CALM/arwiki huggingface dataset:
يُعتبر المرض المسبب الأول للوفيات في الولايات المتحدة الأمريكية. يتم التنبه لأعراض وعلامات المرض في المراحل المتأخرة منه ومعظم الأفراد المصابين بمرض القلب التاجي لا تظهر لديهم أي أعراض لعقود بينما يستمر المرض في التطور خلال هذه المدة قبل ظهور أولى علاماته، غالبا في صورة ذبحة صدرية مفاجِئة.
بعد مضي عقود والمرض في تطور مستمر، قد تتمزق إحدى الصفائح الدهنية (بالإضافة إلى تنَشّط عناصر تخثر الدم) معيقة بذلك مرور الدم خلال الشريان التاجي وبالتالي إلى عضلة القلب. يعتبر المرض أكثر الأسباب شيوعا للموت المفاجئ.، بالإضافة إلى وفاة الأفراد من الجنسين فوق سن العشرين. تبعاً للاعتقاد السائد حالياً في الولايات المتحدة الأمريكية، فإن نصف الذكور الأصحاء فوق سن الأربعين سيصابون بمرض القلب التاجي، وواحدة من ثلاثة نساء فوق سن الأربعين ستصاب به مستقبلا. طبقاً لما ورد في موسوعة غينيس للأرقام القياسية، فإن شمال أيرلندا لديه أعلى معدل بالإصابة بمرض تصلب الشرايين التاجية، ومدينة مساري بأفريقيا لديها اقل معدل على مستوى العالم.
يمكن اعتبار مرض تصلب شرايين القلب مجموعة من الأمراض التي تصيب القلب. واحدة من هذه صور هذا المرض هو شخص بلا أعراض وجدران شرايين قلبه التاجية مبطنة من الداخل بخطوط من الدهون atheromatous streaks. يمثل ظهور هذه الخطوط المرحلة الأولى من مرض القلب التاجي ولكنها لا تعيق تدفق الدم خلال الشريان. إذا تم عمل تصوير الشرايين التاجية Coronary Angiogram خلال هذه المرحلة من المرض فانه من المحتمل ألا يظهر أي دليل على وجود مرض تصلب الشرايين القلبية وذلك لان قطر تجويف الشريان لم يقل.
خلال عدة سنوات، تزداد هذه الخطوط الدهنية سماكة، وازدياد سماكتها مبطِنة جدار الشريان يؤدي في النهاية إلى صغر تجويفه وبالتالي يعوق مسار الدم خلاله. اُعتقد في السابق أن عملية تكوّن الصفائح الدهنية عملية بطيئة وتدريجية، لكن ظهرت دلائل حديثة على أن التكوّن التدريجي لهذه الصفائح يُسرّعُه تمزقات صغيرة تحدث فيها مما يؤدي إلى ازدياد حجم الصفيحة الدهنية نتيجة تراكم المواد المتخثرة عليها.
من النادر أن تسبب الصفائح الدهنية التي تسد أقل من 70% من تجويف الشريان أعراض مرض انسداد الشرايين التاجية. في حال ازدياد حجم الصفيحة مسببة انسداد الشريان بنسبة تزيد عن 70% ، تظهر في الشخص في هذه المرحلة أعراض انسداد الشرايين التاجية. يمكن القول في هذه المرحلة من المرض أن الشخص لديه مرض نقص التروية القلبية ischemic heart disease. تُلاحظ أولى أعراض مرض نقص التروية القلبية خلال الأوقات التي يزيد فيها الضغط على عمل القلب. كمثال على ذلك، الم الذبحة الصدرية الجُهدية exertional angina أو تراجع قدرته على تحمل التمارين البدنية.
قد يتطور المرض فيما بعد ليصل إلى الحد الذي يُسد فيه تجويف الوعاء الدموي بشكل شبه كامل، معيقاً وصول الدم حامل الأكسجين إلى عضلة القلب. المصابون بهذه الدرجة من مرض الشريان التاجي يكونون قد عانوا من جلطة قلبية (ذبحة صدرية) مرة أو اثنتان، وقد يكون لديهم أعراض أو علامات مرض الشريان التاجي المزمن، متضمنا الم الذبحة الصدرية بدون أي مجهود بدني angina at rest أو الاستسقاء الرئويflash pulmonary edema.
يجب أن يتم التمييز بين كلٍ من مرض نقص التروية القلبية myocardial ischemia والجلطة القلبية (احتشاء عضلة القلب) myocardial infarction. نقص التروية معناه أن كمية الأكسجين التي تصل إلى عضلة القلب غير كافية لتلبية احتياجه. عندما تنقص تروية عضلة القلب فإنها لا تعمل بالشكل الأمثل، وإذا نقصت التروية لمساحة كبيرة من عضلة القلب فان ذلك قد يؤدي إلى عدم قدرة العضلة على الانقباض والانبساط. إذا تحسن تدفق الدم إلى العضلة فان نقص التروية يمكن عكسه. بينما الجلطة القلبية معناها أن نسيج العضلة قد مات ولا يمكن عكس ذلك لقلة تدفق الدم المشبع بالأكسجين إليها.
