対称型マルチプロセッシング

対称型マルチプロセッシングまたは共有メモリ型マルチプロセッシング^[1] ( SMP ) は、2つ以上の同一プロセッサが単一の共有メインメモリに接続され、すべての入出力デバイスに完全にアクセスでき、すべてのプロセッサを平等に扱い、特別な目的のために予約しない単一のオペレーティングシステムインスタンスによって制御される、マルチプロセッサコンピュータのハードウェアおよびソフトウェアアーキテクチャです。今日のほとんどのマルチプロセッサシステムはSMPアーキテクチャを使用しています。マルチコアプロセッサの場合、SMPアーキテクチャはコアに適用され、それらを個別のプロセッサとして扱います。

John D. Kubiatowicz 教授は、従来の SMP システムにはキャッシュのないプロセッサが含まれていると考えています。^[2] Culler と Pal-Singh は、1998 年の著書「Parallel Computer Architecture: A Hardware/Software Approach」で次のように述べています。「SMP という用語は広く使用されていますが、少々混乱を招きます。[...] SMP が意図するものをより正確に説明すると、メモリロケーションへのアクセスコストがすべてのプロセッサで同じである共有メモリマルチプロセッサです。つまり、実際にメモリにアクセスする場合、アクセスコストは均一です。ロケーションがキャッシュされている場合、アクセスは高速になりますが、キャッシュアクセス時間とメモリアクセス時間はすべてのプロセッサで同じです。」^[3]

SMP システムは、互いに独立して動作する同種のプロセッサのプールを備えた、密に結合されたマルチプロセッサシステムです。各プロセッサは、異なるプログラムを実行し、異なるデータセットで作業し、システムバスまたはクロスバーを使用して接続された共通リソース (メモリ、I/O デバイス、割り込みシステムなど) を共有する機能を備えています。

デザイン

SMP システムには、2 つ以上の同種のプロセッサを備えた単一のオペレーティングシステムで動作するメインメモリ(MM)と呼ばれる集中共有メモリがあります。通常、各プロセッサには、メインメモリのデータアクセスを高速化し、システムバストラフィックを削減するために、キャッシュメモリ(またはキャッシュ)と呼ばれる関連するプライベート高速メモリがあります。

プロセッサは、バス、クロスバースイッチ、またはオンチップメッシュネットワークを使用して相互接続できます。バスまたはクロスバースイッチを使用した SMP のスケーラビリティのボトルネックとなるのは、さまざまなプロセッサ、メモリ、およびディスクアレイ間の相互接続の帯域幅と消費電力です。メッシュアーキテクチャはこれらのボトルネックを回避し、プログラマビリティを犠牲にして、はるかに高いプロセッサ数に対してほぼ線形のスケーラビリティを提供します。

この種のアーキテクチャでは、CPU自体とCPU間の相互接続の2つの異なるプログラミングモードが必要となるため、プログラミングに深刻な課題が残ります。単一のプログラミング言語では、ワークロードを分割できるだけでなく、メッシュベースのアーキテクチャでは深刻なメモリの局所性も理解できる必要があります。^[4]

SMP システムでは、システム内の各タスクが同時に 2 つ以上のプロセッサで実行されていない限り、タスクのデータがメモリ内のどこにあるかに関係なく、どのプロセッサでも任意のタスクを実行できます。適切なオペレーティングシステムのサポートがあれば、SMP システムではプロセッサ間でタスクを簡単に移動して、ワークロードを効率的に分散できます。

歴史

複数の同一プロセッサを搭載した最も初期の量産システムは、1961年頃に稼働していたBurroughs B5000でした。しかし、実行時には非対称であり、1つのプロセッサはアプリケーションプログラムに制限され、もう1つのプロセッサは主にオペレーティングシステムとハードウェア割り込みを処理していました。Burroughs D825は1962年に初めてSMPを実装しました。^[5]^[6]

IBM は、System/360 モデル 65と、それとよく似たモデル 67 ^{[7]および 67–2}^[8]をベースにしたデュアルプロセッサコンピュータシステムを提供しました。これらのマシンで動作したオペレーティングシステムは、OS/360 M65MP ^[9]とTSS/360でした。大学で開発された他のソフトウェア、特にミシガンターミナルシステム(MTS) は、両方の CPU を使用しました。両方のプロセッサがデータチャネルにアクセスし、I/O を開始できました。OS/360 M65MP では、オペレーティングシステムカーネルが両方のプロセッサで動作していたため、周辺機器は一般にどちらのプロセッサにも接続できました (ただし、I/O ハンドラの周りには「大きなロック」がかかっていました)。^[10] MTS スーパーバイザ (UMMPS) は、IBM System/360 モデル 67–2 の両方の CPU で動作できます。スーパーバイザロックは小さく、どちらの CPU からも同時にアクセスされる可能性のある個々の共通データ構造を保護するために使用されました。^[11]

SMPをサポートした他のメインフレームには、1965年にリリースされ、最大3つのCPUをサポートしたUNIVAC 1108 IIや、GE-635、GE-645などがある。[12] [13] ただし、マルチプロセッサGE - ⁶³⁵^システム上のGECOSは、対称形式で動作するマルチプロセッサGE-645システム上のMulticsとは異なり、マスタースレーブ非対称形式で動作した。^[14]

