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Les machines parallèles et les machines massivement parallèles

Pour améliorer les performances des ordinateurs, les machines parallèles ont, dès le début de l'informatique, été conçues essentiellement pour les applications scientifiques. On appelle machines massivement parallèles les machines qui possèdent un très grand nombre de processeurs, ce nombre allant d'au moins cent processeurs à quelques dizaines de milliers. Les architectures parallèles utilisent intensément les techniques d'optimisation décrites plus haut (cf. supra, Les améliorations de l'architecture de von Neumann).

Le fonctionnement de ces machines repose sur le principe que l'on peut décomposer un programme en un ensemble de tâches indépendantes et communiquant entre elles, qui sont exécutées simultanément sur des processeurs différents. Selon la manière dont les processeurs coopèrent au cours du traitement, on distingue les systèmes fortement couplés des systèmes faiblement couplés. Par ailleurs, deux types d'architectures parallèles existent concurremment : les multiprocesseurs et les multiordinateurs, mais, actuellement, les différences entre les deux types de systèmes tendent à s'estomper. Les multiprocesseurs se partagent une mémoire commune (la mémoire partagée), alors que les multiordinateurs sont constitués par l'interconnexion de multiples ordinateurs (souvent appelés nœuds), qui possèdent leur propre espace mémoire, leurs propres mémoires et, éventuellement, leurs propres unités d'entrées-sorties.

Remarquons que, quel que soit le type de machines parallèles employé, les performances dépendent fortement du type d'applications à traiter. En particulier, elles exigent de leurs utilisateurs une très bonne connaissance de l'architecture de la machine pour l'écriture de programmes efficaces. De plus, les problèmes à traiter doivent pouvoir être programmés selon des méthodes particulières, variables d'un système à l'autre, faute de quoi les performances de ces architectures seront tellement dégradées que l'usage des machines parallèles ne se justifie plus.

Les systèmes fortement couplés

Ces systèmes sont caractérisés par une communication interprocesseurs s'effectuant à travers la mémoire commune, partagée entre tous les processeurs. Le débit de la mémoire commune détermine donc les performances du système. De plus, il limite le nombre de processeurs possibles : plus le nombre de processeurs croît, et plus la probabilité de conflits d'accès mémoire (par exemple, la demande simultanée d'une opération mémoire sur le même mot mémoire) augmente également. La simultanéité d'exécution dans le système décroît alors très vite, entraînant des baisses de performances très sensibles. La figure 6 donne le schéma de principe d'un système fortement couplé.

Système fortement couplé

Dessin : Système fortement couplé

Système fortement couplé. 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Les systèmes faiblement couplés

Les systèmes faiblement couplés, eux, ne connaissent pas au même degré les problèmes de conflits d'accès mémoire car, dans de tels systèmes, chaque processeur dispose de périphériques propres et d'une grande mémoire locale, dans laquelle il va chercher instructions et données. Les processeurs communiquent donc plus rarement entre eux, grâce à des messages échangés au moyen d'un dispositif de transfert de messages, spécifique d'un système donné.

Les systèmes faiblement couplés peuvent donc être utilisés efficacement chaque fois que les interactions entre tâches sont très faibles. Si les interactions entre tâches nécessitent de nombreux transferts de messages entre processeurs, les performances sont fortement dégradées. La figure 7 représente un système faiblement couplé.

Système faiblement couplé

Dessin : Système faiblement couplé

Système faiblement couplé. 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Les multiprocesseurs

Les architectures multiprocesseurs contiennent par définition plusieurs processeurs. Ceux-ci peuvent communiquer et coopérer à différents niveaux pour exécuter une ou plusieurs applications parallèles. Les différents processeurs sont dotés de capacités de traitement comparables et se partagent l'accès à un espace d'adressage commun, à des mémoires communes, à des canaux d'entrées-sorties et à des périphériques communs. Un espace d'adressage commun fait que tout processeur de l'architecture peut accéder librement à toutes les ressources, de manière uniforme. Cette uniformité dans l'accès aux ressources simplifie la programmation des applications, mais elle pose des problèmes complexes de cohérence mémoire (tous les processeurs qui accèdent à une case mémoire partagée doivent voir la même valeur au même instant).

Les architectures multiprocesseurs peuvent être cont [...]

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  • : maître de conférences à l'université de Paris-VI-Pierre-et-Marie-Curie, ingénieur de l'École polytechnique féminine, docteur-ingénieur
  • : professeur, Sorbonne université

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Pour citer l’article

Danièle DROMARD, François PÊCHEUX, « ORDINATEURS », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 20 juin 2022. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/ordinateurs/