Nghiên cứu tính toán lưới và thực nghiệm trên một số thuật toán lý thuyết đồ thị

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ PHẦN MỀM




HUỲNH BÁ THANH TÙNG
TRẦN VIỆT CƯỜNG





NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN LƯỚI VÀ
THỬ NGHIỆM MỘT SỐ THUẬT TOÁN LÝ
THUYẾT ĐỒ THỊ



KHOÁ LUẬN CỬ NHÂN TIN HỌC



TP. HCM, NĂM 2005

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ PHẦN MỀM

HUỲNH BÁ THANH TÙNG - 0112079
TRẦN VIỆT CƯỜNG - 0112339


NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN LƯỚI VÀ
THỬ NGHIỆM MỘT SỐ THUẬT TOÁN LÝ
THUYẾT ĐỒ THỊ



KHÓA LUẬN CỬ NHÂN TIN HỌC



GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
TS. TRẦN ĐAN THƯ
Th.S NGUYỄN THANH SƠN

NIÊN KHÓA 2001-2005


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................

LỜI CẢM ƠN
Chúng em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành nhất đến Thầy Trần Đan Thư
và th
ầy
Nguyễn Thanh Sơn, hai Thầy đã tận tâm hướng dẫn, giúp đỡ chúng em
trong suốt thời gian thực hiện luận văn này.
Chúng con xin gửi tất cả lòng biết ơn sâu sắc và sự kính trọng đến ông bà,
cha mẹ, cùng toàn thể gia đình, những người đã nuôi dạy chúng con trưởng thành
đến ngày hôm nay.

Chúng em cũng xin chân thành cám ơn quý Thầy cô trong Khoa Công nghệ
thông tin, trường Đại học Khoa học Tự nhiên Tp.Hồ Chí Minh đã tận tình giảng
dạy, hướng dẫn, giúp đỡ và tạo điều kiện cho chúng em thực hiện tốt luận văn này.
Xin chân thành cám ơn sự giúp đỡ, động viên và chỉ bảo rất nhiệt tình của
các anh chị và tất cả các bạn, những người đã giúp chúng tôi có đủ nghị lực và ý
chí để hoàn thành luận văn này.
Mặc dù đã cố gắng hết sức, song chắc chắn luận văn không khỏi những
thiếu sót. Chúng em rất mong nhận được sự thông cảm và chỉ bảo tận tình của quý
Thầy Cô và các bạn.

TP.HCM, 7/2005
Nhóm sinh viên thực hiện
Huỳnh Bá Thanh Tùng - Trần Việt Cường



LỜI NÓI ĐẦU
Nhân lọai ngày nay đang chứng kiến sự phát triển mạnh mẽ của ngành
Công nghệ Thông tin, một trong những nghành mũi nhọn của nhiều quốc gia trên
thế giới. Sự phát triển vượt bậc của nó là kết quả tất yếu của sự phát triển kèm theo
các thiết bị phần cứng cũng như phần mềm tiện ích.
Sự phát triển đó đã kéo theo rất nhiều nghành khác phát triền theo, trong đó
có lĩnh vực nghiên cứu khoa học. Tuy công nghệ ngày càng phát triển, tốc độ xử
lý của các thiết bị cũng không ngừng tăng cao, nhưng nhu cầu tính toán của con
người vẫn còn là rất lớn. Hiện nay vẫn còn rất nhiều vấn đề mà các nhà khoa học
cùng với khả năng tính toán của các máy tính hiện nay vẫn chưa giải quyết được
hay giải quyết được nhưng với thời gian rất lớn.
Các vấn đề đó có thể có thể là :
• Mô hình hóa và giả lập
• Xử lý thao tác trên các dữ liệu rất lớn

• Các vấn đề “grand challenge” (là các vấn đề không thể giải quyết trong
thời gian hợp lý)
Lời giải cho những vấn đề này đã dẫn đến sự ra đời của các thế hệ siêu máy
tính. Tuy nhiên việc đầu tư phát triển cho các thiết bị này gần như là điều quá khó
khăn đối với nhiều người, tổ chức, trường học…. Chính vì lẽ đó mà ngày nay
người ta đang tập trung nghiên cứu cách cách sử dụng các tài nguyên phân bố một
cách hợp lý để tận dụng được khả năng tính toán của các máy tính đơn. Những
giải pháp này được biết đến với nhiều tên gọi khác nhau như meta-computing,
salable-computing, global- computing, internet computing và gần nhất hiện nay là
peer to peer computing hay Grid computing.
Đây là phương pháp nhằm tận dụng khả năng của các máy tính trên toàn
mạng thành một máy tính “ảo” duy nhất, nhằm hợp nhất tài nguyên tính toán ở
nhiều nơi trên thế giới để tạo ra một khả năng tính toán khổng lồ, góp phần giải