قد يحدث للشخص تمزق للصفيحة الدهنية في أي مرحلة من مراحل المرض. التمزق المفاجئ للصفيحة قد يؤدي إلى جلطة قلبية مفاجِئة (ذبحة صدرية).
مرض الشريان التاجي يشير إلى فشل الدورة الدموية التاجية لتوريد تداول كاف لعضلة القلب والأنسجة المحيطة بها وهو من أكثر الأمراض القلب شيوعاً في القارتين الأمريكية وأوروبا. أحد مسبباته المعروفة التشنج الشرياني تستطيع علاج المرض قبلها بالوقاية بحماية نفسك من التخمة ونقصان الوزن الشديد والإقلاع عن التدخين وبعض الأدوية مثل ستاتن والأسبرين وهناك طرق من العمليات الجراحية لعلاج المرض.
إعاقة وصول الدم إلى القلب يسبب نقصا في تروية (موت الخلايا نتيجة نقص الأكسجين) الخلايا القلبية. عندما تموت الخلايا القلبية من نقص الأكسجين، تسمى هذه الحالة بالجلطة القلبية (تُعرف بالذبحة الصدرية). تؤدي الجلطة القلبية إلى تضرر عضلة القلب، موتها ولاحقا تكون ندبة في مكان الجلطة لا تستطيع الخلايا النمو فيها مجدداً.
تحدث الجلطة القلبية غالباً نتيجة انسداد مفاجئ لشريان تاجي عند تمزق صفيحة عصيدية، والتي تسبب تنشيط جهاز التجلط الدموي، فينسد تجويف الشريان بالصفيحة الدهنية التي تفاعلت مع عناصر التجلط النشطة ليصل إلى مرحلة الانسداد الكامل المفاجئ. تمثل نسبة تضيق تجويف شريان القلب قبل الانسداد المفاجئ حوالي 20% من قطر التجويف، وذلك طبقا لدراسة إكلينيكية انتهت في أواخر التسعينات من القرن الماضي باستخدام جهاز الموجات فوق الصوتية لأوعية الدم Intravascular ultrasound خلال 6 أشهر قبل حدوث النوبة القلبية. وُجد أن انسداد تجويف الشريان بنسبة تزيد عن 75%، والتي تم رصدها باستخدام جهاز فحص الجهد القلبي Cardiac stress test، مسئول عن حالات النوبات القلبية بنسبة 14% فقط، بقية النسبة نتيجة تمزق الصفيحة الدهنية أو حدوث تقلص في الشريان في منطقة التصاق الصفيحة. الأسباب التي تؤدي إلى تمزق الصفيحة الدهنية تبقى غير مفهومة تماماً. أيضا يتسبب في حدوث الجلطة القلبية، ولكن بنسبة اقل، تقلص جدار الشريان، وهي حالة تصاحب الصفيحات الدهنية وأمراض الشرايين التاجية.
يرتبط حدوث أمراض الشرايين التاجية مع التدخين، السمنة، ارتفاع ضغط الدم، والنقص المزمن في فيتامين سي. يعتبر وجود تاريخ عائلي بالإصابة بأمراض الشرايين التاجية مؤشر قوي لاحتمال الإصابة بالمرض. يتضمن المسح عن أمراض الشرايين التاجية معرفة مستوى الهيموسستين homocysteine، مستوى البروتينات الدهنية عالية الكثافة HDL، مستوى البروتينات الدهنية منخفضة الكثافة LDL ومستوى الدهون الثلاثية Triglyceride.
الخناق.
يسمى الخناق (وهو الألم الذي يشعر به المريض عندما يقل وصول الأكسجين إلى القلب، ألم ضاغط أو حاد يشعر به في منطقة الصدر وقد يمتد ليصل إلى الذراع الأيسر والفك) بخناق الصدر المستقر إذا حدث أثناء مزاولة النشاطات اليومية، أو عند الاستيقاظ أو عند أي وقت آخر يستطيع المريض التنبؤ به والذي يحدث مع حالات ضيق الشريان التاجي المتقدمة. يتم معالجة أعراض الخنّاق عن طريق إعطاء مستحضرات النترات مثل النتروجليسرين nitroglycerin والذي يوجد في صورتين قصير المفعول short-acting وطويل المفعول long-acting، ويمكن إعطاؤه تحت الجلد، تحت اللسان أو عن طريق الفم. تم تطوير العديد من العلاجات أكثر فعالية خصوصا لعلاج الصفيحات الدهنية التي تصاحب الألم.
