Rinnakkaisprosessointi

Kaavio rinnakkaisprosessoinnista

Rinnakkaisprosessointi tarkoittaa kahden tai useamman suorittimen käyttämistä tietokonejärjestelmässä. Rinnakkaisprosessointi tarkoittaa myös kykyä jakaa tehtävä useamman eri suorittimen kesken. Toisinsanoen se on kontrolloitu ja koordinoitu laskentaprosessi, joka hyödyntää useita laskentaresursseja määrätyn algoritmisen ongelman ratkaisemiseksi.

Jotta laskennallinen ongelma hyötyisi rinnakkaislaskennasta, sen algoritmien luonteen pitää olla jaettavissa ja suorittavissa erillisissä prosesseissa, jotka ovat samanaikaisesti ratkaistavissa. Kun kukin prosessori on suorittanut määrätyn osansa suoritettavasta prosessista, muodostuu vastauksista kokonaisuus ja ongelma on ratkaistu. Lisäksi tällainen rinnakkainen tietojenkäsittely on suoritettava lyhyemmässä ajassa, tehokkaammin useiden laskentaresurssien avulla, sen yhden prosessorin prosessoimisen sijaan.

Rinnakkaisprosessoinnin edut

Haasteelliset ja suuret laskentaprosessit sekä niihin liittyvät ongelmat voidaan usein jakaa pienempiin osiin eli suorittaa osina, jotka voidaan ratkaista samanaikaisesti. Tällainen rinnakkaisuus on pitkään ollut käytössä korkean suorituskyvyn laskennassa, pääkehystietokoneissa (main frame computers) sekä suurteholaskentaan keskittyneissä supertietokoneissa, mutta kiinnostus ja tarve siihen on kasvanut laajemmin laskentaprosesseihin kohdistuvien fyysisten rajoitusten takia, jotka estävät laskennan tehon nostamisen tietokoneiden kellojen taajuusskaalauksen kautta. Tämän lisäksi viime vuosikymmenen aikana, tietokoneiden energiankulutus ja sen sivuvaikutuksena tapahtuva lämmöntuotanto on aiheuttanut koneiden toimintaan konkreettisia haasteita ja rakenteellisia kehitystarpeita, joiden vuoksi rinnakkaisprosessointi voidaan käsittää olevan arkkitehtuurisessa mielessä hallitseva paradigma tietokoneiden rakenteessa, mikä on pääasiallisesti toteutunut usean ytimen omaavien moniprosessoreiden tuotannon muodossa. Itse asiassa tänä päivänä suurin osa markkinoilla olevista nykytietokoneista voidaan luokitella systeemityypiltään moniprosessoriseksi.

Siten nykyään laitteiston näkökulmasta tietokoneen toimintaa tarkasteltaessa lähes koko laskennan voidaan katsoa olevan rinnakkaislaskennallista luonteeltaan, koska useimmilla tietokoneilla on useita samanaikaisesti aktiivisia toiminnallisia toimintoja ja yksiköitä, kuten L1 ja L2-välimuistit sekä esihaku, dekoodaus ja grafiikan käsittely (GPU) sekä liukulukuaritmetiikka, jonka lisäksi niissä on myös useita käsittelyytimiä sekä laitteistosäikeitä.

Rinnakkainen laskentalaitteisto on tyypillisesti joko yksittäinen tietokone, jolla on useita prosessoreita, laskentatoimintaan keskittyneitä ytimiä tai määrätty määrä verkottuneita tietokoneita. Kuuluisimpia rinnakkaislaskentalaitteita ovat maailman supertietokoneet, jotka voidaan käsittää olevan laskennallisen suorituskyvyn ja kapasiteetin maksimoivia erityissuunniteltuja tietoteknillisiä laitteistoklustereita.

Tietokoneiden rinnakkaisprosessointi voidaan luokitella sen mukaan, missä kyseinen laitteisto tukee tai missä siinä esiintyy toiminnallista rinnakkaisuutta. Moniprosessoritietokoneilla on useita ytimiä, eli useita suoritukseen keskittyneitä käsittelyelementtejä yhdessä koneessa. Klusterit, massiiviset rinnakkaisprosessorit (MPP - massively parallel processors) ja grid-verkot puolestaan käyttävät usean tietokoneen laskentakapasiteettia saman tehtävän suorittamiseen.

