MineSight y la Tecnología Informática de última Generación

Transcripción

1 MineSight y la Tecnología Informática de última Generación Así como se ha modificado la tecnología en el escritorio y en las estaciones de trabajo de los últimos años, del mismo modo ha ido variando el lenguaje. Términos como computación por multiprocesador y 64 bits ahora resultan bastante comunes. Estas tecnologías ofrecen beneficios específicos pero también, a veces, exigen sacrificar algunas cosas. Comprender estas tecnologías nos ayuda a saber qué podemos esperar del software y realizar las adquisiciones de equipo que resulten adecuadas. Multi hilo La capacidad de cómputo de una computadora está dada por sus microprocesadores, también conocidos como unidades de procesamiento central o CPU (por sus siglas en inglés). Las computadoras con una sola CPU dominaron el mercado durante algún tiempo pero, en los últimos años, los equipos de escritorio con más de una CPU se han vuelto muy comunes. Las llamadas computadoras multi núcleo contienen más de una CPU incorporadas en un chip. Desde afuera parecen iguales a los chips de una sola CPU, pero los elementos físicos y los programas de esa computadora los toman como varias CPU independientes. En lo que respecta a los usuarios, múltiples CPU y multi núcleo significan lo mismo. Durante años, los fabricantes de CPU se concentraron en hacer que esa CPU fuera más rápida. Los avances tecnológicos siguieron el principio de la ley Moore, que implica que la velocidad de las CPU se duplicaría cada 18 meses. Sin embargo, esto no ha sido así en el último tiempo, dado que la tecnología ha alcanzado sus propios límites. Entonces, los fabricantes de microprocesadores corrieron su atención hacia los sistemas de múltiple CPU/multi núcleo. Se deben dar dos cosas para que un programa aproveche múltiples CPU/multi núcleos: 1. El algoritmo implementado debe tener porciones que son interdependientes y se puedan ejecutar en forma separada. 2. El software debe estar específicamente diseñado y escrito con esta pauta en mente y debe permitir que esas partes independientes se ejecuten en paralelo y estén programadas para diferentes CPU. Naturalmente, es necesario que exista la pauta número 1 para que pueda siquiera intentarse el punto número 2. Un hilo de ejecución es una secuencia continua de instrucciones de programación. Una instrucción no puede comenzar hasta tanto no haya terminado la instrucción que la antecede. Un hilo se ejecutará exclusivamente en una CPU o núcleo, independientemente de cuantos CPU o núcleos haya instalados. De ahí el término de flujo único (monohilvanado o single-threaded): el software está escrito para que exija que todas las partes se ejecuten en una secuencia única, una después de la otra. Los programas escritos para permitir que sus partes se ejecuten en forma paralela se denominan multihilo (o multithreaded), dado que puede haber más de un hilo de ejecución simultáneamente. Los términos multi hilo y en paralelo se utilizarán como sinónimos en este artículo. Diciembre

2 El sistema operativo o la computadora no pueden hacer que un programa de flujo único se convierta automáticamente en un programa multi hilo. Por lo tanto. las aplicaciones de flujo único no mejoran su rendimiento en las computadoras multi CPU/multi núcleo, porque solo pueden utilizar una única CPU al mismo tiempo. Los programas multi hilo sí mejoran en estos equipos, pero cuánto, dependerá del tipo de problema (es decir, El algoritmo tiene, al menos, partes independientes?) y de cómo fue diseñado y programado. La mayoría de las aplicaciones son multi hilo en cierto grado, pero eso no significa que se ejecutarán mucho más rápido en equipos multi núcleo. La ley de Amdahl ilustra los aspectos prácticos de aumentar el número de CPU en un sistema. Gene Amdahl es un distinguido arquitecto computacional, reconocido por sus trabajos en IBM desde Él formuló las limitaciones en el desempeño de los sistemas multi CPU. Dado que la mayoría de los algoritmos se pueden ejecutar en paralelo solo