Pipelineverarbeitung in systolischen und zellularen Automaten

Überblick

Die tayloristische Betrachtung von Arbeitsvorgängen führte dazu, in Fabriken zur Fließbandproduktion überzugehen. Im Zusammenhang mit der Diskussion über die Humanisierung der Arbeitswelt wird dieser Ansatz inzwischen in Frage gestellt: Die zu weit gehende Spezialisierung der Menschen und die Erfordernisse einer gleichbleibenden Aufmerksamkeit und Geschwindigkeit beim Ausführen der speziellen Tätigkeiten sind psychologisch schwer zu verkraften.

Diese Aspekte können sich aber vorteilhaft auswirken, wenn eine Verarbeitung durch Automaten erfolgen soll: Eine Ermüdung tritt nicht ein, und spezialisierte Automaten sind oft einfacher zu entwerfen und billiger zu fertigen. Dies war ein Grund, mit dem Aufkommen der VLSI-Technologie Schaltungen zu schaffen, die nach dem Prinzip des Fließbandes arbeiten. Ein weiterer — und zwar der entscheidende — Vorteil ist der der Durchsatzerhöhung, vorausgesetzt die auszuführenden Operationen lassen sich geschickt zerlegen. Betrachten wir als Beispiel die Multiplikation von Paaren von Gleitkommazahlen:

Unter der Annahme, daß jede Teiloperation eine Zeiteinheit benötigt und daß in jeder Zeiteinheit ein Paar von Zahlen in die Kette der Verarbeitungseinheiten einläuft, liegt das i-te Resultat (i > 1) eine Zeiteinheit nach dem (i — l)-ten vor, und zudem sind „im eingeschwungenen Zustand“ alle Verarbeitungseinheiten ununterbrochen tätig.

Das Übertragen einer solchen Vorgehensweise auf eindimensionale Zellularräume scheint vom Bild her sehr einfach zu sein. Bei genauerer Betrachtung zeigt sich aber ein Problem: Ein fester endlicher Ausschnitt eines Zellularraumes besitzt nur sehr beschränkte Fähigkeiten. So liegt es nahe, auf andere Arten der Eingabe und auf andere Strukturen überzugehen.

Bevor Zellularautomaten auf ihre Eignung für eine Pipelineverarbeitung untersucht werden, werden spezialisierte Systeme betrachtet, sogenannte systolische Systeme, die gerade unter dem Gesichtspunkt der Modellierung einer derartigen Verarbeitung definiert wurden.