quyết các vấn đề khó khăn trong khoa học và công nghệ. Ngày nay nó đang
càng được sự hỗ trợ mạnh hơn của các thiết bị phần cứng, băng thông…
Grid Computing có khả năng chia sẻ, chọn lựa, và thu gom một số lượng
lớn những tài nguyên khác nhau bao gồm những siêu máy tính, các hệ thống lưu
trữ, cùng với những nguồn dữ liệu, các thiết bị đặt biệt… Những tài nguyên này
được phân bố ở các vùng địa lý khác nhau và thuộc về các tổ chức khác nhau.

Hình ảnh minh họa cho các tài nguyên phân phối
Nhận thấy được nhu cầu phát triển ấy, nhóm chúng em đã quyết định chọn
thực hiện đề tài “Nghiên cứu tính toán lưới và thực nghiệm trên một số thuật
toán lý thuyết đồ thị”
Mục tiêu của đề tài đề ra tìm hiểu được về tính toán lưới qua đó tận dụng
các kiến thức có được để có thể cài đặt một số thuật toán trên lý thuyết đồ thị,
nhằm có thể giải quyết các vấn đề tìm đường đi khi số đỉnh tương đối lớn…
Các nội dung chính:

• Nghiên cứu tính toán lưới


• Tìm hiểu các môi trường hỗ trợ
• Tìm hiểu lập trinh song song và phân tán
• Cài đặt một số thuật toán với kiến thức có được
Nội dung của luận văn được chia làm 6 chương :
Chương 1. Giới thiệu : Giới thiệu tổng quan về tính toán lưới, khái niệm
lịch sử phát triển.
Chương 2. Tính toán song song và phân bố : Trình bày về các kiến trúc,
mô hình xử lý song song và phân bố, cách thức xây dựng chương trình, thiết kế
thuật toán…
Chương 3. Các môi trường hỗ trợ tính toán lưới : Tìm hiểu về các môi
trường đang được sử dụng và nghiên cứu hiện nay trên thế giới.
Chương 4. Mô hình lập trình truyền thông điệp - MPI : Mô hình cụ thể
được dùng để phát triển ứng dụng MPI.
Chương 5. Thử nghiệm các thuật toán lý thuyết đồ thị : Cách thức xây
dựng chương trình , các khái niệm lý thuyết, thực nghiệm thực tế …
Chương 6. Kết luận – Hướng phát triển : Nêu các kết quả đã đạt được,
một số vấn đề còn tồn tại, định hướng mục tiêu mở rông phát triển đề tài trong
tương lai.


Mục lục

Chương 1. Giới thiệu ......................................................................................... 14
1.1. Các khái niệm .............................................................................. 14
1.2. Những thách thức đối với tính toán lưới...................................... 17
Chương 2. Tính toán song song và phân bố ...................................................... 18
2.1. Khái niệm ..................................................................................... 18

2.2. Nền tảng tính toán song song và phân bố................................... 19
2.2.1. Kiến trúc xử lý song song và phân bố ............................................. 19
2.2.2. Tổ chức vật lý của các nền tảng song song và phân bố................... 26
2.3. Một số mô hình lập trình song song thông dụng ......................... 27
2.3.1. Mô hình chia sẽ không gian bộ nhớ................................................. 27
2.3.2. Mô hình truyền thông điệp .............................................................. 28
2.4. Cách thức xây dựng một chương trình song song và phân bố ... 30
2.4.1. Các thuật ngữ căn bản...................................................................... 31
2.4.2. Thiết kế thuật toán song song .......................................................... 33
2.4.3. Một số phương pháp tối ưu.............................................................. 46
2.4.4. Các mô hình thuật toán song song................................................... 50
Chương 3. Các môi trường hỗ trợ tính toán lưới ............................................... 55
3.1. Giới thiệu...................................................................................... 55
3.2. Các vấn đề khi lập trình luới ........................................................ 56
3.2.1. Tính mang chuyển, tính khả thi và khả năng thích ứng................... 56
3.2.2. Khả năng phát hiện tài nguyên ........................................................ 57
3.2.3. Hiệu năng......................................................................................... 57
3.2.4. Dung lỗi ........................................................................................... 58
3.2.5. Bảo mật ............................................................................................ 58
3.2.6. Các siêu mô hình.............................................................................. 59
3.3. Tồng quát về các môi trường hỗ trợ ............................................ 59