hasta cierto grado, el desempeño en general del software en paralelo no mejorará en forma lineal. Por ejemplo, un sistema de dos CPU no siempre distribuirá el tiempo de ejecución en dos partes iguales. El problema de la ejecución en paralelo es un desafío bien conocido para la ciencia computacional. Tomemos por ejemplo la aplicación para un reproductor de DVD. La mayoría de estas aplicaciones tienen dos hilos; el hilo que procesa la interfaz del usuario (botones, control de volumen, etc.) y el hilo que realiza el trabajo. Cuando se hace clic en el boton play, se envía un comando al hilo que realiza el trabajo y presenta la película. Mientras la película avanza el usuario puede operar los controles ya que esto se realiza en forma paralela a la ejecución de la película. Si la CPU es lo suficientemente rápida como para decodificar todos los cuadros del video a su debido tiempo, el usuario ve un avance sin interrupciones. Por el contrario, la película será entrecortada a medida que el reproductor pierde cuadros (digamos un Blue Ray de 1080p que la computadora no puede digerir). En este caso, pasar a un doble núcleo puede o no resultar en una mejora. Los controles del usuario virtualmente no consumen ningún tiempo de la CPU, por lo tanto si una CPU se encarga de los controles del usuario y la otra se dedica a la decodificación de video (que es el % del trabajo), no se verá ninguna mejora. Los creadores del reproductor de DVD necesitarían prever esa situación y escribir el programa del reproductor para permitir que delegue parte de la lectura y decodificación por adelantado a otras CPU. Si hubieran hecho esto, al pasarnos a un sistema multi núcleo, ciertamente obtendríamos un desempeño mejorado. Pero, en algunos casos, la ejecución en paralelo del algoritmo no es posible: por ejemplo, la solución a un conjunto muy complejo de ecuaciones diferenciales no lineales. Si se hace un seguimiento de la solución desde la condición inicial, se ve que no hay un modo directo de computar una porción en forma adelantada mediante el empleo de otra CPU. En realidad, las ventajas que ofrecen los programas multi hilo tienen su costo. En la práctica, los hilos en paralelo deben estar sincronizados dado que muchas veces operan sobre los mismos datos. Del mismo modo que cuando dos personas tratan de leer el mismo libro en forma simultánea tienen que organizarse respecto del recurso limitado (es decir un único libro), los múltiples hilos informáticos deben dedicar ciertos ciclos de la CPU a cuestiones de sincronización. Las aplicaciones multi hilo son más complejas y por ende es más costoso su desarrollo y su mantenimiento. El conjunto de programas MineSight, en su mayor parte es de flujo único, pero tiene algunos componentes multi hilo. MSDART es multi hilo pero debido a las limitaciones algorítmicas ofrece, aproximadamente, un 30% de mejora en el desempeño al pasar de un equipo con CPU única a uno de doble núcleo. Duplicar la capacidad y pasar a cuádruple núcleo mejora el rendimiento apenas en un pequeño porcentaje adicional. MS3D es de flujo único, excepto para las tareas de codificación del modelo y de sondajes. Para la codificación de la vista de un modelo con muchas subceldas o para la codificación de sondajes a partir de polígonos, veríamos una mejora en el rendimiento con los sistemas de multi núcleo, en comparación con los de un solo núcleo. La verificación de la licencia también se realiza a través de un hilo independiente, pero la carga de trabajos es despreciable. MSEP es de flujo único. Kriging es de flujo único. Diciembre

