Cómputo paralelo de bajo costo

Cómputo paralelo de bajo costo

Analía Verónica López

Facultad de Tecnología Informática, Universidad Abierta Interamericana, analiaveronica.lopez@alumnos.uai.edu.ar

Resumen: Este trabajo de investigación se realizó en el marco de la asignatura "Sistemas de Hardware para la Administración" correspondiente a la carrera de Ingeniería en Sistemas Informáticos y relata la experiencia del proceso de evaluación de rendimiento de conversiones de formatos de video digitalizados en plataformas de hardware de bajo costo. Para ello utilizaremos computadoras tipo PC de última generación equipadas con GPU aptas para realizar computación paralela de bajo costo.

Keywords: CUDA, NVIDIA, computación paralela, clusters, supercomputadoras, conversión de video, HPC, multiprocesamiento, procesamiento paralelo

1 Introducción

Sistemas de Hardware para la Administración es una asignatura del primer cuatrimestre de quinto año de Ingeniería en Sistemas Informáticos de la Universidad Abierta Interamericana que comprende el estudio analítico, la observación sistemática y la evaluación crítica basada en la lectura conceptual de la realidad tecnológica, la investigación y la innovación. Sus contenidos, al involucrar múltiples aspectos del área y dar la base estructural para una correcta aptitud y visión profesional analítica, brindan al futuro egresado de nuestra universidad la adecuada capacidad de elección de los métodos de trabajo acordes con la tecnología, independientemente de su evolución en el tiempo. Es así que la temática tratada resulta de vital importancia a través de la articulación transversal y horizontal que se realiza a partir de los temas que se encuentran involucrados en las otras asignaturas de los ejes epistémicos de "Hardware y Telecomunicaciones en la Construcción de la Estructura Tecnológica Subyacente" y de las "Ciencias Básicas como Fundamento Teórico-Práctico", brindando de esta forma una mayor y mas amplia comprensión de la realidad tecnológica involucrada en el ámbito ingenieril en que se ha de desenvolver el futuro profesional.

1.1 Computación secuencial y paralela

Computación Secuencial es la empleada en las computadoras basadas en CPU con un único núcleo de procesamiento. En este modo, se realiza una instrucción detrás de la otra hasta terminar la ejecución de un programa. Se emplea en sistemas informáticos desde los inicios de la computación. Posteriormente, por medio de la introducción de sistemas de interrupciones en los microprocesadores se pudo realizar procesamiento en multitarea, en la cual, el sistema operativo administra una mezcla de programas brindando la sensación al usuario de todos estos programas se ejecutan en forma simultánea, cuando en realidad, sólo uno de ellos se ejecuta en cada instante de tiempo.

Computación Paralela: es una forma de cómputo en la que muchas instrucciones se ejecutan simultáneamente, operando sobre el principio de que problemas grandes, a menudo se pueden dividir en unos más pequeños, que luego son resueltos simultáneamente (en paralelo). Hay varias formas diferentes de computación paralela: paralelismo a nivel de bit, paralelismo a nivel de instrucción, paralelismo de datos y paralelismo de tareas. El paralelismo se ha empleado durante muchos años, sobre todo en la computación de altas prestaciones, pero el interés en ella ha crecido últimamente debido a las limitaciones físicas que impiden el aumento de la frecuencia. Como el consumo de energía -y por consiguiente la generación de calor- de las computadoras constituye una preocupación en los últimos años, la computación en paralelo se ha convertido en el paradigma dominante en la arquitectura de computadores, principalmente en forma de procesadores multinúcleo.

Las computadoras paralelas pueden clasificarse según el nivel de paralelismo que admite su hardware: equipos con procesadores multinúcleo y multi-procesador que tienen múltiples elementos de procesamiento dentro de una sola máquina y los clústeres, MPPS y grids que utilizan varios equipos para trabajar en la misma tarea. Muchas veces, para acelerar la tareas específicas, se utilizan arquitecturas especializadas de computación en paralelo junto a procesadores tradicionales.

Los programas informáticos paralelos son más difíciles de escribir que los secuenciales, porque la concurrencia introduce nuevos tipos de errores de software, siendo las condiciones de carrera los más comunes. La comunicación y sincronización entre diferentes subtareas son algunos de los mayores obstáculos para obtener un buen rendimiento del programa paralelo.

1.2 Multiprocesamiento

Multiprocesamiento o multiproceso es tradicionalmente conocido como el uso de múltiples procesos concurrentes en un sistema en lugar de un único proceso en un instante determinado. Como la multitarea que permite a múltiples procesos compartir una única CPU, múltiples CPUs pueden ser utilizados para ejecutar múltiples hilos dentro de un único proceso.

El multiproceso para tareas generales es bastante difícil de conseguir debido a que puede haber varios programas manejando datos internos (conocido como estado o contexto) a la vez. Los programas típicamente se escriben asumiendo que sus datos

son incorruptibles. Sin embargo, si otra copia del programa se ejecuta en otro procesador, las dos copias pueden interferir entre sí intentando ambas leer o escribir su estado al mismo tiempo. Para evitar este problema se usa una variedad de técnicas de programación incluyendo semáforos y otras comprobaciones y bloqueos que permiten a una sola copia del programa cambiar de forma exclusiva ciertos valores.

1.3 HPC y Supercomputadoras

HPC es el acrónimo de High Performance Computing o Computación de Alto Rendimiento. Se apoya en tecnologías computacionales como Clusters, Supercomputadoras y Computación Paralela. La mayoría de las ideas actuales de computación distribuida se basan en la computación de alto rendimiento.

Supercomputadora es aquella con capacidades de cálculo muy superiores a las computadoras corrientes y de escritorio y que son usadas con fines específicos. Hoy en día los términos de supercomputadora y superordenador están siendo reemplazados por computadora de alto desempeño y ambiente de cómputo de alto desempeño, ya que las supercomputadoras son un conjunto de poderosos ordenadores unidos entre sí para aumentar su potencia de trabajo y desempeño. Al año 2011, los superordenadores más rápidos funcionaban en aproximadamente más de 200 teraflops (que en la jerga de la computación significa que realizan más de 200 billones de operaciones por segundo). La lista de supercomputadoras

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