算同一个任务的不同部分，或者单个处理机无法解决的大型问题。

比如小李准备在植树节种三棵树，如果小李1个人需要6个小时才能完成任务，植树节当天他叫来了好朋友小红、小王，三个人同时开始挖坑植树，2个小时后每个人都完成了一颗植树任务，这就是并行算法中的空间并行，将一个大任务分割成多个相同的子任务，来加快问题解决速度。

特征

为利用并行计算，通常计算问题表现为以下特征：

（1）将工作分离成离散部分，有助于同时解决；

（2）随时并及时地执行多个程序指令；

（3）多计算资源下解决问题的耗时要少于单个计算资源下的耗时。

基本体系结构

并行计算科学中主要研究的是空间上的并行问题。从程序和算法设计人员的角度来看，并行计算又可分为数据并行和任务并行。一般来说，因为数据并行主要是将一个大任务化解成相同的各个子任务，比任务并行要容易处理。

空间上的并行导致了两类并行机的产生，按照Flynn的说法分为：单指令流多数据流（SIMD）和多指令流多数据流（MIMD）。我们常用的串行机也叫做单指令流单数据流（SISD）。MIMD类的机器又可分为以下常见的五类：并行向量处理机（PVP）、对称多处理机（SMP）、大规模并行处理机（MPP）、工作站机群（COW）、分布式共享存储处理机（DSM）。

访存模型

并行计算机有以下五种访存模型：

均匀访存模型（UMA）

非均匀访存模型（NUMA）

全高速缓存访存模型（COMA）

一致性高速缓存非均匀存储访问模型（CC-NUMA）

非远程存储访问模型（NORMA）。

计算模型

不像串行计算机那样，全世界基本上都在使用冯·诺伊曼的计算模型；并行计算机没有一个统一的计算模型。不过，人们已经提出了几种有价值的参考模型：PRAM模型，BSP模型，LogP模型，C^3模型等。

网络设置

并行计算机是靠网络将各个处理机或处理器连接起来的，一般来说有以下几种方式：处理单元间有着固定连接的一类网络，在程序执行期间，这种点到点的链接保持不变；典型的静态网络有一维线性阵列、二维网孔、树连接、超立方网络、立方环、洗牌交换网、蝶形网络等。静态连接

动态连接

用交换开关构成的，可按应用程序的要求动态地改变连接组态；典型的动态网络包括总线、交叉开关和多级互连网络等。

网络的基本术语

节点度:射入或射出一个节点的边数。在单向网络中，入射和出射边之和称为节点度。

网络直径:网络中任何两个节点之间的最长距离，即最大路径数。

对剖宽度:对分网络各半所必须移去的最少边数。

对剖宽度:每秒钟内，在最小的对剖平面上通过所有连线的最大信息位（或字节)。

性能度量

基本指标

执行时间

工作负载

存储性能

加速比评测

Amdahl定理

Gastofson定理

Sun-Ni定理

可扩放性标准

等效率标准

等速度标准

平均延迟标准

并行计算与云计算

云计算是在并行计算之后产生的概念，是由并行计算发展而来， 两者在很多方面有着共性。学习并行计算对于理解云计算有很大的帮助。并行计算是学习云计算必须要学习的基础课程。

但并行计算不等于云计算，云计算也不等同并行计算。两者区别如下。

（1）云计算萌芽于并行计算

云计算的萌芽应该从计算机的并行化开始，并行机的出现是人们不满足于CPU摩尔定率的增长速度，希望把多个计算机并联起来，从而获得更快的计算速度。这是一种很简单也很朴素的实现高速计算的方法，这种方法后来被证明是相当成功的。

（2）并行计算、网格计算只用于特定的科学领域，专业的用户

并行计算、网格计算的提出主要是为了满足科学和技术领域的专业需要，其应用领域也基本限于科学领域。传统并行计算机的使用是一个相当专业的工作，需要使用者有较高的专业素质，多数是命令行的操作，这是很多专业人士的噩梦，更不用说普通的业余级用户了。

（3）并行计算追求的高性能

在并行计算的时代，人们极力追求的是高速的计算、采用昂贵的服务器，各国不惜代价在计算速度上超越他国，因此，并行计算时代的高性能机群是一个“快速消费品”，世界TOP500高性能计算机地排名不断地在刷新，一台大型机群如果在3年左右不能得到有效的利用就远远的落后了，巨额投资无法收回。

（4）云计算对于单节点的计算能力要求低

而云计算时代我们并不去追求使用昂贵的服务器，我们也不用去考虑TOP500的排名，云中心的计算力和存储力可随着需要逐步增加，云计算的基础架构支持这一动态增加的方式，高性能计算将在云计算时代成为“耐用消费品”。

参考资料

1.并行计算（parallel computing）·英泰智