3.3.1. Một số môi trường Grid................................................................... 59
3.3.2. Những mô hình lập trình và công cụ hỗ trợ..................................... 63
3.3.3. Môi trường cài đặt ........................................................................... 69
3.4. Những kỹ thuật nâng cao hỗ trợ lập trình .................................... 81
3.4.1. Các kỹ thuật truyền thống................................................................ 81
3.4.2. Các kỹ thuật hướng dữ liệu.............................................................. 82
3.4.3. Các kỹ thuật suy đoán và tối ưu....................................................... 83

3.4.4. Các kỹ thuật phân tán....................................................................... 83
3.4.5. Nhập xuất hướng Grid ..................................................................... 84
3.4.6. Các dịch vụ giao tiếp cấp cao .......................................................... 84
3.4.7. Bảo mật ............................................................................................ 86
3.4.8. Dung lỗi ........................................................................................... 86
3.4.9. Các siêu mô hình và hệ thống thời gian thực hướng Grid............... 88
3.5. Kết luận........................................................................................ 89
Chương 4. Mô hình lập trình truyền thông điệp - MPI...................................... 91
4.1. Các khái niệm cơ bản .................................................................. 92
4.2. Cấu trúc chương trình MPI .......................................................... 95
4.3. Trao đổi thông tin điểm-điểm ....................................................... 96
4.3.1. Các thông tin của thông điệp ........................................................... 97
4.3.2. Các hình thức truyền thông.............................................................. 97
4.3.3. Giao tiếp blocking............................................................................ 99
4.3.4. Giao tiếp non-blocking .................................................................. 103
4.4. Trao đổi thông tin tập hợp.......................................................... 109
4.4.1. Đồng bộ hóa................................................................................... 109
4.4.2. Di dời dữ liệu trong nhóm ............................................................. 109
4.4.3. Tính toán gộp ................................................................................. 113
4.5. Các kiểu dữ liệu ......................................................................... 118
4.5.1. Những kiểu dữ liệu đã được định nghĩa ........................................ 118
4.5.2. Các kiểu dữ liệu bổ sung................................................................ 119


4.5.3. Pack và UnPack ............................................................................. 123
4.6. Quản lý nhóm và communicator ................................................ 124
4.6.1. Tổng quan.................................................................................. 124
4.6.2. Nguyên tắc sử dụng................................................................... 126
Chương 5. Thử nghiệm các thuật toán lý thuyết đồ thị ................................... 129
5.1. Các khái niệm cơ bản ................................................................ 129

5.2. Dijkstra ....................................................................................... 130
5.2.1. Tuần tự........................................................................................... 130
5.2.2. Song song....................................................................................... 134
5.2.3. Thực nghiệm chương trình ............................................................ 136
5.3. Prim............................................................................................ 138
5.3.1. Tuần tự........................................................................................... 138
5.3.2. Song song....................................................................................... 141
5.3.3. Thực nghiệm chương trình ............................................................ 143
5.4. Bellman – Ford........................................................................... 143
5.4.1. Tuần tự........................................................................................... 143
5.4.2. Song song....................................................................................... 147
Chương 6. Kết luận – Hướng phát triển .......................................................... 151
6.1. Kết luận...................................................................................... 151
6.2. Hướng phát triển........................................................................ 151
Tài liệu tham khảo................................................................................................ 153


Danh sách hình
Hình 1-1 : 3 tầng của Grid ................................................................................................ 16
Hình 2-1 : Phân lọai hệ thống máy tính theo Flynn-Johnson ........................................... 20
Hình 2-2 : Kiến trúc SISD ................................................................................................ 20
Hình 2-3 : Kiến trúc SIMD ............................................................................................... 21
Hình 2-4 : Kiến trúc MISD ............................................................................................... 23
Hình 2-5 : Kiến trúc MIMD.............................................................................................. 24
Hình 2-6 : Mô hình chía sẽ không gian bộ nhớ ................................................................ 28
Hình 2-7 : Mô hình truyền thông điệp .............................................................................. 29
Hình 3-1 : mô hình NetSolve............................................................................................ 60
Hình 3-2 : Các thành phần của Globus ............................................................................. 63
Hình 4-1 : Các tiến trình tạo lập trên mô hình lập trình MPI............................................ 92
Hình 4-2 : Cách thức truyền thông của các process.......................................................... 94

