parallel computers lecture notes, Lecture notes of Computer Science

distributed computing and parallel computing

Typology: Lecture notes

2017/2018

Uploaded on 05/10/2018

virender-sangwan
virender-sangwan 🇮🇳

1 document

1 / 13

Toggle sidebar

This page cannot be seen from the preview

Don't miss anything!

bg1
Chapter 1: Parallel Computing at a Glance 1
1
1
Parallel Computing at a Glance
It is now clear that silicon based processor chips are reaching their physical limits in processing speed,
as they are constrained by the speed of electricity, light, and certain thermodynamic laws. A viable
solution to overcome this limitation is to connect multiple processors working in coordination with each
other to solve grand challenge problems. Hence, high performance computing requires the use of
Massively Parallel Processing (MPP) systems containing thousands of powerful CPUs. A dominant
representative computing system (hardware) built using MPP approach is C-DACs PARAM
supercomputer.
By the end of this century, all high performance systems will be parallel computer systems. High-end
super computers will be the Massively Parallel Processing (MPP) systems having thousands of proces-
sors interconnected. To perform well, these parallel systems require an operating system radically
different from current ones. Most researchers in the field of operating systems (including PARAS
microkernel designers!) have found that these new operating systems will have to be much smaller than
traditional ones to achieve the efficiency and flexibility needed. The solution appears to be to have a
new kind of OS that is effectively a compromise between having no OS at all and having a large
monolithic OS that does many things that are not needed. At the heart of this approach is a tiny
operating system core called a microkernel. Dominant representative operating systems built using
microkernel approach are Mach and C-DACs PARAS microkernel.
This chapter presents an overview of parallel computing in general and correlates all those concepts
to the PARAM and PARAS advented by the Centre for Development of Advanced Computing (C-
DAC). It starts with the discussion on need of parallel systems for High Performance Computing and
Communication (HPCC). It also presents an overview of PARAM family of supercomputers with the
PARAS operating environment for respective representative systems. Thus, it brings out the four
important elements of computing: hardware architectures, system software, applications, and problem
solving environments.
1.1 History Parallel Computing
The history of parallel processing can be traced back to a tablet dated around 100 BC. Tablet had three
calculating positions capable of operating simultaneously. From this, we can infer that, these multiple
positions were aimed either at providing reliability or high speed computation through parallelism. Just
as we learned to fly, not by constructing machine that flap their wings like birds, but by applying
aerodynamic principles demonstrated by nature; we modeled parallel processing after these biological
species. The feasibility of parallel processing can be demonstrated by neurons in brain. Aggregate
speed with which complex calculations carried out by neurons is tremendously high, even though
individual response of neurons is too slow (in terms of milli seconds).
pf3
pf4
pf5
pf8
pf9
pfa
pfd

Partial preview of the text

Download parallel computers lecture notes and more Lecture notes Computer Science in PDF only on Docsity!

2222222222g—2IX2€——  2g 2—2—2q —™ I

I

I

€——2g 2— 2—2q—™

s22 2™ —2—2 ™ 2˜— 2 ™  2™2— 2 —™2 2™— 2 22 ™ 2 D —2 2— 2™ — 2˜2 2 2 2 ™™D2 D2—2™ —2  —™2 — F2e2—˜   2 2  ™  22 — 22 2™  ™2  2 ™  2 22™ — 2 2 —™  2  2   2 —2 ™—  2  ˜ F2 r ™ D2 2   —™ 2 ™ 2   2  2  2  w— 2€—— 2€ ™ 2@w€€A2 2™ —2 —2 2  2g€ F2e2 —    — 2 ™ 2  2 @— — A2 ˜ 2 2 w€€2 — —™2 2 gEheg(2 €e‚ew  ™  F