Tämän lisäksi rinnakkaisprosessointiin erikoistuneita tietokonearkkitehtuureja hyödynnetään myös perinteisten prosessoreiden rinnalla tiettyjen tehtävien suorittamisen nopeuttamiseksi. Esimerkkinä tästä on pilvilaskenta, joka on rinnakkaisen ja hajautetun järjestelmätietotekniikan muoto, jota toteutetaan toisiinsa yhdistettyjen ja virtuaalisoitujen tietokoneiden kautta, jotka ovat dynaamisesti järjestetty yhdeksi tai useammaksi yhtenäiseksi tietojenkäsittelyresurssiksi, jota tarjotaan asiakkaille tietyn palvelutasosopimuksen perusteella.

Rinnakkaisprosessoinnissa käytettävän prosessorin moniydin arkkitehtuuri voi olla rakenteeltaan homogeeninen tai heterogeeninen. Homogeenisessa arkkitehtuurissa kaikki prosessorin ytimet ovat arkkitehtuuriltaan identtisiä keskenään, kun puolestaan heterogeenisessa erilaisia ytimiä on vähintään kahdenlaisia. Heterogeenisella arkkitehtuurilla voidaan saavuttaa suoritettavasta tehtävästä riippuen homogeeniseen arkkitehtuuriin verrattuna selviä etuja, kuten parempi tehon- ja energiankulutuksen hyötysuhde.

Pilvilaskenta kuvaa uutta tietoteknisten palveluiden tuottamisen, käyttämisen ja toimittamisen mallia, johon liittyy internetin yli palveluna tarjottuja dynaamisesti skaalautuvia ja virtuaalisia resursseja . Rinnakkaisprosessoinnissa samaa tehtävää suorittaa samanaikaisesti lukuisia suorittimia. Pilvipalveluiden laskutusperiaatteella yhden prosessorin käyttö sadan tunnin ajan maksaa yhtäpaljon kuin sadan prosessorin käyttö yhden tunnin. Rinnakkaisprosessointi mahdollistaa tehtävän suorittamisen muutamassa tunnissa, joka veisi yhdeltä prosessorilta viikkoja.

Rinnakkaisohjelmoinnissa pyritään hyödyntämään rinnakkaisprosessointiarkkitehtuurin suomat suorituskykyedut. Vaikka tämä ohjelmoinnin viitekehys onkin sarjamuotoiseen tietojen käsittelyarkkitehtuuriin tarkoitettuun ohjelmointiin verrattuna haastavampaa, se tuo mukanaan useita etuja. Laskentatehoa tai suuria datamassoja käsittelevässä laskennassa rinnakkaisohjelmoinnin avulla pystytään ratkaisemaan haastavia tehtäviä nopeasti ja kustannustehokkaasti. Rinnakkaisohjelmointi toimii prosessori-, muisti- ja muuta laitteistoarkkitehtuuria korkeammalla abstraktiotasolla. Rinnakkaisohjelmoinnin mallit jaetaan sen mukaan, kuinka ohjelmoidut prosessit ovat vuorovaikutuksessa ja millainen lähestymistapa ongelmanratkaisuun on valittu.

Klusteri on rinnakkaisprosessoinnin muoto, joka on teholtaan verrattavissa moniprosessori tietokoneeseen. Tekniikaltaan se kuitenkin poikkeaa moniprosessori tietokoneista, sillä klusteri on usean tietokoneen verkotettu malli. Siinä on yleensä yksi päätietokone eli hallintasolmu, joka ohjaa klusterin toimintaa. Se jakaa muille tietokoneille eli solmuille tehtäviä suoritettavaksi. Tehtäviä pilkotaan solmuille, jotka näin ollen voivat prosessoida dataa tehokkaasti.

Muita aiheeseen liittyviä sivuja:

• Symmetriset moniprosessorit (SMP:t)
• Välimuisti
• Klusterit
• Pilvilaskenta
• Supertietokoneet ja massiiviset rinnakkaisprosessorit
• Heterogeeninen moniydin arkkitehtuuri
• Rinnakkaisohjelmointi

Lähteet

Salo, I (2010) Cloud Computing- palvelut verkossa. Jyväskylä: WSOY - Docendo.

Stallings, W. (2016) Computer Organization and Architecture: Designing for Performance. 10th Global edition. New York: Pearson, 2016. Embeddded Intel Solutions: www.embeddedintel.com. http://www.embeddedintel.com/technology_applications.php?article=53

Wikipedia. Pilvilaskenta. https://fi.wikipedia.org/wiki/Pilvilaskenta

Wikipedia. Klusteri. https://fi.wikipedia.org/wiki/Klusteri_(tietotekniikka)