Hình 4-3 : Blocking và non-blocking ............................................................................... 94
Hình 4-4 : Group, communicator và rank......................................................................... 95
Hình 4-5 : Cấu trúc của chương trình MPI ....................................................................... 96
Hình 4-6 : Giao tiếp blocking ........................................................................................... 99
Hình 4-7 : Thứ tự các xử lý............................................................................................. 102
Hình 4-8 : Cách thức xử lý tiến trình.............................................................................. 103
Hình 4-9 : Giao tiếp non-blocking.................................................................................. 103
Hình 4-10 : Broadcast dữ liệu......................................................................................... 110
Hình 4-11 : Ví dụ hàm Scatter ........................................................................................ 111
Hình 4-12 : Hàm MPI_Gather ........................................................................................ 112
Hình 4-13 : Hàm MPI_Allgather .................................................................................... 112
Hình 4-14 : Hàm MPI_Alltoall....................................................................................... 113
Hình 4-15 : Hàm MPI_Reduce ....................................................................................... 114
Hình 4-16 : Sử dụng 8 xử lý để tính giá trị tuyệt đối...................................................... 116
Hình 4-17 Hàm Mpi-Allreduce....................................................................................... 117
Hình 4-18 : Hàm MPI_Reduce_scatter........................................................................... 117
Hình 4-19 : Hàm MPI_Scan ........................................................................................... 118


Hình 4-20 : MPI_Type_contiguous ................................................................................ 120
Hình 4-21 : MPI_Type_vetor.......................................................................................... 121
Hình 4-22 : MPI_Type_indexed ..................................................................................... 122
Hình 4-23 : MPI_Type_struct......................................................................................... 122
Hình 5-1. Thuật toán Dijkstra tuần tự............................................................................. 134
Hình 5-1.1. .......................................................................................................... 131
Hình 5-1.3. .......................................................................................................... 132
Hình 5-1.4. .......................................................................................................... 133
Hình 5-1.5 ........................................................................................................... 133
Hình 5-1.6 ........................................................................................................... 134
Hình 5-2 : Thuật toán Dijkstra song song....................................................................... 135

Hình 5-3. Thuật toán Prim tuần tự .................................................................................. 141
Hình 5-3 : Thuật toán Prim song song............................................................................ 142
Hình 5-4: Thuật toán Bellman-Ford tuần tự ................................................................... 145
Hình 5-5 : Thuật toán Bellman-Ford song song ............................................................. 149











Trang 14
Chương 1. Giới thiệu
1.1. Các khái niệm

Trong những năm đầu thập niên 90, nhiều nhóm nghiên cứu đã bắt đầu khai
thác các nguồn tài nguyên tính toán phân tán trên Internet. Các nhà khoa học đã
tập trung và sử dụng hàng trăm các máy trạm để thực hiện các chương trình song
song như thiết kế phân tử và hiển thị đồ họa máy tính. Trong khi đó các nhóm
nghiên cứu khác đã kết hợp các siêu máy tính lớn lại với nhau thành một siêu máy
tính ảo duy nhất, rồi phân phối các phần của một ứng dụng rất lớn cho các máy
tính trên một mạng diện rộng, ví dụ như máy tính giả lập các ứng dụng như tương
tác giữa chất lõng và cánh quạt của chân vịt tàu…Thêm vào đó phạm vi của các
dự án nghiên cứu này đã nêu ra tiềm năng thực sự của mạng máy tính, cùng với cơ
sở phần mềm và tin học để phát triển nó xa hơn.
Hệ thống đa bộ xử lý (Multiprocessor Systems - MPs), Cluster, Grids là các

ví dụ của kiến trúc tính toán phân tán. Trong MPs, các bộ xử lý được kết hơp chặt
chẽ với nhau, thông qua bộ nhớ chia sẽ chung và đường truyền kết nối rất cao. Ví
dụ như là PVPs (Parallel Vector Processors), chúng hầu như rất thích hợp cho tính