f2 2 2 22™ D2— 22  —™ 2 2  2˜ 2—— 2™  2 F2rE   2™  2  2˜ 2 2w— 2€—— 2€ ™ 2@w€€A2 2—2 —2 2 ™ E  2  ™  ™ F2„ 2   2 D2   2 —— 2  2   2 —2  —2  2 —™—    2  2 ™ 2  F2 w 2   —™ 2 2  2  2 2  —2  2 @™ 2 €e‚eƒ ™   2  3A2— 2 2—2  2 2  —2 2  2— 2 2˜ 2™2— 2— — — 2  2 2—™  2 2 ™ ™2—2 .˜ 2  F2„ 2  2— —2 2˜ 2 2— 2—  22 2yƒ2—22  ™ 2—2™   2˜  2—2 2yƒ2—2— 2—2—2—2 —   ™2 yƒ2 —2  2 —2 2 —2 — 2  2   F2 e2  2  —2 2 2 — —™2 2 —2   —2 2™  2™— 2—2™   F2h —2   — 2  —2 2˜ 2 ™   2— —™2— 2w—™2—2gEheg(2€e‚eƒ2™   F

„2™— 2  2—2   2 2—— 2™ 22  — 2—2™  — 2— 2  2™ ™   2 2€e‚ew2—2€e‚eƒ2—  2˜2 2g  2 2h   2 2e—™ 2g 2@gE hegAF2s2—2 2 2™ 2 2 2 2—— 2 2 2r2€  —™ 2g 2— g ™— 2@r€ggAF2s2—  2  2—2   2 2€e‚ew2— 2 2 ™  2 2 €e‚eƒ2  —2   2  2   ™ 2    — 2  F2„D2 2 ˜2 2  2    —2  2 2™ X2— — 2—™ ™ D2 2  — D2— ™— D2—2 ˜   2   F

IFI22r 2€— —  2g

„ 2 2 2—— 2 ™ 2™—2˜ 2—™ 2˜—™2 2—2—˜ 2— 2— 2IHH2fgF2„—˜ 2—2 ™— ™ —2  2™——˜ 2 2  —2 —  F2p 2D2 2™—2 2—D2  2    2  2— 2  2—2 2 —˜ 2 22 2™ — 2 2—— F2t —2 2 — 2 2 D2 2˜2™ ™2—™ 2—2 —2 2 2  2˜D2˜2˜2—  —  —™2™ 2  — 2˜2— Y2 2  2—— 2 ™ 2— 2  2˜ ™—  ™ F2„ 2 —˜ 2 2—— 2 ™ 2™—2˜ 2  — 2˜2  22˜—F2e —  2 2 ™2 ™  .2 ™— ™ — 2 ™— 2 2 ˜2   2 2     2 D2  2   — 2   2 2  22 2 2@2 2 2 2 ™ AF

P „2h 2 2€e‚eƒ2w™  

P

i—22g 

„ 2 2  2 2 —2 2™ 2— X2  — 2—2—— 2 —F2s2 2—2 ™— D2—— —™ 2— 2˜ ™  2™—2™   2 2 ™ 2—™ 22 2 2 22  —™ ™ F2e2™ 2  2 2 2   2 2™ 2 —22 22p 2IFIF2„ 2™ E 2 —2—2 2—2   22— — 2—™ ™ D2 2˜2 2  — 2@—™ —  2 2— —2 2™  2—2  —2 AD2— ™— D2—2 —™22—— 2 2 2  22 ˜ 2 2   F2i 2  2 2™ 2  2 2— X2‚282hD ™  ™— 7— D2—2™  F

IFP222‡—22€— —  2€ ™2c

€ ™ 2 2  2—2 —  2 2  2 ™  22™— 2 ——2™ F2„

—— 2 —2™ 2 2  2—™ 2 ™  2 —  2 2—2 2 ˜ F2e2  —22 2 2  2˜—22  E— E™  2 ™ 2—2 —™2  2 2 2—

R „2h 2 2€e‚eƒ2w™  

R

ƒ 2s ™ 2w2h——2@ƒswhA

e2ƒswh2™ 2 22—2  ™  2—™ 2™——˜ 2 2. ™2 2— 2™ 2 2—  2g€ D2˜2  —2 2  2——2 —2@ 2p 2IFQAF2w—™ 2˜— 2 2ƒswh2  2— 2 2 2™ ™2™ 2™ 2 2  2 2 2 ™ 2—2—.2  — F2p 2E —™ D2 —  2 ™2 — g2a2e2B2fY

