حاسبة فقاعة التوازي الأنبوبي
المدخلات
| مراحل الأنبوب | 8 |
|---|---|
| الدُّفعات الصغرى | 32 |
حاسبة فقاعة التوازي الأنبوبي
حساب نسبة فقاعة الأنبوب وكفاءة الحوسبة الناتجة للتدريب المتوازي أنبوبيًا انطلاقًا من عدد مراحل الأنبوب وعدد الدُّفعات الصغرى في الدُّفعة.
المدخلات
الأنبوب
النتائج
أدخل قيمة لعرض النتائج.
فقاعة التوازي الأنبوبي
يقسّم التوازي الأنبوبي النموذج إلى مراحل متتالية ويضع كلًّا منها على مجموعة أجهزة مختلفة، فتسلّم كتلة طبقات على الجهاز الأول مخرجاتها إلى التالي، وهكذا. وهو يتيح لنموذج أكبر من أن يتسع على مسرّع واحد أن يمتد على عدة مسرّعات، لكنه يدفع ضريبة مميزة: لا يمكن أن تكون المراحل كلها مشغولة في آنٍ واحد. ففي بداية الدُّفعة تجلس المراحل المتأخرة خاملة منتظرة وصول البيانات إليها، وفي النهاية تخمل المراحل المبكرة بينما تتفرّغ الدُّفعات الصغرى الأخيرة. ذلك الفاصل الخامل هو فقاعة الأنبوب، وهذه الحاسبة تُكمّمه.
من أين تأتي الفقاعة
تخيّل خط تجميع بثماني محطات. لا بد للقطعة الأولى أن تمرّ عبر المحطات من الأولى إلى السابعة قبل أن يكون لدى المحطة الثامنة ما تفعله؛ وبحلول ذلك تكون قد انقضت سبع خطوات لم يُستغل فيها الخط بالكامل. ويحدث المثل عكسيًا مع تفريغ الخط. وبالنسبة لأنبوب من مرحلة، يكلّف هذا الإحماء والتبريد خطوة بغض النظر عن مقدار العمل التالي. وما إذا كانت تلك الكلفة الثابتة مهمة يتوقف على عدد الدُّفعات الصغرى المتدفقة خلفها.
الصيغة
عند وجود مرحلة أنبوب و دُفعة صغرى، تكون نسبة الفقاعة والكفاءة المكمِّلة لجدول متزامن معياري
BE=m+p−1p−1=m+p−1mالمقام هو إجمالي عدد خطوات الأنبوب — الدُّفعات الصغرى النافعة زائد خطوات الملء والتفريغ . والكسران يجمعان دائمًا إلى واحد، إذ إن كل خطوة إما عمل نافع وإما فقاعة.
مثال محلول
لنأخذ أنبوبًا من 8 مراحل مغذًّى بـ 32 دُفعة صغرى لكل دُفعة:
BE=32+8−18−1=397≈0.179=17.9%=3932≈0.821=82.1%تُفقَد قرابة ثمانية عشر بالمئة من الجدول في الفقاعة، فيتبقى نحو اثنين وثمانين بالمئة للحوسبة النافعة. ورفع عدد الدُّفعات الصغرى إلى 64 يخفض الفقاعة إلى نحو أحد عشر بالمئة، إذ تُوزَّع الآن كلفة الملء الثابتة البالغة سبع خطوات على عمل أكثر.
الحدود
تفترض الصيغة الجدول المتزامن المعياري ومراحل متساوية الكلفة واتصالًا بين المراحل صغيرًا بما يكفي ليُهمَل. والجداول المتداخلة، التي تُسند عدة كتل مراحل غير متجاورة لكل جهاز، تخفض الفقاعة دون ما تعطيه هذه الصيغة، بينما المراحل غير المتساوية الكلفة أو عمليات النقل الثقيلة بين المراحل قد تجعل الكفاءة الحقيقية أسوأ. وعدد الدُّفعات الصغرى هنا هو الكمية نفسها التي تحكم، عبر الدُّفعة الشاملة، سلوك المحسِّن — انظر حاسبة حجم الدُّفعة الفعلي — ويُجمَع التوازي الأنبوبي عادةً مع التوازي البياني، الذي تُغطَّى خسارة توسّعه المتميزة في حاسبة توسّع التوازي البياني.
الأسئلة الشائعة (FAQ)
ما هي فقاعة الأنبوب؟
في التوازي الأنبوبي يُقسَّم النموذج إلى مراحل متتالية على أجهزة مختلفة، وتتدفق الدُّفعات الصغرى عبرها كخط تجميع. وفي بداية كل دُفعة لا تملك سوى المرحلة الأولى عملًا بينما تنتظر البقية وصول البيانات، وفي النهاية تخمل المراحل المبكرة بينما تُنهي الأخيرة عملها. ذلك الوقت الخامل للملء والتفريغ هو الفقاعة.
وبالنسبة لجدول متزامن بعدد متساوٍ من المرورات الأمامية والعكسية، تكون الفقاعة خطوات الإحماء البالغة المراحل ناقص واحد موزَّعة على الجدول كله.
كيف تُقلَّص الفقاعة؟
الرافعة المباشرة هي تقسيم الدُّفعة إلى دُفعات صغرى أكثر: فكلفة الملء والتفريغ ثابتة عند المراحل ناقص واحد خطوة، فتقسيم الدُّفعة أدق يوزّعها على عمل نافع أكثر ويقلّص نسبة الفقاعة.
وتقلّصها الجداول المتداخلة وغيرها من الجداول المتقدمة أكثر بإسناد عدة مراحل غير متجاورة لكل جهاز. والمقايضة أن المزيد من الدُّفعات الصغرى يعني حجمًا أصغر لكل دُفعة صغرى، وهو ما قد يضر بكفاءة النواة، فتُقلَّص الفقاعة ولا تُلغى.
كيف تتفاعل المراحل والدُّفعات الصغرى؟
المزيد من المراحل يعمّق الأنبوب، فيرفع كلفة الملء والتفريغ ومن ثم يكبّر الفقاعة لعدد ثابت من الدُّفعات الصغرى. والمزيد من الدُّفعات الصغرى يفعل العكس، فيخفّف تلك الكلفة الثابتة. وقاعدة عامة مفيدة هي إبقاء عدد الدُّفعات الصغرى أعلى بكثير من عدد المراحل — غالبًا بمعامل أربعة أو أكثر — كي تبقى الفقاعة صغيرة.
ونسبة الفقاعة والكفاءة تجمعان دائمًا إلى واحد، فتحسين أيٍّ منهما يحسّن الأخرى.
إخلاء المسؤولية
يستخدم هذا الحساب صيغة فقاعة الأنبوب المتزامنة المعيارية، التي تفترض مراحل متساوية الكلفة وجدول ملء وتفريغ بسيطًا واتصالًا مهملًا بين المراحل. والجداول المتداخلة والمراحل غير المتساوية الكلفة تغيّر النتيجة. تُعامَل كتقدير تخطيطي لا كضمان لكفاءة مقيسة.