Trang 15
toán hiệu năng cao, như là các ứng dụng song song dựa vào trao đổi thông điệp tốc
độ cao giữa các tiến trình song song.
Trong khi đó Cluster lại là các máy tính đơn hay đa bộ xử lý được kết hợp
tương đối với nhau thông qua đường mạng, vì thế nó chậm hơn từ 1 đến 2 lần so
với kết nối MP. Ví dụ như cluster Beowulf chạy Linux, hay TCF (Technical
Compute Farm) của Sun chạy hệ điều hành Solaris/TM. Chúng được sử dụng cho
các tính toán số lượng lớn, phân phối các tác vụ tính toán (thường là không song
song) cho các bộ xử lý, rồi thu thập lại các kết quả tính toán vào kết quả toàn cục.
Các tính toán này có thể là việc hiển thị hàng ngàn khung hình để làm phim hay là
giả lập việc kiểm tra và thiết kế để xây dựng thế hệ tiếp theo của chip VLSI. Hay
như trong công nghệ sinh học, đó là việc cắt lớp hàng trăm ngàn chuỗi gen.
Trong khi MPs và Cluster chỉ là các hệ thống đơn, thường là trong một
domain đơn. Grid điện toán bao gồm các cluster của mạng các MPs hay/và cluster,
nằm trên nhiều domain khác nhau, phân bố ở nhiều phòng ban, xí nghiệp hay thậm
chí là trên mạng Internet. Về bản chất, những grid có một độ phức tạp cao hơn,
đặc biệt là ở tầng trung gian, trong việc thực thi, quản lý, và sử dụng các tài
nguyên tính toán phân tán, và ở tầng ứng dụng là việc thiết kế, phát triển, chạy các
phần mềm để triển khai grid một cách hiệu quả.
Tóm lại Grid là một kiến trúc tính toán phân tán cho phép chuyển giao các
tài nguyên lưu trữ và tính toán như thể là một dịch vụ trên Internet. Đây là bước
phát triển tiếp theo về cơ sở hạ tầng kỹ thuật, cho phép kết nối các máy tính phân
tán, các thiết bị lưu trữ, các thiết bị di động, các thiết bị di động, các công cụ, cơ
sở dữ liệu, và các ứng dụng phần mềm, và cung cấp cách thức truy cập duy nhất
đến cộng đồng người dùng để cho phép tính toán, trao đổi thông tin và cộng tác.

Một số hệ thống grid hiện tại như là NASA Information Power Grid (IPG); DoD
Distance Computing và NetSolve cho chia sẽ và khai thác phần mềm toán học;
Nimrod cho chia sẽ tài nguyên trên phạm vi trường học; SETI@Home cho tìm


Trang 16
kiếm trí thông minh ngòai trái đất; hay là APGrid để kết nối các trung tâm máy
tính ở vành đai Châu Á Thái Bình Dương trong tương lai gần.

Hình 1-1 : 3 tầng của Grid

Grid là một cơ sở hạ tầng về phần cứng lẫn phần mềm cung cấp truy cập
phụ thuộc, thích hợp, rộng khắp và chi phí thấp vào các khả năng tính toán. Trong
một tương lai không xa, những grid này sẽ được các kỹ sư, nhà khoa học, khoa
học thực nghiệm, công ty, tổ chức, môi trường, giáo dục và đào tạo, khách hàng,
… sử dụng rộng rãi. Chúng sẽ dành riêng cho tính toán theo yêu cầu, tính toán trên
thông tin nhạy cảm, tính toán cộng tác, và siêu tính toán, dựa trên cơ sở của khách
hàng/nhà cung cấp.
Ngày nay chúng ta đang thấy những nỗ lực đầu tiên nhằm khai thác một
cách có hệ thống các nguồn tài nguyên tính toán lưới trên mạng Internet. Những
dự án này được gọi là peer-to-peer computing, như SETI@home, Distributed.Net
và Folderol, cho phép người dùng Internet tải về các dữ liệu khoa học, chạy trên
các máy cá nhân theo chu trình xử lý chia sẽ, và gửi lại kết quả cho cơ sở dữ liệu
trung tâm. Gần đây có một dự án ở một trường đại học, được gọi là Compute
Power Market, được xây dựng nên nhằm phát triển các kỹ thuật phần mềm cho
phép tạo lập những Grid, mà ở đó bất cứ ai cũng có thể mua hay bán khả năng khả
năng tính toán giống như cách sử dụng điện hiện nay.