3 Los procesadores de geometrías son de flujo único. MSDA es de flujo único. MSTorque es de flujo único, pero dado que depende del funcionamiento de un servidor SQL Server, se vería beneficiado en un sistema de múltiples núcleos. MSIP es de flujo único, pero se beneficiaría si MS3D fuera multi hilo, porque se apoya en funciones de MS3D. Haulage es de flujo único. MSSO es multi hilo. MSEP y MS3D se beneficiarían si pudieran trabajar en multi hilo al igual que MSHaulage. Esta capacidad multi hilo está siendo incorporada en MSEP, mientras que Haulage está esperando su turno. La importación de LGO ASCII en MS3D es multi hilo en MineSight 6.0. Esto debería mejorar el trabajo con los grandes conjuntos de datos. Kriging se encuentra en las etapas finales de su reelaboración para soportar la ejecución en multi hilo. Su lanzamiento será en Y su funcionamiento ha mejorado en forma casi lineal, lo cual es excelente, (es decir, con doble núcleo es casi dos veces más rápido, con cuatro núcleos es casi cuatro veces más rápido). MSEP (MSOPIT) está en etapa avanzada de reformulación para admitir la ejecución en paralelo. Mejorará su desempeño en aproximadamente un 30% cuando opere en doble núcleo, y del 40 al 45% con cuádruple núcleo. Procesamiento de 64-bits El mundo de las estaciones de trabajo personales y el mundo de los servidores esta migrando de la llamada computación de 32-bits a la de 64-bits. Durante las dos últimas décadas, los procesadores de 32 bits dominaron la informática personal y de servidores. Hasta no hace mucho, rara vez surgía la pregunta mi computadora es de xxx-bits o de yyybits? ; todas eran de 32 bits. Qué es lo que significa la denominación xxx-bits? La capacidad de una computadora está dada por sus microprocesadores. La arquitectura de la CPU se crea considerando la porción más grande de datos que puede procesar al mismo tiempo. En las arquitecturas de 32 bits, esto significa 32 bits (o 32 elementos de ceros y unos). Este conjunto de datos muchas veces se denomina palabra de la CPU. Por sí solo, el procesamiento de datos en conjuntos de 32 bits para nosotros ha funcionado bastante bien. Las limitaciones llegaron de otro lado. La RAM (o memoria de acceso aleatorio) es otro elemento crítico de una computadora. Normalmente se la conoce como memoria. Tanto el programa de la computadora como los datos deben estar en la RAM para que la CPU realice su trabajo. En 32 bits se pueden almacenar hasta 4GB de valores. Una CPU normal de 32 bits físicamente no puede operar con más memoria que 4GB. Durante mucho tiempo, esto no significó ningún problema. 256MB era un montón de memoria hace una década; 1GB hasta hace unos años, todavía se consideraba como bastante memoria. Pero, a medida que aumentaba la cantidad de datos que queríamos procesar, las memorias se abarataron cada vez más. Y el límite de 4GB poco a poco fue convirtiéndose en un obstáculo. Se hizo necesario contar con CPU capaces de operar con más memoria. Esto significó aumentar el tamaño de la palabra, y entonces 64 bits fue instaurada como la norma de facto. Diciembre

4 Un Sistema de 64 bits Correrá los Programas Más Rápidamente? A veces. Pero podemos realizar una analogía con un camión más grande que puede mover una cantidad de material más rápidamente, porque su capacidad de carga es mayor y necesita menos viajes, pero no porque avance más rápidamente. Del mismo modo, los problemas que exigen tratar con datos demasiado grandes para un procesador de 32 bits pueden resolverse más rápidamente en un sistema de 64 bits. No obstante, un programa que funciona bien en un sistema de 32 bits rara vez obtendrá algún beneficio de las arquitecturas de 64 bits. El punto de alerta aquí es: el software debe estar creado especialmente para las arquitecturas de 64 bits. Hacer que un programa sea apto para 64 bits puede exigir cierta reelaboración. Algunas expresiones de programación cambian en un entorno de 64 bits. Un programa de 64 bits no correrá en una computadora de 32 bits. Un programa de 32 bits puede ejecutarse en un sistema de 64 bits, pero no tendrá acceso automáticamente a más memoria. Al ejecutar esa aplicación, la CPU de 64 bits se pondrá en el modo de 32 bits, con todas las limitaciones de esta arquitectura. El resultado final es que las ventajas de un sistema de 64 bits aparecen mayormente cuando se necesita procesar conjuntos de datos muy grandes y cuando tenemos más de 4GB de RAM en el sistema. Actualmente, el conjunto de programas MineSight no soporta la informática de 64 