™—2˜ 2— 2 2— 2 2€i2@ ™ 2  AY2—2 —7 2——2  2 2 ™ 2e2—2f2   2 2@xE 2 2x2€i2 AY2—2 2 —™2€i2 2 ™ 2  2——2 F2h —2  E  — 2ƒswh2 2— 2g‚e‰(2 ™ 2 ™ 2—™ D2„2w—™ (2™BD2 ™F

w2s ™ 2ƒ 2h——2@wsƒhA

e2wsƒh2™ 2 22—2  ™  2—™ 2™——˜ 2 2. ™2  2™ 2 

2222222222g—2IX2€——  2g 2—2—2q —™ S

S

  2€iD2˜2— 2 2 2  —2 2 2— 2——E 2@ 2p 2IFRAF2p 2—™ D2—   ™2 —

2—B˜D2—E˜D2—G˜   2  2  — 2 2 2— 2——2 F2w—™ 2˜ 22wsƒh2  D2— 2 2  2  2 2 2— ™— Y2—2 2—™ 2— 2˜ D2˜2  2 2 2— 2—— —˜ 2™  ™— F2„  ˜ ™  2  2 2—2 ™— 2. ™ 2—2—2—™™— 2™ — F

w2s ™ 2w2h——2@wswhA

e2wswh2™ 2 22—2  ™  2—™ 2™——˜ 2 2. ™2  2™ 2    2——2 2@ 2p 2IFSAF2i—™2€i22wswh2  2— 2 —— 2™ 2—2——2 — —2 ™ 2—™ 2˜ 222  2— 2 2 2 2—22 2— ™— F2   2ƒswh2— wsƒh2—™ D2€i22wswh2—™ 2 2—™   F

2222222222g—2IX2€——  2g 2—2—2q —™ U

U

„ 2 2— 2 2™——™ ™2 2˜ 2  2wswh2—™ X

 22 w— —™ —˜ X 2i—2 2˜ D2˜22  2 E 2  —2 2 ™2™  2   2   ™ F

 22 €——˜ X 2ƒ  2™ 2  2™ — 2 2— E  D2˜222 2 2 2 — E  2— ™— F

 2 ‚—˜ X 2p—  2 2—2™   2  2 2— ™2 2  2 Y2™ 2—2€i2™—2˜ 2 —   — F

 22 i  ˜ 2— 2ƒ™——˜ X 2e2  2€i2 2 2 .2 2@ A22™2 — F

„ 2— E  2wswh2  D22 —2 2 —2˜2 2 2 . ˜ 2—2™— —˜  —2 2˜ 2  2wswh2  2™ 2 2 —2˜22™—2 — 2˜ 2™— 2—2 ™ D ™2 2— 2  — 2™— 2— 2—— 2 ™ 2@w€€A2 F

„ 2€e‚ew2  2 2—— 2 ™  2— 2˜ 2  2  ™  2 ™ E F2e 2 2 ™ 2  2— 2™  ™ 2˜2—22 2  2—2™ ™— 2—   2— 2 —™ 2 2 — 2—2 —™ 2  2 2F

IFS222e —™22€— —  2€  —

e2  — 2 —22  2 ™22 2—2 2 ™  2—2—2—2 2  2 2™  F2„ 2— —2 ™  2™ ™ 2 2 2—2 2 —D2 2 —22˜ 2 2 2—     2™2 2—2 —™2 ™  2™—2 2 2 —— 2™2 2 2 ˜ F2„ 2 —  ™   222 —22—2—— 2 —F