Trang 17

1.2. Những thách thức đối với tính toán lưới
Hầu hết các kỹ thuật phức tạpbên dưới dành cho Grid hiện nay đang được
tiếp tục phát triển. Các môi trường Grid mẫu tồn tại giống như các dự án Globus
và Legion. Đồ án EcoGrid thì đang nghiên cứu cách thức quản lý tài nguyên, và
các khối xây dựng như vậy đang tồn tại trong trình quản lý tài nguyên mang tính
thương mại của phần mềm Sun Grid Engine.
Diễn đàn Grid (GGF – Global Grid Forum), được thành lập vào năm 1998,
đã tập hợp được hàng trăm các nhà khoa học để cùng nhau nghiên cứu và thảo
luận về một kiến trúc Grid chung. Trong đó vẫn còn tồn tại một số thách thức sau:
• Phát triền phần mềm ứng dụng cho Grid
• Chỉ ra và truy cập các nguồn tài nguyên tính toán thích hợp trên môi
trường phân tán
• Định nghĩa những giao tiếp chuẩn cho phép giao tiếp giữa các khối Grid
với nhau, nhằm đáp ứng nhu cầu phát triển ứng dụng.
• Bảo đảm các truy cập được xác nhận và truyền dữ liệu an toàn.
• Cung cấp các dịch vụ cho phép theo dõi, quảng cáo và kết xuất báo cáo.
• Thiết kế các nghi thức mạng cho việc trao đổi và định dạng thông điệp.

Trang 18
Chương 2. Tính toán song song và phân bố
2.1. Khái niệm
Ngày nay trong khi công nghệ ngày một phát triển thì nhu cầu về tốc độ
tính toán của các hệ thống máy tính cũng ngày một tăng cao. Các lĩnh vực đòi hỏi
tính tóan hiệu năng cao như là mô hình số và giả lập các vấn đề của khoa học và
công nghệ.
Ngoài ra nó còn nhằm giải quyết các lọai vấn đề cần tốc độ xử lý cao như:
• Mô hình hóa và giả lập
Mô hình các mẫu DNA
Mô hình hóa chuyển động của các phi hành gia
…
• Xử lý/Thao tác trên các dữ liệu rất lớn
Xử lý ảnh và tín hiệu
Khai thác dữ liệu và cơ sở dữ liệu
Xác định địa chấn
…
• Các vấn đề “grand challenge” (là những vấn đề không thể giải quyết
trong thời gian “hợp lý”, như cần 100, 1000,…năm để có đáp án)
Mô hình khí hậu
Sự chuyển động của chất lỏng
Bộ gene con người
Mô hình chất bán dẫn
…
Xuất phát từ nhu cầu đó đã dẫn đến sự cần thiết phải có những hệ thống
song song và phân bố nhằm tận dụng tối đa khả năng thực thi của các bộ xử lý, và
để giải quyết các vấn đề nan giải trên.


Trang 19

2.2. Nền tảng tính toán song song và phân bố

Trong phần này chúng ta sẽ xem xét cách tổ chức logic và vật lý của các
nền tảng song song và phân tán. Cách tổ chức logic liên quan đến quan điểm của
người lập trình (kiến trúc xử lý song song và phân bố) trong khi cách tổ chức vật
lý liên quan đến cách cơ cấu thực sự của các phần cứng bên dưới. Trong tính toán
song song thì từ quan điểm của người lập trình gồm 2 thành phần chính quan trọng
đó là cách thức thể hiện các tác vụ song song (cấu trúc điều khiển) và những
phương pháp xác định tương tác giữa các tác vụ này (mô hình giao tiếp).
2.2.1. Kiến trúc xử lý song song và phân bố

Máy tính song song có thể được chia theo 2 lọai chính là : dòng điều khiển
(control flow) và dòng dữ liệu (data flow). Máy tính song song dòng điều khiển
dựa chủ yếu theo các nguyên tắc của máy tính Von Neumann, ngọai trừ nhiều
dòng điều khiển có thể thực hiện vào bất cứ thời gian nào. Máy tính song song
dòng dữ liệu , đôi khi được biết đến là “phi Von Neumann”, thì hoàn toàn khác
biệt ở chỗ nó không có con trỏ trỏ tới các chỉ thị hiện hành hay trung tâm điều
khiển. Ở đây chúng ta chỉ tập trung vào các máy tính song song dòng điều khiển.
Năm 1966, M.J.Flynn đã phân chia các hệ thống máy tính dựa trên dòng chỉ
thị và dòng điều khiển thành 4 loại sau:
• SISD (Single Instruction stream, a Single Data stream)
• SIMD (Single Instruction stream, Multiple Data streams)
• MISD (Multiple Instruction streams, a Single Data stream)
• MIMD (Multiple Instruction streams, Multiple Data streams)
Phân theo mức độ hay được sử dụng:



MIMD > SIMD > MISD

Trang 20
Instruction Stream(s)
SISD
(Uniprocessors)
SIMD
(Array Processors)
MISD
GMSV GMMP
DMSV
Data Stream(s)
Single Multiple
Multiple Single
Shared Variables Message Passing
GlobalDistributed
Memory
Communication
DMMP
MIMD