يسمى الخنّاق إذا تغيرت شدته، صفته أو عدد مرّات حدوثه بخناق الصدر غير المستقر. قد يسبق خناق الصدر غير المستقر حدوث الذبحة الصدرية ويحتاج عندها عناية طبية عاجلة. يتم علاجه في العادة بالمورفين morphine، الأكسجين، النتروجليسرين عن طريق الوريد والأسبرين aspirin. قد يتم اللجؤ إلى عملية توسيع الشريان التاجي أو قسطرة القلب Angioplasty في بعض الأحيان.
أمراض القلب التاجية عند النساء.
خلال السنتين الماضية أصبح المجتمع أكثر انتباهاً لكون أمراض القلب مشكلة كبيرة عند النساء كما هي عند الرجال. أدرك العديد من الناس الآن أن بعض أمراض القلب وخاصة أمراض القلب التاجية عند النساء لا تظهر بذات الأعراض التي تظهر على الرجال؛ ولهذا فإن تشخيص هذه الأمراض عند النساء غالبا ما يفقد أو يتأخر. هذه بعض الحقائق:
إذا أخذنا بالاعتبار جميع الوفيات الناتجة عن أي من أمراض القلب الوعائية سنرى أن 461,000 امرأة تموت كل سنة في الولايات المتحدة مقابل 410,000 رجل. كما أن انتشار جميع أمراض القلب الوعائية في الولايات المتحدة أعلى بين النساء منه بين الرجال، ويزيد هذا الانتشار مع زيادة العمر.
فيسيولوجية مرضية خاصة.
تحدث أمراض القلب التاجية عندما تصاب الطبقة العضلية المرنة في الشرايين التاجية _ الشرايين التي تغذي القلب _ بتصلب الشرايين. مع تصلب الشرايين تقسو بطانة الشرايين وتتيبس وتنتفخ بكل أنواع "الـترسبات"، شاملة ترسبات الكالسيوم، وتراكمات الدهون وخلايا التهابية غير سوية ليكونوا معًا صفيحة. هذه الصفائح تشبه بثرة كبيرة تبرز إلى قناة الشريان مسببة انسداد جزئي يعيق تدفق الدم. يختلف عدد هذه الصفائح عند المصابين بأمراض القلب التاجية فبعضهم يملك فقط صفيحة واحدة أو اثنتين والبعض الآخر قد يعاني من دزينة من الصفائح موزعة في الشرايين التاجية.
متلازمة X القلبية مصطلح طبي يصف الانزعاج والخناق والألم الصدري لدى بعض الأشخاص بالرغم من أن رسم الأوعية التاجية لهم لا يظهر أي علامات لوجود أي انسداد في الشرايين التاجية الكبيرة.
ما يزال مسبب متلازمة X القلبية الدقيق مجهولا لكن من المستبعد أن يكون وراءها سبب واحد فقط. اليوم، أصبحنا نعرف أن العامل الرئيسي المسبب للمتلازمة هو الاختلال الوظيفي في الأوعية الدموية بالغة الصغر والتي تعني هنا الشريينات والشعيرات الدموية المغذية للقلب.أظهرت الدراسات أيضا أن الإدراك الحسي للألم لدى المصابين بمتزامنة X القلبية _ وغالبا من النساء _ معزز، مما يعني أنهم يشعرون بآلام الصدر بشكل أكثر شدة وكثافة مما يشعر به غيرهم.
الأسبرين(Aspirin).
يمكن للأسبرين بجرعات أقل من 75–81 mg/d أن يقلل من حدوث الأمراض القلبية وأمراض الأوعية الدموية.
حيث تُوصي اللجنة الأمريكية للخدمات الوقائية (U.S. Preventive Services Task Force) الأطباء بضرورة مناقشة استخدام الأسبرين كعلاج كيميائي وقائي للأشخاص البالغين الذي لديهم خطر الإصابة بمرض أوعية القلب التاجية (coronary heart disease).
حيث حددت اللجنة الأفراد الذين لديهم ازدياد خطر الإصابة لأمراض القلب مع اعتبار الأسبرين كعلاج لهم كالتالي: الرجال فوق سن الأربعين-النساء في سن اليأس أو بعد انقطاع الدورة الشهرية (postmenopausal)-والأشخاص الأصغر سنا الذين يمتلكون عوامل خطر أخرى لمرض أوعية القلب التاجية مثل(ارتفاع ضغط الدم (hypertension)-مرض السكري(diabetes)-التدخين).
وفي ما يتعلق بالنساء الذين يتمتعون بصحة جيدة، فإن أحدث دراسة لصحة المرأة وجدت أنه لاتوجد فائدة مهمّة ولها قيمة في استخدام الأسبرين لتخفيض الإصابة بحوادث القلب، ومع ذلك فإن للأسبرين فائدة مهمّة في تخفيض الإصابة بالسكتة (stroke).كما أظهرت دراسة تحليلية أخرى أن جميع الفوائد للأسبرين تُعزى للنساء فوق الخمسة والستين سنة. وبالرغم من عدم وجود فائدة قيّمة للأسبرين للنساء الأقل من 65 سنة ،فإن الجمعية الأمريكية للقلب (American Heart Association) تطالب الأخذ بعين الاعتبار الأسبرين للنساء ذو الصحة الجيدة اللاتي لم يتجاوز عمرهن الخمسة والستين سنة.وذلك بسبب الفائدة في استخدام الأسبرين في الوقاية من السكتة نتيجة فقر الدم الموضعي (ischemic stroke) ترجح على النتائج الضارة من استخدامه كعلاج.