e2  2— 2 2—— 2 —2— —™ 2— 2—— —˜ F2„ 2 2  2— 2 

V „2h 2 2€e‚eƒ2w™  

V

  2 2€e‚ew2— 2 2 X

22h——2€——  22€ ™ 2€——  22p— 2—2‡  2w 

e 2  2 2  2— 2—˜ 2 2—2  2—— F2s2™— 2 2——2—— D2 E—E ™  2 ™ 22 2 2 2——2 2  2 2—2 —™2——2 2— 2 ™  2 2   €i2˜22 2— 2™ F2„2— —™22 2—˜ 2 2 ™ 2 2—™ 2˜—  2ƒswh2  F2s2™— 2 2 ™ 2—— D2—2 2  — 2—2  2@˜2™A2—™ D ™2™—2˜ 2 ™  2 2  2 ™  F2s2™— 2 2— 2—2  2  D2E ˜2˜  — —™22 Y2  2 ™  22™  2—2— 2—2— 2  2 —2€i2— 2 — 2—  — Y2 — 2 —2 E ˜2  2  — 2 €i2 —2  2 2 ™   2  2  2 — 2 ™2 2  ™ ™2  F2„ 2—˜  2— —™ 2™—2˜ 2 7 22  2  2 2—— 2@™ 2 — AF

IFT22€e‚ew2ƒ ™ 

„ 2 €e‚ew2 2 —2 —™ 2  2 €e‚e 2 w—™ F2 „ 2 €e‚ew2  2 ™  2 2 —2 ˜    D2 — 2—2—— 2™  F2„ 2 2— 2 2€e‚ew2— 2 2 ™     2˜2gEhegX

2222222FFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFF 2222222ƒ ™   € ™  22g  2i €  2 2h  2222222FFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFF 2222222€e‚ew2VHHH sxwyƒ2„—  w€€ 2222222€e‚ew2VTHH VTH w€€ 2222222€e‚ew2WHHH ƒ(2ƒ€e‚gD2e —D2€ €g2@w€€A w€€2—2g   2222222€e‚ew2y p— ƒ92 —ƒ€e‚g g   2222222FFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFF

„—˜2IFIX2€e‚ew2p—

„ 2€e‚ew2VHHH22˜— 2 2 2— 2˜ 2—2™  2—2 ™ 2  F2„ 2€e‚ew2VTHH 2˜— 2 2 2VTH2‚sƒg2 ™  2—2™  2  2—2— 2—2—2 ™ 2  F2„ 2€e‚ew WHHH22˜— 2 2 2ƒ€e‚g2  2 2€y‡i‚2€g2 2h— 2e —2 ™  2 2˜ 2—2— ™  2—2 ™ 2  F2   2€e‚ew2VHHH2—2VTHHD2€e‚ew2WHHH2 2˜ 2w€€2  E — 2—2g  2  — F2e 2€e‚ew2 ™  2 2—2—2˜—™E 2™  2  2 2  ™2—2€gGe„D2ƒ x2 — D2w™ 2†eˆ2—™ D2—2 THHH2—™ 2 ™F2„ 2    E 2—™ 2˜2— 2˜—™E 2™  2  2 2  2 2  2 ™— 2E 2—  —2—2 2 2 F

„ 2 €e‚ew2 WHHH2 2 —2  —™  2  ™F2 s2  2 ˜ 2  2 ™  2 ™ 2 —2 w€€ ™ F2s2˜ 2 2  — D2 2˜—™2— — 2 2€e‚ew2WHHH2 —2 2— F2r  D  2 2  22 2 2  —2   2—2 2™ — 22 2 2  — F2e™E  ™ 2 2€e‚ew2WHHH2—™ 2  2˜ 2™ 22 — 2™— F

IFU22€e‚eƒ2y —2i( 

„ 2€e‚eƒ22 2E2—2™   D222—2™   2—— 2 —2   2 2gEheg €e‚ew2™— 2 €e‚eƒ2— 2     F2e2 2 2  D2 2—— 2 —2 

IH „2h 2 2€e‚eƒ2w™  

IH

„ 2 — 2™ 2 2— 2 2—— —˜ 2 2€e‚eƒ22˜  2 2™  2 22—2 ™ D2 2  F

„ 2€e‚eƒ2™   22  2 2—2 2™   22 2€e‚eƒ2  —2   F2s2  2 7 2 22  —™ 2™ F2s22—— —˜ 2 2— 2€e‚ew2— 2 2 ™  F s2— 2 — 2— 2 2— ™— 2 2 — 2 2 2 — 2 F2w  2 — 2™E  2 2 2€e‚eƒ2™   2™—2˜ 2 22 — 2™— F