デジタル・イクイップメント・コーポレーションのオペレーティング・システムTOPS-10は、バージョン7.0（1972年）からSMP機能を実装し、SMPを実行した最初のシステムはDECSystem 1077デュアルKI10プロセッサ・システムでした。^[15]その後のKL10システムは、最大8個のCPUをSMP方式で集約することができました。対照的に、DECの最初のマルチプロセッサVAXシステムであるVAX-11/782は非対称でしたが、^[16]その後のVAXマルチプロセッサ・システムはSMPでした。^[17]

初期の商用 Unix SMP 実装には、Sequent Computer Systems Balance 8000 (1984 年リリース) と Balance 21000 (1986 年リリース) がありました。^{[18]どちらのモデルも 10 MHz の}National Semiconductor NS32032プロセッサをベースにしており、それぞれに小さなライトスルーキャッシュが共通メモリに接続され、共有メモリシステムを形成していました。別の初期の商用 Unix SMP 実装は、1985 年に VAST Corporation の Dan Gielan によって設計された NUMA ベースの Honeywell Information Systems Italy XPS-100 でした。この設計では最大 14 個のプロセッサをサポートしていましたが、電気的な制限により、市販された最大のバージョンはデュアルプロセッサシステムでした。このオペレーティングシステムは、AT&T 社内で使用されていた AT&T 3B20 Unix SysVr3 コードから VAST Corporation によって派生および移植されました。

以前にも非商用のマルチプロセスUNIXポートが存在し、その中には1975年までに海軍大学院で作成されたMUNIXというポートが含まれていた。^[19]

用途

タイムシェアリングシステムやサーバーシステムでは、複数のプロセスが並行して実行される場合があり、複数のプロセスが実行されるシステムでは異なるプロセッサで異なるプロセスを実行できるため、多くの場合、アプリケーションを変更することなく SMP を使用できます。

パーソナルコンピュータでは、SMP は変更されていないアプリケーションにはあまり役立ちません。システムで一度に複数のプロセスを実行することがほとんどない場合、SMP はマルチスレッド(マルチタスク) 処理用に変更されたアプリケーションにのみ役立ちます。カスタムプログラムソフトウェアは、複数のスレッドを使用するように作成または変更できるため、複数のプロセッサを利用できます。

マルチスレッドプログラムは、マルチスレッドをサポートするタイムシェアリングシステムやサーバーシステムでも使用でき、複数のプロセッサをさらに活用できます。

利点/欠点

現在の SMP システムでは、すべてのプロセッサがバスまたはスイッチを使用して同じボックス内で密に結合されています。以前の SMP システムでは、1 つの CPU にキャビネット全体が使用されていました。共有されるコンポーネントには、グローバルメモリ、ディスク、I/O デバイスなどがあります。すべてのプロセッサで実行される OS は 1 つのコピーのみであり、このアーキテクチャを活用できるように OS を設計する必要があります。基本的な利点の 1 つは、スループットをコスト効率よく向上させることです。さまざまな問題やタスクを解決するために、SMP では複数のプロセッサを 1 つの問題に適用します。これを並列プログラミングと呼びます。

ただし、キャッシュの一貫性と共有オブジェクトにより、SMP のスケーラビリティにはいくつかの制限があります。

プログラミング

ユニプロセッサシステムと SMP システムでは、最高のパフォーマンスを実現するために異なるプログラミング方法が必要です。SMP システムで実行されるプログラムは、ユニプロセッサシステム用に作成されたプログラムであっても、パフォーマンスが向上することがあります。これは、ハードウェア割り込みによってプログラムの実行が一時停止されるのが通常ですが、割り込みを処理するカーネルはアイドル状態のプロセッサで実行できるためです。ほとんどのアプリケーション (ゲームなど) では、パフォーマンスの向上というよりも、プログラムがよりスムーズに実行されているように見えるという効果があります。一部のアプリケーション (特にソフトウェアの構築や一部の分散コンピューティングプロジェクト) では、追加プロセッサの数の (ほぼ) 倍の速度で実行されます。(コンパイラ自体はシングルスレッドですが、複数のコンパイル単位を持つソフトウェアプロジェクトを構築する場合、各コンパイル単位が個別に処理されると、マルチコンパイル単位プロジェクト全体で非常に並列な状況が生まれ、コンパイル時間がほぼ線形にスケーリングされます。分散コンピューティングプロジェクトは、本質的に並列設計になっています。)

システムプログラマーは、オペレーティングシステムに SMP のサポートを組み込む必要があります。そうしないと、追加のプロセッサはアイドル状態のままになり、システムは単一プロセッサシステムとして機能します。

SMP システムでは、命令セットに関しても複雑さが増す可能性があります。同種プロセッサシステムでは通常、SIMD (MMX、SSE など) などの「特殊命令」用の追加レジスタが必要ですが、異種システムでは、異なる命令/用途に合わせて異なるタイプのハードウェアを実装できます。