الأحماض الدهنية-أوميجا3 (Omega-3 fatty acids).
الاستفادة من زيت السمك على محل الخلاف بسبب نتائج كلا من الدراستين المتعارضين وهما: النتيجة السلبية في عدم الفائدة من زيت السمك والتي أجريت من قِبل تعاون كوكران العالمي (international Cochrane Collaboration). والنتيجة الأخرى الإيجابية لفائدة زيت السمك جزئيا والتي أُجريت من قِبل الوكالة لجودة وأبحاث العناية الصحيّة (Agency for Healthcare Research and Quality).
توجد الأحماض الدهنية-أوميجا3 في بعض مصادر النباتات الذي تشمل زيت بذرة الكتان (flax seed oil) زيت بذرة القنب (hemp seed oil) والجوز (walnuts).
وقد تكون مصادر النباتية أكثر أمانا؛ حيث أن منتجات السمك أظهرت احتوائها على المعادن الثقيلة وبعض الملوثات المذّوّبة بالدهن (fat soluble pollutants).
هي الوقاية من مضاعفات أخرى لمرض موجود أصلا. وبالنسبة لأمراض القلب التاجيّة فإنها تعني التحكّم في عوامل الخطر أثناء إعادة التأهيل للقلب (cardiac rehabilitation)؛ حيث يتم البدء بأربعة مراحل في المستشفى بعد الإصابة بالجلطة القلبية(Myocardial infarction).
كإجراء عملية جراحية للأوعية الدموية (angioplasty) أو القلب، كذلك فإن التمارين الرياضية مع الحمية الغذائية تعتبران العامل الأساسي في إعادة تأهيل القلب، وكذلك التوقف عن التدخين والتحكم في ضبط مستوى الكلسترول وضغط الدم.بالإضافة إلى استخدام محصرات بيتا Beta blockers.
العلاج باستخدام مضادات الصفائح الدموية(Anti-platelet therapy).
وجدت الدراسة التي أجريت بواسطة تعاون كوكران العالمي (international Cochrane Collaboration)أن هناك علاقة بين استخدام الكلوبيدوغريل (clopidogrel) مع الأسبرين مع انخفاض معدل خطر الإصابة بالإصابات القلبية الوعائية بالمقارنة مع المرضى الذين يستخدمون الأسبرين فقط.
العلاج-مبادئ العلاج.
تستند الخيارات العلاجية للأمراض التاجية القلبية على ثلاثة مبادئ:
1-العلاج الطبي-الدواء (nitroglycerin، beta-blockers، calcium antagonists.)وغيرها.
2-التدخّل في الأوعية التاجية للقلب مثل: عملية جراحية للأوعية الدموية (angioplasty) وزراعة دعامة أو أنبوب داخل الأوعية الدموية بعملية التمييل (stent-implantation).
3-العملية الجراحية لزرع أوعية دموية أخرى من الجسم في الأوعية التاجية للقلب
Coronary artery bypass grafting - coronary artery bypass surgery
كما أن الأبحاث الجديدة تركّز على العلاج الناشئ من الأوعية الدموية أو ما يسمى بتكوّن الأوعية الدموية (angiogenesis) وكذلك العلاج بالخلايا الجذعية (stem cell)
حدد الباحثون بمتشفى كليفلند (Cleveland Clinic) في دراسة تمت سنة 2006،منطقة في كروموسوم 17 مختصة بالعائلات التي تصاب بعدة حالات من الجلطة القلبية(myocardial infarction).
كما يوجد خلاف حول العلاقة بين الإصابة بمرض تصلب الأوعية الدموية (atherosclerosis) والعدوى بالبكتيريا Chlamydophila pneumoniae،بينما أُثبت وجود هذه البكتيريا الذي تعيش داخل الخلية في صفيحة الكولسترول لدى المرضى المصابين بتصلب الأوعية، فما زالت هذه البراهين غير حاسمة فيما إن كانت هذه البكتيريا بحد ذاتها عامل مسبب للمرض.
لم يظهر العلاج بالمضادات الحيوية (antibiotics) لمرضى تصلب الأوعية الدموية أي تقليل لخطر الإصابة بالنوبة القلبية (heart attacks) أو أمراض الأوعية التاجية الأخرى.
منذ سنة 1990 والبحث جاري نحو خيارات جديدة للعلاج لأمراض أوعية القلب التاجية تُركز على استخدام ما يسمى تكوّن الأوعية الدموية angiogenesis والخلايا الجذعية stem cell.
