Sesión de teoría: Introducción a la concurrencia (5/6)

Summary

En este video se exploran los diferentes tipos de arquitecturas de hardware concurrente según la taxonomía de Flynn. Se detallan cuatro categorías principales de procesadores: SSS (Instrucción Simple, Dato Simple), SIMD (Instrucción Simple, Múltiples Datos), MISD (Múltiples Instrucciones, Dato Simple) y MIMD (Múltiples Instrucciones, Múltiples Datos). A medida que se avanza, se discuten las arquitecturas más modernas que permiten una verdadera concurrencia, como los sistemas multiprocesador y distribuidos, optimizando el rendimiento a través de la simultaneidad de instrucciones. Se también analiza cómo la concurrencia simulada en procesadores mejora el rendimiento, especialmente en sistemas con operaciones de entrada/salida.

Takeaways

• 😀 Flynn clasifica las arquitecturas de computadoras según el número de instrucciones y datos que manejan de forma concurrente.
• 😀 El tipo **SISD (Single Instruction, Single Data)** tiene una única unidad de control y ALU, y solo puede ejecutar una instrucción sobre un dato a la vez. Es una arquitectura obsoleta en la mayoría de los dispositivos modernos.
• 😀 **SIMD (Single Instruction, Multiple Data)** ejecuta una sola instrucción sobre múltiples datos, utilizando varias unidades aritmético-lógicas (ALU). Es ideal para operaciones en paralelo como la suma de matrices o el procesamiento gráfico.
• 😀 **MISD (Multiple Instruction, Single Data)** permite que distintas instrucciones operen sobre el mismo dato. Esta arquitectura es rara y se utiliza principalmente en sistemas tolerantes a fallos, como en la tecnología espacial.
• 😀 **MIMD (Multiple Instruction, Multiple Data)** es la arquitectura más utilizada hoy en día, ya que permite ejecutar múltiples instrucciones sobre múltiples datos simultáneamente, lo que se traduce en verdadera concurrencia.
• 😀 Los sistemas **multi-procesador** tienen múltiples procesadores que comparten una memoria común, lo que facilita la ejecución concurrente de múltiples tareas.
• 😀 Los **multi-computadores (clústeres)** consisten en computadoras interconectadas, cada una con su propia memoria local. Este tipo de arquitectura permite la concurrencia real entre procesos, aunque cada procesador tiene acceso solo a su propia memoria.
• 😀 Los **sistemas distribuidos** son redes de computadoras independientes que se comunican entre sí a través de una red, como internet, para compartir recursos y ejecutar tareas concurrentes.
• 😀 La concurrencia en un **mono-procesador** puede simularse para mejorar la eficiencia, aprovechando tiempos de espera como en operaciones de entrada/salida.
• 😀 Los **procesadores modernos** simulan concurrencia mediante hilos, mejorando el rendimiento general al ejecutar tareas en paralelo, aunque no siempre haya una mejora si el programa solo realiza cálculos sin operaciones de entrada/salida.

Q & A

¿Qué es la taxonomía de Flynn y cómo clasifica los tipos de arquitecturas concurrentes?

La taxonomía de Flynn clasifica las arquitecturas concurrentes en cuatro tipos: SISD (Single Instruction, Single Data), SIMD (Single Instruction, Multiple Data), MISD (Multiple Instruction, Single Data) y MIMD (Multiple Instruction, Multiple Data). Esta clasificación se basa en la cantidad de instrucciones y datos procesados simultáneamente por las unidades de control y las unidades aritmético-lógicas de un procesador.

¿Cuál es la diferencia principal entre las arquitecturas SISD y SIMD?

La principal diferencia es que en SISD solo se ejecuta una instrucción sobre un solo dato a la vez, mientras que en SIMD se ejecuta una única instrucción sobre múltiples datos simultáneamente, lo que permite el procesamiento paralelo de grandes conjuntos de datos.

¿Por qué la arquitectura SISD se considera obsoleta hoy en día?

La arquitectura SISD se considera obsoleta porque en la actualidad la mayoría de los dispositivos, incluidos los móviles, tienen más de un procesador, lo que permite el procesamiento paralelo y mejora el rendimiento en comparación con la ejecución secuencial de una sola instrucción sobre un solo dato.

¿Qué tipo de sistemas usan la arquitectura SIMD?

La arquitectura SIMD se utiliza en sistemas que necesitan realizar operaciones sobre grandes volúmenes de datos de manera paralela, como en los procesadores vectoriales y las tarjetas gráficas (GPU), donde se realizan cálculos para operaciones como la suma de matrices o la renderización de gráficos.

¿En qué tipo de sistemas se utiliza la arquitectura MISD?

La arquitectura MISD es rara y se utiliza principalmente en sistemas tolerantes a fallos, como los utilizados en misiones espaciales. Su propósito es ejecutar diferentes instrucciones sobre el mismo conjunto de datos para comparar resultados y verificar la exactitud de las operaciones.

¿Qué caracteriza a la arquitectura MIMD?

La arquitectura MIMD se caracteriza por permitir la ejecución de múltiples instrucciones sobre múltiples datos de manera simultánea. Es la arquitectura más utilizada en sistemas modernos como los procesadores multinúcleo, los clústeres de computadoras y los sistemas distribuidos, ya que permite una verdadera concurrencia.

¿Por qué se considera que la arquitectura MIMD es la más eficiente?

La arquitectura MIMD es la más eficiente porque permite que diferentes procesadores ejecuten tareas independientes de manera concurrente, lo que optimiza el tiempo de ejecución y mejora el rendimiento en aplicaciones que requieren una gran cantidad de procesamiento, como el cálculo paralelo.

¿Cómo mejora la concurrencia la eficiencia de un sistema monoprocesador?

En un sistema monoprocesador, la concurrencia se simula al aprovechar los tiempos de espera de entrada/salida para ejecutar otros hilos. Esto mejora la eficiencia del sistema, ya que no se desperdicia tiempo del procesador mientras espera la entrada o salida de datos.

¿Qué son los sistemas distribuidos y cómo funcionan?

Los sistemas distribuidos son un tipo de arquitectura donde varias computadoras independientes se comunican a través de una red, como Internet o una red local (LAN). Cada computadora tiene su propio procesador y memoria, pero todas trabajan en conjunto para ejecutar aplicaciones distribuidas, compartiendo recursos y coordinándose a través de la red.

¿Qué ventaja tiene un sistema con múltiples procesadores sobre uno con un solo procesador?

Un sistema con múltiples procesadores tiene la ventaja de poder ejecutar múltiples instrucciones al mismo tiempo, lo que mejora significativamente el rendimiento al realizar operaciones concurrentes. En contraste, un sistema con un solo procesador solo puede ejecutar una instrucción a la vez, limitando la eficiencia en tareas paralelas.