Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

Современные многопроцессорные вычислительные системы

1. Параллельные вычислительные технологии - фундаментальное научное направление

Возможность создания и использования суперкомпьютеров во всем мире относится к факторам стратегического потенциала оборонного, научно-технического и народно-хозяйственного значения, ибо прогресс любой развитой страны в современном мире невозможен без компьютеризации во всех сферах деятельности. При этом все более проявляется связь между достижениями страны в области создания и овладения передовыми компьютерными технологиями и ее потенциальными возможностями решать ключевые проблемы научно-технического прогресса. Особенно это проявляется в отношении решения научных фундаментальных и прикладных проблем, о чем будет изложено в следующем разделе,

Общие затраты в этой области измеряются миллиардами долларов, а все работы координируются в рамках «стратегической технологической инициативы».

Производительность супер ЭВМ на протяжении последних 20-30 лет возрастала ориентировочно на порядок за каждое пятилетие. Это отчетливо прослеживается по всей совокупности выпускаемой продукции и нет оснований сомневаться в продолжении этой закономерности на следующее десятилетие.

В США в 1997 г. введены в действие (по опубликованным данным) три установки с производительностью каждая более трлн. оп./сек. В американской правительственной программе «Ускоренная стратегическая компьютерная инициатива» (ASCI) намечен выход на уровень производительности супер ЭВМ - 10 трлн. оп./сек. в 2000 г. и 100 трлн. оп./сек. в 2004 г.; имеется ряд других программ того же направления.

По оценке американских экспертов стоимость выпускаемой на рынок новой супер ЭВМ на 80-85% окупается возможностями эффективного и быстрого ее применения для решения конкретных задач. Более того, перспективы развития супер ЭВМ в ближайшем будущем в большей степени будут определяться успехами вычислительной математики, а не успехами электроники. Поэтому в числе важнейших работ по развитию параллельных вычислительных технологий следует назвать:

Поставки супер ЭВМ в Россию ограничены установками производительностью 2-7 млрд. оп./сек. (в зависимости от конкретного комплекта поставки и условий контроля использования). Кроме того, иностранная техника весьма дорога и трудна в освоении без сопровождения ее изготовителей. Поэтому такой путь развития супер ЭВМ в нашей стране, как основное направление на будущее, неприемлем.

В последнее десятилетие по инициативе Российской Академии наук, Министерства науки и технологий РФ совместно с заинтересованными ведомствами выполняется «Комплексная программа по созданию многопроцессорных вычислительных систем (МВС) и параллельным вычислительным технологиям», которая направлена на ликвидацию катастрофического отставания страны в области создания супер ЭВМ.

- МВС-100. Ее образцы в течение нескольких лет успешно эксплуатируются в институтах РАН, предприятиях промышленности и ряде ведомств.

- МВС-1000. В настоящее время в той же кооперации развернуты работы по созданию этих систем нового поколения).

Экспериментальные разработки по созданию многопроцессорных вычислительных систем начались в 70-х годах 20 века. Одной из первых таких систем стала разработанная в Иллинойском университете МВС ILLIAC IV, которая включала 64 (в проекте до 256) процессорных элемента (ПЭ), работающих по единой программе, применяемой к содержимому собственной оперативной памяти каждого ПЭ. Обмен данными между процессорами осуществлялся через специальную матрицу коммуникационных каналов. Указанная особенность коммуникационной системы дала название «матричные суперкомпьютеры» соответствующему классу МВС. Отметим, что более широкий класс МВС с распределенной памятью и с произвольной коммуникационной системой получил впоследствии название «многопроцессорные системы с массовым параллелизмом», или МВС с MPP-архитектурой (MPP - Massively Parallel Processing). При этом, как правило, каждый из ПЭ MPP системы является универсальным процессором, действующим по своей собственной программе (в отличие от общей программы для всех ПЭ матричной МВС).

Первые матричные МВС выпускались буквально поштучно, поэтому их стоимость была фантастически высокой. Серийные же образцы подобных систем, такие как ICL DAP, включавшие до 8192 ПЭ, появились значительно позже, однако не получили широкого распространения ввиду сложности программирования МВС с одним потоком управления (с одной программой, общей для всех ПЭ).

Первые промышленные образцы мультипроцессорных систем появились на базе векторно-конвейерных компьютеров в середине 80-х годов. Наиболее распространенными МВС такого типа были суперкомпьютеры фирмы Cray. Однако такие системы были чрезвычайно дорогими и производились небольшими сериями. Как правило, в подобных компьютерах объединялось от 2 до 16 процессоров, которые имели равноправный (симметричный) доступ к общей оперативной памяти. В связи с этим они получили название симметричные мультипроцессорные системы (Symmetric Multi-Processing - SMP).