حيث أجريت الكثير من التجارب السريرية إما بتطبيق العلاج ببروتين عامل النمو لتكوّن الأوعية الدموية (angiogenic growth factor) مثل: FGF-1 أو VEGF ،أو العلاج بالخلايا باستخدام أنواع مختلفة من الخلايا الجذعية. وما زالت الأبحاث قائمة توعد بمستقبل مشرق للعلاج خصوصا فيما يتعلق ب FGF-1 والانتفاع الخلايا المُولدّة للخلايا المبطّنة للأوعية الدموية endothelial) progenitor cells).
الحوسبة المتوازية هيَ شكل من أشكال الحوسبة التي يجري فيها تنفيذ العديد من العمليات في وقت واحد، والتي تقوم على مبدأ أنه يمكن في كثير من الأحيان تقسيم المشاكل الكبيرة إلى مشاكل أصغر حجمًا ليتم حلها بشكل مُتوازٍ في نفس الوقت.
للحوسبة المُتوازية عدة مستويات مختلفة:
استخدم التوازي لسنوات عديدة، وخاصة في الحوسبة عالية الأداء، ولكن الاهتمام به ازداد أكثر في الآونة الأخيرة بسبب العوائق المادية التي تحول دون توسيع حجم العمليات المعالجة. حيث صار استهلاك أجهزة الحاسوب للطاقة (وبالتالي الحرارة الناتجة عن ذلك) مصدرًا للقلق في السنوات الأخيرة، فإن الحوسبة المتوازية أصبحت النموذج المهيمن في هندسة الحواسيب، وخاصة في نماذج المعالجات متعددة الأنوية.
يُمكن أن تُصنّف الحواسيب المتوازية وفقًا لتصنيف المستوى الذي يدعم العتاد فيه عملية الموازاة. فالحواسيب مُتعددة المُعالجات أو متعددة الأنوية تحتوي على عناصر معالجة متعددة داخل جهاز واحد، في حين أن العناقيد (clusters)، والمعالجات المتوازية الهائلة (MPPS)، ومصفوفات الحواسيب تستخدم عدة حواسيب للعمل على نفس المهمة. تُستخدم هندسة الحواسيب المتوازية المتخصصة أيضا في بعض الأحيان في المُعالجات التقليدية لتسريع أداء مهام محددة.
تُعتبر كتابة البرامج الموجهة للحواسيب المتوازية أكثر صعوبة من البرامج ذات المهام التسلسلية، لأن توازي المهام يسمح بظهور أنواع جديدة محتملة من الأخطاء البرمجية، والتي يُعتبر مشكلة حالة تعارض أحد أشهر أمثلتها.
عادة ما تكون الاتصالات والتزامن بين المهام الفرعية المُختلفة إحدى أكبر العقبات أمام الحصول على برامج متوازية عالية الأداء. يخضع مقدار التسريع في برنامج معين نتيجة لعملية موازة لقانون أمدال.
عادة ما تكون البرامج الحاسوبية مكتوبة بطريقة تسلسلية. فلحل مشكلة ما، تُبنى وتطبق خوارزمية على شكل تعليمات متسلسلة. وتُنفذ هذه التعليمات على وحدة المعالجة المركزية لجهاز حاسوب واحد. حيث تنفذ تعليمة واحدة فقط في نفس الوقت، وبعدَ الانتهاء منها تُنفذ التعليمة التالية.
أما الحوسبة المتوازية فتستخدم في وَقت واحد عدة عناصر معالجة لحل مشكلة معينة. وتقسَّم المشكلة إلى أجزاء مستقلة بحيث يمكن لكل عنصر من عناصر المعالجة تنفيذ الجزء الخاص به من الخوارزمية في وقت واحد مع العناصر الأخرى. تتنوع العناصر المعالجة وتشمل موارد مختلفة مثل جهاز حاسوب واحد مع معالجات متعددة أو شبكة من عدة حواسيب أو معدات متخصصة أو أي مزيج مما ذكر.
كان رفعُ سرعة تنفيذ العمليات الهم الرئيسي لتحسين أداء الحواسيب منذ منتصف ثمانيات القرن العشرين وحتى عام 2004. حيث أن مدة تنفيذ برنامج تساوي عدد التعليمات مضروبًا في متوسط الوقت اللازم لتنفيذ تعليمة واحد. الحفاظ على كل شيء ثابتًا، وزيادة تردد الساعة الداخلية يخفض من متوسط الوقت المستغرق لتنفيذ تعليمة. وبالتالي يُقلل وقت التنفيذ لجميع البرامج ذات العمليات المحدودة.
