Параллельный алгоритм

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

В информатике параллельный алгоритм, противопоставляемый традиционным последовательным алгоритмам, — алгоритм, который может быть реализован по частям на множестве различных вычислительных устройств с последующим объединением полученных результатов и получением корректного результата.

Некоторые алгоритмы достаточно просто поддаются разбиению на независимо выполняемые фрагменты. Например, распределение работы по проверке всех чисел от 1 до 100000 на предмет того, какие из них являются простыми, может быть выполнено путем назначения каждому доступному процессору некоторого подмножества чисел с последующим объединением полученных множеств простых чисел (похожим образом реализован, например, проект GIMPS).

С другой стороны, большинство известных алгоритмов вычисления значения числа пи \left( \pi \right) не допускают разбиения на параллельно выполняемые части, т.к. требуют результата предыдущей итерации выполнения алгоритма. Итеративные численные методы, такие как, например, метод Ньютона или задача трёх тел, также являются сугубо последовательными алгоритмами. Некоторые примеры рекурсивных алгоритмов достаточно сложно поддаются распараллеливанию. Одним из примеров является поиск в глубину на графах.

Параллельные алгоритмы весьма важны ввиду постоянного совершенствования многопроцессорных систем и увеличения числа ядер в современных процессорах. Обычно проще сконструировать компьютер с одним быстрым процессором, чем с множеством медленных процессоров (при условии достижения одинаковой производительности). Однако производительность процессоров увеличивается главным образом за счет совершенствования техпроцесса (уменьшения норм производства), чему мешают физические ограничения на размер элементов микросхем и тепловыделение. Указанные ограничения могут быть преодолены путем перехода к многопроцессорной обработке, что оказывается эффективным даже для малых вычислительных систем.

Сложность последовательных алгоритмов выражается в объеме используемой памяти и времени (числе тактов процессора), необходимых для выполнения алгоритма. Параллельные алгоритмы требуют учета использования еще одного ресурса: подсистемы связей между различными процессорами. Существует два способа обмена между процессорами: использование общей памяти и системы передачи сообщений.

Системы с общей памятью требуют введения дополнительных блокировок для обрабатываемых данных, налагая определенные ограничения при использовании дополнительных процессоров.

Системы передачи сообщений используют понятия каналов и блоков сообщений, что создает дополнительный трафик на шине и требует дополнительных затрат памяти для организации очередей сообщений. В дизайне современных процессоров могут быть предусмотрены специальные коммутаторы (кроссбары) с целью уменьшения влияния обмена сообщениями на время выполнения задачи.

Еще одной проблемой, связанной с использованием параллельных алгоритмов, является балансировка нагрузки. Например, поиск простых чисел в диапазоне от 1 до 100000 легко распределить между имеющимися процессорами, однако некоторые процессоры могут получить больший объем работы, в то время как другие закончат обработку раньше и будут простаивать. Проблемы балансировки нагрузки еще больше усугубляется при использовании гетерогенных вычислительных сред, в которых вычислительные элементы существенно отличаются по производительности и доступности (например, в грид-системах).

Разновидность параллельных алгоритмов, называемая распределенными алгоритмами, специально разрабатываются для применения на кластерах и в распределенных вычислительных системах с учетом ряда особенностей подобной обработки.

См. также[править | править исходный текст]

Внешние ссылки[править | править исходный текст]