Как альтернатива таким дорогим мультипроцессорным системам на базе векторно-конвейерных процессоров была предложена идея строить эквивалентные по мощности многопроцессорные системы из большого числа дешевых серийно выпускаемых микропроцессоров. Однако очень скоро обнаружилось, что SMP архитектура обладает весьма ограниченными возможностями по наращиванию числа процессоров в системе из-за резкого увеличения числа конфликтов при обращении к общей шине памяти. В связи с этим оправданной представлялась идея снабдить каждый процессор собственной оперативной памятью, превращая компьютер в объединение независимых вычислительных узлов. Такой подход значительно увеличил степень масштабируемости многопроцессорных систем, но в свою очередь потребовал разработки специального способа обмена данными между вычислительными узлами, реализуемого обычно в виде механизма передачи сообщений (Message Passing). Компьютеры с такой архитектурой являются наиболее яркими представителями MPP систем. В настоящее время эти два направления (или какие-то их комбинации) являются доминирующими в развитии суперкомпьютерных технологий.

Нечто среднее между SMP и MPP представляют собой NUMA-архитектуры (Non Uniform Memory Access), в которых память физически разделена, но логически общедоступна. При этом время доступа к различным блокам памяти становится неодинаковым. В одной из первых систем этого типа Cray T3D время доступа к памяти другого процессора было в 6 раз больше, чем к своей собственной.

В настоящее время развитие суперкомпьютерных технологий идет по четырем основным направлениям: векторно-конвейерные суперкомпьютеры, SMP системы, MPP системы и кластерные системы. Рассмотрим основные особенности перечисленных архитектур.

Идеи параллельной обработки информации в вычислительных системах появились очень давно. Изначально они внедрялись в самых передовых, а потому единичных, компьютерах своего времени. Затем после должной отработки технологии и удешевления производства они спускались в компьютеры среднего класса, и наконец сегодня все это в полном объеме воплощается в рабочих станциях и персональных компьютерах.

IBM 701 (1953), IBM 704 (1955): разрядно-параллельная память, разрядно-параллельнаяарифметика.

Все самые первые компьютеры (EDSAC, EDVAC, UNIVAC) имели разрядно-последовательную память, из которой слова считывались последовательно бит за битом. Первым коммерчески доступным компьютером, использующим разрядно-параллельную память (на CRT) и разрядно-параллельную арифметику, стал IBM 701, а наибольшую популярность получила модель IBM 704 (продано 150 экз.), в которой, помимо сказанного, была впервые применена память на ферритовых сердечниках и аппаратное АУ с плавающей точкой.

IBM 709 (1958): независимые процессоры ввода / вывода.

Процессоры первых компьютеров сами управляли вводом / выводом. Однако скорость работы самого быстрого внешнего устройства, а по тем временам это магнитная лента, была в 1000 раз меньше скорости процессора, поэтому во время операций ввода / вывода процессор фактически простаивал. В 1958 г. к компьютеру IBM 704 присоединили 6 независимых процессоров ввода / вывода, которые после получения команд могли работать параллельно с основным процессором, а сам компьютер переименовали в IBM 709. Данная модель получилась удивительно удачной, так как вместе с модификациями было продано около 400 экземпляров, причем последний был выключен в 1975 году - 20 лет существования!

IBM STRETCH (1961): опережающий просмотр вперед, расслоение памяти.

В 1956 году IBM подписывает контракт с Лос-Аламосской научной лабораторией на разработку компьютера STRETCH, имеющего две принципиально важные особенности: опережающий просмотр вперед для выборки команд и расслоение памяти на два банка для согласования низкой скорости выборки из памяти и скорости выполнения операций.

ATLAS (1963): конвейер команд.

Впервые конвейерный принцип выполнения команд был использован в машине ATLAS, разработанной в Манчестерском университете. Выполнение команд разбито на 4 стадии: выборка команды, вычисление адреса операнда, выборка операнда и выполнение операции. Конвейеризация позволила уменьшить время выполнения команд с 6 мкс до 1,6 мкс. Данный компьютер оказал огромное влияние, как на архитектуру ЭВМ, так и на программное обеспечение: в нем впервые использована мультипрограммная ОС, основанная на использовании виртуальной памяти и системы прерываний.

CDC 6600 (1964): независимые функциональные устройства.

Фирма Control Data Corporation (CDC) при непосредственном участии одного из ее основателей, Сеймура Р. Крэя (Seymour R. Cray) выпускает компьютер CDC-6600 - первый компьютер, в котором использовалось несколько независимых функциональных устройств. Для сравнения с сегодняшним днем приведем некоторые параметры компьютера:

· время такта 100 нс,

· производительность 2-3 млн. операций в секунду,

· оперативная память разбита на 32 банка по 4096 60-ти разрядных слов,

· цикл памяти 1 мкс,

· 10 независимых функциональных устройств.

