1.1.3 Arquitecturas de multiprocesamiento. 

Cuando se desea incrementar el desempeño más aya de lo que permite la técnica de segmentación del cauce (limite teórico de una instrucción por ciclo de reloj), se requiere utilizar más de un procesador para la ejecución del programa de aplicación. Las CPU de multiprocesamiento se clasifican de la siguiente manera (Clasificación de Flynn): 

● SISO – (Single Instruction, Single Operand ) computadoras Monoprocesador 

● SIMO – (Single Instruction, Multiple Operand ) procesadores vectoriales, Exenciones MMX

● MISO – (Multiple Instruction, Single Operand ) No implementado

● MIMO – (Multiple Instruction, Multiple Operand ) sistemas SMP, Clusters, GPUs 

Procesadores vectoriales – Son computadoras pensadas para aplicar un mismo algoritmo numérico a una serie de datos matriciales, en especial en la simulación de sistemas físicos complejos, tales como simuladores para predecir el clima, explosiones atómicas, reacciones químicas complejas, etc.,

 donde los datos son representados como grandes números de datos en forma matricial sobre los que se deben se aplicar el mismo algoritmo numérico. La mayoría de los procesadores modernos incluye algunas instrucciones de tipo vectorial, tales como las extensiones al conjunto de instrucciones tales como MMX y SSE. Estas instrucciones les permiten procesar flujos multimedia más eficientemente. 

Los Procesadores Digitales de Señales (DSP), son procesadores especializados en el procesamiento de señales tales como audio, vídeo, radar, sonar, radio, etc. Cuentan con instrucciones tipo vectorial que los hace muy aptos para dicha aplicación. Suelen utilizarse en conjunto con un microcontrolador en dispositivos como reproductores de audio, reproductores de dvd y Blueray, teléfonos celulares, sistemas de entretenimiento, sistemas de adquisición de datos, instrumentos médicos, controles industriales, etc

En los sistemas SMP (Simetric Multiprocesesors), varios procesadores comparten la misma memoria principal y periféricos de I/O, Normalmente conectados por un bus común. Se conocen como simétricos, ya que ningún procesador toma el papel de maestro y los demás de esclavos, sino que todos tienen derechos similares en cuanto al acceso a la memoria y periféricos y ambos son administrados por el sistema operativo. Pueden formarse con varios núcleos en un solo circuito integrado o con varios circuitos integrados en una misma tarjeta madre. La primera opción ha sido popularizada al hacerse más económicos los procesadores multinucleo de los principales fabricantes y con su uso en sistemas de gama media y baja, e inclusive en teléfonos celulares y tabletas. La segunda opción fue la que se uso en un principio y sigue siendo usada en en estaciones de trabajo y en servidores de alto rendimiento debido a que incrementa el poder computacional del sistema, pero también incrementa considerablemente el costo del sistema. 

Figura 1.1.3.1 Diagrama a bloques de un sistema multiprocesador simétrico

Los Clusters son conjuntos de computadoras independientes conectadas en una red de área local o por un bis de interconexión y que trabajan cooperativamente para resolver un problema. Es clave en su funcionamiento contar con un sistema operativo y programas de aplicación capaces de distribuir el trabajo entre las computadoras de la red. Este tipo de computadora paralela se ha vuelto muy popular por que permite usar los avances en los procesadores comerciales que tienen una muy buena relación costo rendimiento y se puede incorporar rápidamente los avances que proporciona las nuevas tecnologías en cuanto es económicamente viable. Sin embargo, se debe tener cuidado al implementar la aplicación, ya que si los datos que hay que pasar de un procesador a otro son demasiados, el tiempo empleado en pasar información de un nodo a otro puede sobrepasar a la ganancia que se tiene al dividir el trabajo entre varios procesadores.

Figura 1.1.3.2 Diagrama a bloques de un cluster

Las unidades de procesamiento gráfico (Graphics Processing Unit GPU) – sistemas diseñados originalmente para el procesamiento de Gráficos, con múltiples procesadores vectoriales sencillos compartiendo la misma memoria, la cual también puede ser accedida por el CPU. Por la gran cantidad de núcleos con los que cuenta, logran un excelente desempeño al ejecutar algoritmos que se adaptan a ser paralelizados, a tal grado que muchas de las supercomputadoras más rápidas de la actualidad utilizan estos procesadores, y los fabricantes de tarjetas gráficas producen versiones de sus productos especializadas en acelerar los cálculos de propósito general.

Figura 1.1.3.3 Diagrama a bloques de una unidad de procesamiento gráfico