IFV222v( 22€— —  

v  2 2—— 2 ™ 2˜— 2 2 2 2 2™  2@—27 A2—2™—2˜ 2—2  — 2™——  2—— F2„—˜ 2IFP2 2™—   2 2™  2— —2 2—— F

FFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFF q—2ƒ7 g  2s  g  G—— 7 2˜ FFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFF v— € —Eƒ —— 2 — 2 ™  € —  w  ƒ——2y 2€— 2p™  € —  p v Gs™ 2˜ ™ €—— 72™   † 2 s™  € ™   FFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFF 222222 „—˜2IFPX22v&2 2€—— e 2 2  2— —™ 2— 2—2™  2 — 2 2˜ 2 ™  2 ™ ™2˜22 — ™F2„ ™ ™ — 2 — ™2  D2   2 2 ˜ 2 —  2  —2  —2  2 2    2 —2 2  —  ™™F2„ 2 —22 2. ™ 2™ ™  2 2 2  2 E — 2— ™— D2™2—2™  D  .2 —D2——˜— 2 —™D2—2 ™ 2 — F

€—— 22—2— ™— 2™—2˜ 2  ™ 2—2  — 2  F2„ 2— 222v— E—2@ 2—E  A 222w E—2@ 2™  E  A 222p E—2@——E  A 222† E 2—2@  2™ 2 A

„ 2  2  2 2—— 22 ™ 22p 2IFVF

e 2 2 2  2 2—— D2 2€e‚ew2 2 2—2 — 2—2——  . ™ F2r  2™ 2  2 2—— 22  2˜2 2 ™  2 22˜  ™  2  2 2 2€e‚ewF2p 2—™ D2 2™  2  22€e‚ew2VTHH22˜— 2 2VTH  ™  2—2™——˜ 2 2. ™ 2  2™ 2™ ™  F

e2 — 2™—2 2€e‚eƒ2 —2   2 2 2—— 7— 2 2—2— ™— F2e ˜—™2 —2  2—2—2  2 —2 2€e‚ew22  2˜2 2€e‚eƒ2™   2  2  2 2  2  ™ F2 w™2  ™— 2  —2   2 2 ˜ 2 2  ™   2 ™ 22 2 2 2˜ F2ƒ  2 2 2  2—2  2˜ 2˜  — 2gy‚iD2w€sD2€yƒsˆ2 —D2—2 2 2™ ™— 2 F

2222222222g—2IX2€——  2g 2—2—2q —™ II

II

„—2v&2€ — 

„ —2— 2—2  2  2 2 . 2™ ™ ™2 2  ™  2—2 ™  2E  F2s2  ™  D2 —2— 2— 2 2 2 —  2 7 2— 2 2—— —˜ 2 ™ E  D2   —22 ™  2 2 ™  2 D2 —2— 2 2 2 7 2 2  ™   ™ 2˜2 . 2 2—™  2˜ — 2@  2 2™ — 2—2™ ™—    —A2 2 —F2w  2 — 2 2 —2™—2˜ 2 22 2€ ™ 2w——  2™— F

2222222222g—2IX2€——  2g 2—2—2q —™ IQ

IQ

RF2i 2 E  2™ 2  2— 2  2—2˜ 2  2— 2 2 2 2 ——™ 22 ™ F

SF2q 2   2 2   2—2 ˜2— 2 2 2   F

TF2„  22 2™2  2 2™ ˜ 2 2 2— —2 2—— 2 ™ F2r ™ D2™   —™ ™D2yƒ2  D2 —— 2  D2™  2  2  D2— 2— 2—2 2 2 —F s22—2 2— 2—2 2—2™— 2—2— 2—2™ F2v— 2   22 2— —2    — 2— 2˜  2 2™ ™ 2 2 —2 2— 2  2—2˜ 2  2  E ™  2 F2f ™— 2 2 —™2 2—.  2—2   D2™  2™ ™ 2™—2˜ 2™— 2— — 2™ ™ F