Есть ли параллелизм в произвольном алгоритме и как его использовать лучшим образом

Поговорим о вре́менных данных, служащих для информационного обмена между отдельными вычислителями в (максимально близкорасположенных) параллельных вычислительных системах.

Некоторое время назад я рассказывал о программном комплексе для выявления скрытого параллелизма в произвольном алгоритме и технологиях его, параллелизма, рационального использовании. Одним из компонентов этого комплекса является т.н. “универсальный вычислитель”, выполненный в соответствии с архитектурой Data-Flow (далее DF, пото́ковый вычислитель, описание здесь).

В публикации https://habr.com/ru/post/530078/ я рассказывал  о возможностях пото́кового (архитектуры Data-Flow, далее DF) параллельного вычислителя. Особенности выполнения программ на нём столь необычны и интересны, что о них следует сказать “два слова”. Эксперименты проводились на компьютерном симуляторе DF-машины, входящем в исследовательский комплекс для выявления параллелизма в произвольном алгоритме и выработке рационального расписания  выполнения этого алгоритма на гомогенном или гетерогенном поле параллельных вычислителей (та же публикация).

Продолжаем наши исследования по выбору рациональных планов (здесь к месту использование термина  каркасов, ибо на этом этапе от конкретных технологий параллельного программирования будем абстрагироваться) выполнения параллельных программ (ПВПП) по графовому описанию
алгоритмов. Приоритетом при этом будем считать  получение ПВПП с максимальным использованием вычислительных ресурсов (собственно параллельных вычислителей), такая цель соответствует представлению о плотности кода (об этом понятии подробнее ниже).

Естественным перед началом анализа будет указание ограничений на ширину и глубину исследований. Принимаем, что многозадачность в рассматриваемых параллельных системах осуществляется простейшим путём - перегрузкой всего блока (связки) выполняющихся операторов (одновременное выполнение операторов разных программ не предполагается) или же система работает в однозадачном режиме; в противном случае высказанное в предыдущей фразе утверждение может быть неверным. Минимизация   объёма устройств временного хранения данных (описано здесь) проводиться не будет. На этом этапе исследований также не учитываются  задержки времени на обработку операторов и пересылку данных между ними (для системы SPF@home формально эти параметры могут быть заданы в файлах с расширениями med и mvr).

В предыдущей публикации была описана технология получения ПВПП на основе модели потокового (Data-Flow) вычислителя. Обычно считают, что правила выбора операторов для выполнения в такой машине подчиняются логике действия некоторых сущностей, совместно выполняющих определённые  действия – “актёров” (actors); при этом естественным образом моделируются связанные с характеристиками времени параметры обработки операторов. В общем случае при этом отдельные операторы выполняются асинхронно.  В публикации показано, что описанный принцип получения ПВПП приемлем (при выполнении несложных условий) и для машин архитектуры VLIW (Very Long Instruction Word, сверхдлинное машинное слово),  отличающихся требованием
одновременности начала выполнения всех операторов в связке. В расчётах использовали модель ILP (Instruction-Level Parallelism,  параллелизм  уровня машинных команд).

Основные данные вычислительных экспериментов по реорганизации ярусно-параллельной формы  (ЯПФ) информационных графов алгоритмов (ТГА) приведены в предыдущей публикации. Цель текущей публикации – показать окончательные результаты исследований разработки расписаний выполнения параллельных программ  в показателях вычислительной трудоёмкости собственно преобразования  и качества полученных расписаний. Данная работа является итогом вполне определённого цикла исследований в рассматриваемой области.

С тех пор как мир возник во мгле

Нет ничего на свете более интересного лично для

Исследователя и одновременно полезного для

Человечества, чем позна́ние окружающего Мира.

Валерий Баканов. Крым, Щёлкино/Казантип, август 2022.

Данная публикация предназначена для Исследователей, которым не жаль с пользой употребить своё время для практического количественного углу́бленного  понимания свойств внутреннего (скрытого) параллелизма в алгоритмах и его, на́йденного параллелизма, рационального использования в вычислительных практиках. Рациональное использование имеющегося в алгоритмах параллелизма определяется набором приёмов, позволяющих получить наиболее приемлемый (по разумным параметрам) план (расписание) выполнения рассматриваемого алгоритма (программы) на заданном поле параллельных вычислителей. Т.к. конечная (реализуемая в процессе собственно вычислений) последовательность выполнения команд неминуемо я́вится всё же несколько иной относительно разработанного на данном этап ие плана вычислений, логично назвать результат данного анализа каркасом плана (расписания) параллельных вычислений.

Алгоритм является результатом разумной деятельности человечества и отражает  в себе (в опосредованном виде, конечно) наиболее глуби́нные, фундаментальные законы развития Природы. Одно это является вполне обоснованной необходимостью исследования характеристик алгоритмов.  

Ряд лет интересом пользовалось изучение параметров вычислительной трудоёмкости (фактически зависимости числа вычислительных операций от размерности обрабатываемых данных) для различных алгоритмов. Параметры параллелизма в алгоритмах – очередная сторона многогранной  сущности “алгоритм”.  В современной ситуации отечественным разработчикам придётся самостоятельно исследовать и решать все связанные с автоматизированной обработкой данных вопросы – время “неограниченной халявы” (когда можно было десятилетиями бездумно копировать западные разработки в области архитектуры и готовых решений аппаратной и программной частей) закончилось.

Ещё никто на всей земле

Не предава́лся сожаленью

О том, что о́тдал жизнь ученью.

Абу Абдалла́х Рудаки́, Бухара, около 860÷941.