Hình 2-1 : Phân lọai hệ thống máy tính theo Flynn-Johnson
2.1.1. SISD

Hình 2-2 : Kiến trúc SISD

Kiến trúc này tương tự với kiến trúc Von Neumann. Một đơn vị điều khiển
tiếp nhận một chỉ thị đơn từ bộ nhớ, sau đó đưa vào cho bộ xử lý thực thi trên một
đơn vị dữ liệu được chỉ ra trong chỉ thị nhận được, và cuối cùng là đưa kết quả
nhận được vào bộ nhớ.
2.1.2. SIMD

Hầu hết các máy tính song song ban đầu đều được thiết kế theo kiến trúc
SIMD. Trong kiến trúc này, một đơn vị xử lý trung tâm sẽ thông dịch và quảng bá
các tín hiệu điều khiển thích hợp cho các bộ xử lý theo chiều kim đồng hồ. Từng
bộ xử lý sẽ thực thi các chỉ thị một cách đồng thời, và chúng cũng có quyền không


Trang 21
tiếp nhận trên các chỉ thị nào đó. Sự phổ biến của kiến trúc SIMD là do tính năng
của các ứng dụng song song ban đầu và từ yêu cầu của nền kinh tế. Theo quan
điểm của người dùng thì các ứng dụng sử dụng kiến trúc SIMD thì dễ dàng được
lập trình hơn và tận dụng hiệu quả hơn các thiết bị phần cứng.

Hình 2-3 : Kiến trúc SIMD

Bên trong SIMD, tồn tại hai lựa chọn thiết kế cơ bản sau:
1. SIMD đồng bộ và bất đồng bộ.
Trong một máy SIMD, từng bộ xử lý
có thể thực thi hay bỏ qua các chỉ thị được quảng bá dựa vào trạng thái
cục bộ của nó hay những điều kiện phụ thuộc vào dữ liệu. Tuy nhiên


Trang 22
điều này có thể dẫn đến xử lý một vài tính toán điều kiện không hiệu
quả. Một cách giải quyết khả thi là sử dụng phiên bản bất đồng bộ của
S1IMD, được biết đến là SPMD (Single Program Multiple Data), trong
đó từng bộ xử lý sẽ chạy một bản sao của chương trình chung. Điểm
thuận lợi của SPMD là trong lúc tính toán biểu thức điều kiện “if-then-
else”, từng bộ xử lý sẽ chỉ thực hiện ở nhánh thích hợp mà không mất
thời gian cho các chi phí tính toán khác.

2.
Chip SIMD tùy chọn hay thống nhất (commodity)
.
Một máy
SIMD có thể được thiết kế dựa trên những thành phần thống nhất hay là
từ những con chip tùy chọn. Trong cách tiếp cận thứ nhất thì các thành
phần có xu hướng rẻ hơn do sản xuất hàng loạt. Tuy nhiên những thành
phần mang mục đích chung như vậy có thể chứa các yếu tố không cần
thiết cho một thiết kế cụ thể nào đó. Những thành phần thêm vào có thể
làm phức tạp việc thiết kế, sản xuất và kiểm thử các máy SIMD và cũng
có thể đem lại khiếm khuyết về tốc độ xử lý. Còn các thành phần tùy
chọn thì nhìn chung hỗ trợ tốt hơn cho thực thi tuy nhiên nó cũng dẫn
đến chi phí cao hơn cho việc phát triển. Khi việc tích hợp nhiều bộ xử lý
cùng với bộ nhớ dư dật trên một con chip VLSI đơn trở nên khả thi, thì
việc kết hợp ưu điểm của 2 cách tiếp cận trên là hoàn toàn có thể.

2.1.3. MISD

Mô hình này hầu như không thấy nhiều trong các ứng dụng. Một trong
những lý do là bởi vì hầu hết các ứng dụng không thế áp dụng một cách dễ dàng
vào kiến trúc MISD, điều này dẫn đến việc thiết kế ra một kiến trúc để thỏa mãn
cho một mục đích chung là điều không thể. Tuy nhiên có thể áp dụng các bộ xử lý
song song kiểu MISD vào trong một ứng dụng cụ thể nào đó.