يحسب استهلاك الشرائح للطاقة من خلال المعادلة P = C × V2 × F،حيث ترمز P إلى الطاقة، وترمز C إلى عدد المكثفات المستعملة أثناء عمل دورة كاملة (تتناسب مع عدد الترانزستورات التي تتغير مدخلاتها)، وترمز V إلى الجهد، أما F فترمز إلى تردد المعالج (دورة في الثانية). وتزيد زيادة التردد من كمية الطاقة المستهلكة. أجبَرَت زيادة استهلاك المعالجات للطاقة في النهاية شركة إنتل في مايو 2004على إلغاء إنتاج معالجاتها تيجاس وجهوك، والتي تعتبر عمومًا نهاية سياسة رفع التردد كنموذج شائع لمعمارية الحواسيب.
على الرغم من قضايا استهلاك الطاقة إضافة للتنبؤات المتكررة عن نهايته، فإن قانون مور ظل صحيحًا. فقد نصَّ قانون مور (الناتج عن ملاحظة تجريبية) على أن كثافة الترانزستورات في المعالجات الدقيقة تتضاعف كل 18 إلى 24 شهرًا. وبنهاية سياسة زيادة التردد، فقد أمكن استخدام هذه الترانزستورات الإضافية (التي لم تعد تستخدم لرفع التردد) لإضافة أجهزة أخرى من أجل إجراء حوسبة متوازية.
قانون أمدال، وقانون غوستافسون.
بنظرة مثالية، فإن مقدار التسريع الناتج عن عملية الموازاة سيكون خطيا، أي بمضاعفة عدد عناصر المعالجة ينبغي خفض وقت التشغيل إلى النصف، وبمضاعفته مرة أخرى ينبغي خفض وقت التنفيذ إلى النصف مرة أخرى. ومع ذلك، عدد قليل جدا من الخوارزميات المتوازية تحقق مقدار التسريع المثالي. فمعظمها لديها مقدار تسريع قريب من مقدار التسريع المثالي عند استخدام أعداد قليلة من عناصر المعالجة، والذي يتحول إلى قيمة ثابتة عند استخدام عدد أكبر من عناصر المعالجة.
إن مقدار التسريع المحتمل لخوارزمية في بيئة حوسبة متوازية تحسب باستخدام قانون أمدال، والذي وضعه جين أمدال في ستينيات القرن العشرين. والذي ينص على أن أي جزء صغير من البرنامج لا يمكن موازاته سوف يحد من مقدار التسريع الإجمالي المتاح بعملية الموازاة. أي مشكلة رياضية أو هندسية كبيرة عادة ما تتألف من عدة أجزاء قابلة للموازاة وأجزاء أخرى غير قابلة للموازاة (أجزاء متسلسلة). وتعطى هذه العلاقة من المعادلة :
حيث S هو مقدار تسريع البرنامج (بصفته عاملا من عوامل وقت تنفيذ الخوارزمية التسلسلية الأصلية)، وP هو الجزء القابل للموازاة. إذا كان الجزء غير القابل للموازاة من برنامج يستهلك 10% من وقت التنفيذ، فإنه من غير الممكن أن نحصل على مقدار تسريع أكثر من عشرة أضعاف، بغض النظر عن عدد المعالجات التي تم إضافتها. وهذا يضع حدا أعلى للفائدة من إضافة وحدات تنفيذ متوازية أكثر. "عندما لا يمكن تقسيم مهمة بسبب قيود تمنع عملية التقسيم، فإن تطبيق مزيد من الجهد ليس له تأثير على الجدول الزمني. فحمل الطفل يأخذ تسعة أشهر ولا علاقة لذلك بعدد النسوة".
قانون غوستافسون هو قانون آخر في هندسة الحاسبات، ويرتبط ارتباطا وثيقا بقانون أمدال. ويمكن صياغته على النحو التالي :
حيث P هو عدد المعالجات، S هو مقدار التسريع وα هو الجزء غير القابل للموازاة من هذه العملية. يفترض قانون أمدال أن للمشكلة حجما ثابتا وأن حجم المقطع المتسلسل مستقل عن عدد المعالجات، في حين أن القانون غوستافسون لم يقم بهذه الافتراضات.
فهم الاعتمادية على البيانات أمر أساسي في تنفيذ الخوارزميات المتوازية. لا يمكن تشغيل برنامج بسرعة أكبر من أطول سلسلة من العمليات الحسابية المعتمدة على بعضها (المعروف باسم المسار الحرج)، لأن الحسابات التي تعتمد على حسابات سابقة في السلسلة يجب أن تنفذ بالترتيب. ومع ذلك، فإن معظم الخوارزميات لا تتكون من مجرد سلسلة طويلة من العمليات الحسابية المعتمدة على بعضها ؛ عادة ما تكون هناك فرص لتنفيذ بالتوازي عمليات حسابية مستقلة.
