Матричные и векторные процессоры

Матричные и векторные процессоры

В отличие от скалярных и даже суперскалярных процессоров данные устройства манипулируют массивами данных и предназначены для обработки изображений, матриц и массивов данных. Частным случаем векторного процессора является процессор изображений, который служит для обработки сигналов, поступающих от датчиков—формирователей изображения.

Матричный процессор имеет архитектуру, рассчитанную на обработку числовых массивов, например матриц. Архитектура процессора включает в себя матрицу процессорных элементов, например 64x64, работающих одновременно. Постпроцессор предназначен для реализации некоторых специальных функций, например управления базой данных.

Векторный процессор обеспечивает параллельное выполнение операции над массивами данных, векторами. Он характеризуется специальной архитектурой, построенной на группе параллельно работающих процессорных элементов. Максимальная скорость передачи данных в векторном формате может составлять 64 Гбайт/с, что на два порядка быстрее, чем в скалярных машинах.

SIMD – команды. Г. Флинном в 1966 г. была предложена классификация ЭВМ и вычислительных систем (в основном суперкомпьютеров), основанная на совместном рассмотрении потоков команд и данных. В общем случае архитектура SIMD (ОКМД) предполагает создание структур векторной или матричной обработки. Системы этого типа обычно строятся как однородные, т. е. процессорные элементы, входящие в систему, идентичны, и все они управляются одной и той же последовательностью команд. Однако каждый процессор обрабатывает свой поток данных. Под эту схему хорошо подходят задачи обработки матриц или векторов (массивов), задачи решения систем линейных и нелинейных, алгебраических и дифференциальных уравнений, задачи теории поля и др.

В процессоре Pentium MMX были применены элементы SIMD-команд для обработки мультимедийных данных (видеокодирование, шкалирование, экстраполяция). При этом достигалось общее повышение производительности на 10—20 %, а в программах обработки мультимедиа - до 60 %.

В процессорах Pentium II, III введено 50—70 новых команд, названных Streaming SIMD Extensions (SSE). Процессор содержит "битовые регистры”, позволяющие осуществлять за один такт до четырех операций с плавающей точкой.

В дальнейшем было введено еще 76 SIMD-команд и модернизированы 68 имеющихся команд, что получило название SSE2 (Pentium IV Northwood). Здесь 128-битовые регистры обеспечивали обработку как чисел. Таким образом, SSE2 более гибок, позволяя добиваться роста в производительности. Однако использование нового набора команд требует специальной оптимизации программ. AMD также реализует SSE2 в своем новом семействе процессоров Hammer. Процессор Pentium IV Prescott содержит еще на 13 SSE-команд больше (SSE3).