Trang 23

Hình 2-4 : Kiến trúc MISD

Trong hình trên là ví dụ về một bộ xử lý song song với kiến trúc MISD.
Một dòng dữ liệu đơn đi vào một máy tính gồm 5 bộ xử lý. Nhiều phép biến đổi
được thực hiện trên từng đơn vị dữ liệu trước khi nó được chuyển sang một (hay
nhiều) bộ xử lý khác. Các đơn vị dữ liệu kế tiếp có thể đi qua các phép biến đổi
khác do điều kiện độc lập dữ liệu của các dòng chỉ thị hay do các thẻ điều khiển
đặc biệt được truyền cùng với dữ liệu. Chính vì vậy mà cách tổ chức theo kiến trúc
MISD có thể được xem như là một hệ thống ống lệnh cấp độ cao và phức tạp với
nhiều đường dẫn và trong đó từng giai đọan có thể được lập trình riêng biệt.
2.1.4. MIMD

Được tiên đoán bởi các doanh nghiệp vào thập niên 90, mô hình MIMD gần
đây đã trở nên khá phổ biến. Lý do cho sự thay đổi này là vì tính uyển chuyển cao
của kiến trúc MIMD và bởi khả năng tận dụng được những ưu điểm của các bộ vi
xử lý được sản xuất hàng lọat (commodity microprocessors), vì thế tránh được
những vòng phát triển dài dòng và qua đó có thể được phát triển cùng với sự cải
thiện của các bộ xử lý. Các máy tính MIMD được áp dụng rất hiệu quả cho các
ứng dụng song song mà vấn đề của nó được phân rã từ trung bình cho đến tốt
(medium- to coarse-grain parallel applications).Ưu điểm của các máy tính MIMD


Trang 24
bao gồm khả năng uyển chuyển cao trong việc khai thác nhiều dạng thức song
song khác nhau, dễ phân chia nhỏ hơn cho các bộ xử lý độc lập trong môi trường
đa người dùng (tính chất này là ngụ ý quan trọng cho tính dung lỗi), ít khó khăn
trong việc mở rộng (scalability). Nhưng bên cạnh đó kiến trúc này cũng có khuyết
điểm là sự quá tải do giao tiếp giữa các bộ xử lý và việc lập trình gặp nhiều khó
khăn.

Hình 2-5 : Kiến trúc MIMD

Trang 25

Bên trong kiến trúc MIMD, tồn tại 3 loại vấn đề cơ bản hay còn được gọi là
cách lựa chọn thiết kế hiện vẫn là chủ đề đang được tranh cãi trong cộng đồng các
nhà nghiên cứu.
1.
MPP –
massively or moderately parallel processor.
Việc xây dựng
một bộ xử lý song song từ một số lượng nhỏ các bộ xử lý mạnh mẽ hay
từ một số lượng rất lớn các bộ xử lý bình thường (một “bầy voi” hay là
một “đàn kiến”) thì cách nào sẽ hiệu quả hơn ?. Theo luật của Amdahl
thì cách đầu tiên thích hợp hơn cho những phần tuần tự của một tính
toán, trong khi cách tiếp cận thứ hai sẽ làm tăng tốc hơn nữa những
phần mang tính song song. Không thể đưa ra một câu trả lời chung cho
câu hỏi này, sự lựa chọn tốt nhất tùy thuộc vào loại công nghệ và ứng
dụng đang được sử dụng.

2. MIMD “chặt chẽ” hay “lỏng lẻo”.
Cách tiếp cận nào tốt hơn cho
việc tính toán hiệu năng cao, bằng cách sử dụng đa bộ xử lý được thiết
kế đặc biệt trên nhiều máy tính hay là tập hợp của những máy trạm bình
thường được kết nối với nhau bởi các hệ thống mạng “tiện nghi” (như là
Ethernet hay ATM) và những tương tác nào sẽ được kết nối với nhau
bằng hệ thống phần mềm đặc biệt và các hệ thống tập tin phân tán?
Cách tiếp cận thứ hai đôi khi được biết đến là mạng của các máy trạm
(network of workstations hay là NOW) hay là tính toán cluster, đã được
sử dụng rộng rãi trong những năm gần đây. Tuy nhiên vẫn còn nhiều
vấn đề mở còn tồn tại nhằm phát huy tối đa khả năng của những kiến

trúc có nền tảng là mạng. Thiết bị phần cứng, hệ thống phần mềm, và
những khía cạnh ứng dụng của NOW đang được đầu tư tìm hiểu bởi
một số lượng lớn các nhóm ngiên cứu. Một cách tiếp cận trung gian là
kết hợp các cluster những bộ xử lý thông qua môi trường mạng. Điều
này về cơ bản là một phương pháp phân nhánh, đặc biệt thích hợp khi
có một sự truy cập rất lớn đến dữ liệu cục bộ.