パフォーマンス

複数のプログラムが同時に実行される場合、SMP システムは、異なるプログラムを異なる CPU で同時に実行できるため、単一プロセッサシステムよりもパフォーマンスがかなり優れています。一方、非対称マルチプロセッシング(AMP) では、通常、一度に 1 つのプロセッサのみがプログラムまたはタスクを実行できます。たとえば、AMP は、タスク完了の優先度と重要性に基づいて特定のタスクを CPU に割り当てる場合に使用できます。AMP は、複数の CPU の処理という点では SMP よりかなり前に作成されたため、提供された例に基づくパフォーマンスの低さが説明できます。

SMP 環境で多数のジョブを処理する場合、管理者はハードウェアの効率の低下を頻繁に経験します。ジョブやコンピューターのその他の機能をスケジュールして、プロセッサの使用率が最大限に発揮されるようにするソフトウェアプログラムが開発されています。優れたソフトウェアパッケージは、各 CPU を個別にスケジュールし、複数の SMP マシンとクラスターを統合することで、この最大限に発揮できます。

RAM へのアクセスはシリアル化されており、これとキャッシュの一貫性の問題により、システム内の追加プロセッサの数に比べてパフォーマンスがわずかに遅れます。

代替案

SMP は、マルチプロセッサマシンアーキテクチャの最も初期のスタイルの 1 つを表す単一の共有システムバスを使用し、通常は最大 8 個のプロセッサを搭載した小型コンピュータの構築に使用されます。

より大規模なコンピュータシステムでは、異なるメモリバンクを異なるプロセッサ専用にするNUMA (Non-Uniform Memory Access)などの新しいアーキテクチャが使用される場合があります。NUMA アーキテクチャでは、プロセッサはローカルメモリに高速にアクセスし、リモートメモリに低速でアクセスできます。データが特定のプロセス (つまりプロセッサ) にローカライズされている限り、メモリスループットを大幅に向上できます。欠点としては、NUMA では、ワークロードのバランス調整のように、プロセッサ間でデータを移動するコストが高くなります。NUMA の利点は、データが特定のタスクやユーザーに強く関連付けられていることが多いサーバーなど、特定のワークロードに限定されます。

最後に、コンピュータクラスター化されたマルチプロセッシング ( Beowulfなど)がありますが、この場合はすべてのメモリがすべてのプロセッサで使用できるわけではありません。クラスタリング技術は、非常に大規模なスーパーコンピュータを構築するためにかなり広範に使用されています。

可変SMP

可変対称マルチプロセッシング (vSMP) は、NVIDIA が開始した特定のモバイルユースケーステクノロジです。このテクノロジには、モバイルアクティブスタンバイモード、ビデオ再生、音楽再生中に低周波数でタスクを実行するために特別に構築された、コンパニオンコアと呼ばれるクアッドコアデバイス内の 5 番目のコアが含まれています。

NVIDIAが特許を取得したProject Kal-El（Tegra 3）^[20]は、この新しいvSMP技術を実装した最初のSoC（システムオンチップ）でした。この技術は、アクティブスタンバイ状態のモバイルの電力消費を削減するだけでなく、集中的なモバイルアプリケーションのアクティブ使用時にクアッドコアのパフォーマンスを最大化します。全体として、この技術は、モバイルプロセッサの電力消費を削減することで、アクティブおよびスタンバイ使用時のバッテリ寿命パフォーマンスの向上のニーズに対応しています。

現在の SMP アーキテクチャとは異なり、vSMP コンパニオンコアは OS 透過的であるため、オペレーティングシステムと実行中のアプリケーションはこの追加コアをまったく認識しませんが、その利点を活用できます。vSMP アーキテクチャの利点には、キャッシュの一貫性、OS の効率、電力の最適化などがあります。このアーキテクチャの利点を次に説明します。

キャッシュの一貫性: vSMP ではコンパニオンコアとメインコアを同時に実行できないため、異なる周波数で実行されているコア間でキャッシュを同期しても影響はありません。
OS 効率: 複数の CPU コアが異なる非同期周波数で実行されると、スケジューリングの問題が発生する可能性があるため、非効率的です。^[方法] vSMP では、アクティブな CPU コアは同様の周波数で実行され、OS スケジューリングが最適化されます。
電力最適化: 非同期クロックベースのアーキテクチャでは、各コアは異なる電源プレーン上にあり、異なる動作周波数の電圧調整を処理します。この結果、パフォーマンスに影響する可能性があります。^[方法] vSMP テクノロジーは、アクティブおよびスタンバイ使用時に特定のコアを動的に有効または無効にすることができ、全体的な電力消費を削減します。

これらの利点により、vSMP アーキテクチャは、非同期クロッキングテクノロジを使用する他のアーキテクチャに比べて大幅に有利になります^{[ peacock prose ] 。}

参照

参考文献

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外部リンク

マルチプロセッシングの歴史
Linux とマルチプロセッシング
アム

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[AutoMQ-4-20] 可変 SMP – 低消費電力と高パフォーマンスを実現するマルチコア CPU アーキテクチャ。NVIDIA。2011 年。