bits. Estamos trabajando para incorporar la capacidad de 64 bits a nuestros productos. Algunos componentes del conjunto MineSight estarán disponibles con soporte para 64 bits durante la segunda mitad de Estamos incorporando soporte de 64 bits en MSDART, MSEP, MSTorque y MS3D Procesador GPU Contexto tecnológico GPU significa unidad de procesamiento gráfico, o en lenguaje común, una tarjeta para gráficos. Impulsados por las demandas de aplicaciones CAD y para juegos, pero también por el nuevo aspecto que presentan los sistemas operativos tales como Microsoft Vista y MacOS X, las tarjetas gráficas se han convertido en poderosos procesadores de computación. Estos procesadores tienen una arquitectura paralela que permite que se realicen en forma simultánea más de 100 tareas especializadas. La gente pronto se dio cuenta que esta poderosa capacidad rara vez se utiliza y que sería bueno sacarle provecho. Una GPU puede procesar 10 a 20 veces más rápido aquellos problemas que se pueden dividir en varias tareas simples e independientes. El empleo de una GPU es conceptualmente similar al de un software multi hilo, pero con mayores limitaciones. Una GPU puede ejecutar solamente tareas simples, por lo tanto el software debe adaptarse específicamente para este fin. La planificación de tareas para una GPU no está estandarizada, exige una programación adicional y aumenta los gastos generales. No obstante, las ventajas del procesamiento por GPU son tan grandiosas que lentamente se convertirán en el formato dominante. Ninguna de las aplicaciones MineSight utiliza procesadores GPU. No está previsto el lanzamiento de ninguna aplicación MineSight con procesamiento GPU, pero se está evaluando esta tecnología para su aplicación en nuestros productos. Diciembre

5 Unidades de estado sólido Una unidad de estado sólido (SSD por sus siglas en inglés) es un nuevo tipo de disco duro. Los discos duros tradicionales utilizan discos magnéticos giratorios para almacenar los datos y cabezales móviles para recuperarlos. Los SSD utilizan memorias flash para el almacenamiento de los datos y no tienen partes móviles. Los SSD mejorarán el funcionamiento de las aplicaciones que procesen grandes cantidades de datos. Un disco duro tradicional necesita mover el cabezal lector sobre la superficie del disco para leer o escribir los datos. Un conjunto grande de datos se distribuirá a lo largo de toda su superficie, obligando al dispositivo lector a desplazarse mucho. El desempeño entonces variará de acuerdo con la distribución de los datos en el disco (que en efecto es aleatoria). Esto fue, y sigue siendo, un mal necesario. Los procedimientos tales como la defragmentación, no ayudan demasiado para grandes datos. El disco duro buscará en toda la superficie del disco, independientemente de cómo estén organizados los datos. Dado que los SSD son totalmente electrónicos, y que no tienen ninguna parte en movimiento, ofrecen tiempos de acceso más rápidos y más previsibles. Pero los SSD son más costosos y su capacidad todavía no es compatible con las unidades tradicionales. No obstante, se convertirán en una solución viable. Empleo de SSD con MineSight Todos los proyectos que trabajen con grandes conjuntos de datos se beneficiarán si utilizan SSD. Las operaciones de importación/guardado de datos pueden ser dos veces más rápidas en un SSD. Conclusiones Actualmente, MineSight es esencialmente de flujo único y, por el momento, no soporta la informática de 64 bits. Por lo tanto, actualizar su equipo para que tenga múltiples núcleos o 64 bits no tendrá mayor efecto. No obstante, el empleo de SSD contribuirá en aquellas aplicaciones que realizan grandes cantidades de entradas/salidas en el disco (MSTorque, MSDART). Puede contar con que habrá más capacidad multi hilo y soporte para 64 bits en breve. Con más componentes con diseño multi hilo, podrá ver las mejoras al pasar a los equipos con múltiples núcleos. Quienes trabajen con grandes conjuntos de datos verán aún más beneficios cuando utilicen MineSight con soporte 64 bits. Diciembre