ليكن Pi و Pj جزأين من برنامج. شروط برنشتاين تصف متى يمكن تنفيذ جزأين مستقلين بشكل متواز. لكل "P""i"، افرض ان "I""i" يمثل كافة المتغيرات المدخلة و"O""i" المتغيرات المخرجة، وكذلك الأمر مع "P""j". فإن "P" "i" و"P""j" مستقلان إذا حققا الشروط التالية:
انتهاك الشرط الأول يسبب اعتمادية التتابع، بالاعتماد على نتائج الشرط الأول تنتج الجملة الثانية نتائجها. الشرط الثاني يمثل مضاد للتبعية، عندما (Pj) يحاول التصرف في متغير يحتاجه ("P""i"). الشرط الثالث والأخير يمثل التبعية في المخرجات : عندما تكتب الجملتين على نفس المخرج، يجب أن تأتي النتيجة النهائية من آخر جملة تنفذ منطقيا.
بالنظر إلى المهام التالية، والتي تمثل عدة أنواع من الاعتمادية:
لا يمكن تنفيذ عملية السطر 3 قبل (أو حتى في موازاة مع) عملية السطر 2، لأن عملية السطر 3 تستخدم نتيجة عملية من السطر 2. وذلك لا عدم تحقق الشرط 1، وبهذا تكون هناك اعتمادية التتابع.
في هذا المثال، لا توجد اعتمادية بين التعليمات، وبالتالي يمكن تنفذهم جميعا بالتوازي.
شروط برنشتاين لا تسمح باشتراك الذاكرة بين العمليات المختلفة. لذلك، فإن فرض بعض الترتيب بين عمليات الوصول للذاكرة ضروري، مثلا نظام إشارات (semaphores)، أو الحواجز أو بعض طرق التزامن الأخرى.
حالة السباق واستبعاد التشارك والتزامن والتباطؤ في التوازي.
في برنامج مواز غالبا ما تسمى المهام الفرعية خيوطا . بعض هندسة الحواسيب المتوازية تستخدم نسخ صغيرة وخفيفة من الخيوط المعروفة باسم الألياف، بينما تستخدم هندسات أخرى نسخ أكبر تسمى بالعمليات. ومع ذلك فإن "الخيوط" مقبولة عموما كمصطلح عام عن المهام الفرعية.
غالبا ما تحتاج الخيوط إلى تحديث بعض المتغيرات مشتركة بينها. يمكن ترتيب التعليمات المشتركة بين البرنامجين بأي ترتيب. على سبيل المثال، البرنامج التالي :
إذا تم تنفيذ التعليمة 1ب بين 1أ و3أ، أو إذا تم تنفيذ التعليمات 1أ بين 1ب و3ب، سيقوم البرنامج بإنتاج بيانات غير صحيحة. وهذا هو المعروف باسم حالة السباق . يجب على المبرمج استخدام قفل لضمان استبعاد التشارك. القفل هو بناء في لغة البرمجة يسمح لخيط واحد بالسيطرة على متغير ومنع الخيوط الأخرى من القراءة أو الكتابة بها، حتى تحرير المتغير من القفل. الخيط الذي قام بعملية القفل يمكنه تنفيذ الجزء الحرج (القسم من البرنامج الذي يتطلب وصول حصري إلى المتغير)، وبعدها يقوم بتحرير البيانات بعدما ينهي هذا الجزء. لذلك، لضمان تنفيذ البرنامج السابق بشكل صحيح، يمكن إعادة صياغته باستخدام الأقفال:
سوف يقوم خيط واحد بقفل المتغير س، في حين أن الخيوط الأخرى ستكون مستبعدة، وغير قادرة على المضي قدما إلى أن يتم تحرير المتغير س مرة أخرى. وهكذا يتم ضمان تنفيذ البرنامج بشكل صحيح. تستعمل الأقفال عند الضرورة لتنفيذ البرنامج بشكل صحيح، لكن العملية يمكن أن تبطئ هذا البرنامج بشكل كبير.
قفل عدة متغيرات باستخدام أقفال غير موحدة يدخل البرنامج في طريق مسدود. الأقفال الموحدة تقفل كل المتغيرات مرة واحدة. وإذا لم يتمكن من قفلهم جميعا، فإنه لن يقفل اي واحد منهم. إذا احتاج خيطان لحجز نفس المتغيرين باستعمال قفل غير موحد، من الممكن أن يحجز أحد الخيوط أحد المتغيرات بينما يحجز الخيط الثاني المتغير الآخر. في مثل هذه الحالة، لا يمكن لأي خيط منهما إنهاء عمله ويصلان لطريق مسدود.
كثير من البرامج المتوازية تتطلب تزامنا بين مهامها الفرعية، وهذا يتطلب استخدام حاجز. والذي عادة ما ينفذ باستخدام قفل برمجي. فئة من الخوارزميات، تعرف بإقفال-تحرير وانتظار-تحرير، تتجنب استخدام الأقفال والحواجز تماما. ولكن هذا النهج صعب التنفيذ غالبا ويتطلب تصميم تركيبة بيانات بشكل صحيح.
لا تؤدي كل عمليات الموازاة إلى التسريع. عموما، كلما قسمت المهام إلى خيوط أكثر فأكثر، فإن تلك الخيوط ستستهلك جزء زائد من الوقت في التواصل مع بعضهم البعض. في نهاية المطاف، فإن الوقت الزائد من عملية الاتصال يهيمن على الوقت الذي يستغرقه حل المشكلة، وكذلك عملية الموازاة (أي تقسيم عبء العمل على خيوط أكثر) تزيد بدلا من أن تقلل من مقدار الوقت المطلوب لانتهاء. يعرف هذا بتباطؤ التوازي .
توازي الحبيبات الناعمة والحبيبات الخشنة والمربك.
غالبا ما تصنف التطبيقات وفقا لمدى حاجة المهام الفرعية للمزامنة أو التواصل مع بعضها البعض. يظهر التطبيق توازي الحبيبات الناعمة إذا كانت المهام الفرعية تتواصل عدة مرات في الثانية الواحدة، أو توازي الحبيبات الخشنة إذا لم تتواصل عدة مرات في الثانية الواحدة، ويصنف بالتوزاي المربك إذا كانت نادرا ما تضطر للتواصل أو لا يوجد تواصل إطلاقا. تعتبر التطبيقات من صنف التوازي المربك أسهل للموازاة.
نماذج تناسق.
يجب أن يكون للغات البرمجة المتوازية ولأجهزة الحاسوب المتوازية نموذج تناسق (المعروف أيضا باسم نموذج الذاكرة). نموذج التناسق يحدد القواعد لكيفية حدوث العمليات في ذاكرة الحاسوب، وكيفية إنتاج النتائج.
واحد من نماذج التناسق هو نموذج "ليسلي لامبورت" للتناسق المتسلسل. التناسق المتسلسل هو خاصية للبرنامج المتوازي الذي ينتج عن تنفيذه بشكل متواز نفس النتائج إذا نفذ بشكل تسلسلي. بشكل أدق، يكون البرنامج متطابق تسلسليا إذا "... نتائج أي تنفيذ هي نفسها إذا ما نفذت كل العمليات على كل المعالجات بترتيب متسلسل ما، والعمليات في كل معالج تظهر في هذا التسلسل بالترتيب المحدد من قبل البرنامج".
"ذاكرة معاملات البرنامج" هي نوع شائع من نماذج التناسق. تستعمل ذاكرة معاملات البرنامج مفهوما، استعير من نظريات قواعد البيانات وتطبيقها، هو "مفهوم المعاملات الموحدة" في عملية الوصول إلى الذاكرة.
رياضيا، يمكن تمثيل هذه النماذج بعدة طرق. شبكة بيتري، الذي تم عرضها في أطروحة الدكتوراه لآدم كارل بيتري سنة 1962، كانت محاولة مبكرة لتدوين قواعد نماذج التناسق. بعدها تم بناء نظرية تدفق البيانات، وتم إنشاء هندسة تدفق البيانات كتطبيق عملي لفكرة نظرية تدفق البيانات. بدأت في أواخر سبعينات القرن العشرين، حيث تم تطوير جبر العمليات مثل حسابات أنظمة الاتصالات وعمليات الاتصال التسلسلية للسماح بالتفكير بشكل جبري حول نظم مكونة من عناصر متفاعلة. إضافات جديدة إلى عائلة جبر العمليات، مثل π-calculus الذي أضاف إمكانية التفكير في طبولوجيا ديناميكية. المنطق مثل Lamport's TLA+ والنماذج الرياضية مثل التعقب ومخططات الأحداث الفاعلة، طورت أيضا لوصف سلوك النظم المتنافسة.
تصنيف فلين.
قام مايكل ج. فلين بإنجاز واحدة من أوائل نظم التصنيف للحاسبات والبرنامج المتوازية (والمتسلسلة)، والتي تعرف الآن باسم تصنيف فلين . صنف فلين برامج وأجهزة الحاسوب من خلال إذا كانت تعمل باستخدام مجموعة واحدة أو عدة مجموعات من تعليمات، مهما يكن عدد المجموعات من البيانات التي تستخدمها هذه التعليمات مجموعة واحدة أو أكثر.
تصنيف تعليمة واحدة على معلومة واحدة ما يعادل برنامج متسلسل تماما. بينما تصنيف تعليمة واحدة على بيانات متعددة يماثل القيام بالعملية نفسها مرارا وتكرارا على مجموعة كبيرة من البيانات. وهذا هو الشائع في تطبيقات معالجة الإشارات. تعليمات متعددة على معلومة واحدة هو تصنيف نادر الاستخدام. في حين أن هندسة الحاسبات انقسمت في التعامل مع هذا التصنيف، فإن عدد قليل من التطبيقات تتناسب مع هذا التصنيف تم تجسيدها. برامج تعليمات متعددة على بيانات متعددة هي إلى حد بعيد، النوع الأكثر شيوعا بين البرامج المتوازية.