Машина имела громадный успех на научном рынке, активно вытесняя машины фирмы IBM.

CDC 7600 (1969): конвейерные независимые функциональные устройства.

CDC выпускает компьютер CDC-7600 с восемью независимыми конвейерными функциональными устройствами - сочетание параллельной и конвейерной обработки. Основные параметры:

· такт 27,5 нс,

· 10-15 млн. опер/сек.,

· 8 конвейерных ФУ,

· 2-х уровневая память.

ILLIAC IV (1974): матричные процессоры.

Проект: 256 процессорных элементов (ПЭ) = 4 квадранта по 64ПЭ, возможность реконфигурации: 2 квадранта по 128ПЭ или 1 квадрант из 256ПЭ, такт 40 нс, производительность 1Гфлоп;

работы начаты в 1967 году, к концу 1971 изготовлена система из 1 квадранта, в 1974 г. она введена в эксплуатацию, доводка велась до 1975 года;

центральная часть: устройство управления (УУ) + матрица из 64 ПЭ;

· УУ это простая ЭВМ с небольшой производительностью, управляющая матрицей ПЭ; все ПЭ матрицы работали в синхронном режиме, выполняя в каждый момент времени одну и ту же команду, поступившую от УУ, но над своими данными;

· ПЭ имел собственное АЛУ с полным набором команд, ОП - 2Кслова по 64 разряда, цикл памяти 350 нс, каждый ПЭ имел непосредственный доступ только к своей ОП;

· сеть пересылки данных: двумерный тор со сдвигом на 1 по границе по горизонтали;

Несмотря на результат в сравнении с проектом: стоимость в 4 раза выше, сделан лишь 1 квадрант, такт 80 нс, реальная произв-ть до 50Мфлоп - данный проект оказал огромное влияние на архитектуру последующих машин, построенных по схожему принципу, в частности: PEPE, BSP, ICL DAP.

CRAY 1 (1976): векторно-конвейерные процессоры

В 1972 году С. Крэй покидает CDC и основывает свою компанию Cray Research, которая в 1976 г. выпускает первый векторно-конвейерный компьютер CRAY-1: время такта 12.5 нс, 12 конвейерных функциональных устройств, пиковая производительность 160 миллионов операций в секунду, оперативная память до 1Мслова (слово - 64 разряда), цикл памяти 50 нс. Главным новшеством является введение векторных команд, работающих с целыми массивами независимых данных и позволяющих эффективно использовать конвейерные функциональные устройства.

вычислительный многопроцессорный суперкомпьютер

CRAY T932, векторно-конвейерный компьютер фирмы CRAY Research Inc. (в настоящее время это подразделение Silicon Graphics Inc.), впервые выпущенный в 1996 году. Максимальная производительность одного процессора равна почти 2 млрд. операций в секунду, оперативная память наращивается до 8Гб (Гига это в тысячу раз больше, чем Мега), дисковое пространство до 256000Гб (т.е. 256Тб, Тера это в тысячу раз больше, чем Гига). Компьютер в максимальной конфигурации содержит 32 подобных процессора, работающих над единой общей памятью, поэтому максимальная производительность всей вычислительной системы составляет более 60 млрд. операций в секунду.

IBM SP2, массивно-параллельный компьютер фирмы IBM (иногда такие компьютеры называют компьютерами с массовым параллелизмом). В настоящее время строится на основе стандартных микропроцессоров PowerPC 604e или POWER2 SC, соединенных между собой через высокоскоростной коммутатор, причем каждый имеет свою локальную оперативную память и дисковую подсистему. Характеристики этих микропроцессоров известны и особых удивлений не вызывают, однако в рамках одной SP системы их может быть объединено очень много. В частности, максимальная система, установленная в Pacific Northwest National Laboratoriy (Richland, USA), содержит 512 процессоров. Исходя из числа процессоров, можно представить суммарную мощность всей вычислительной системы…

HP Exemplar, компьютер с кластерной архитектурой от Hewlett-Packard Inc. В частности, модель V2250 (класс V) построена на основе микропроцессора PA-8200, работающего с тактовой частотой 240MHz. До 16 процессоров можно объединить в рамках одного узла с общей оперативной памятью до 16Гб. В свою очередь узлы в рамках одной вычислительной системы соединяются между собой через высокоскоростные каналы передачи данных.

ASCI RED, детище программы Accelerated Strategic Computing Initiative, - это самый мощный на настоящий момент компьютер. Построенный по заказу Министерства энергетики США, он объединяет 9152 (!) процессоров Pentium Pro, имеет 600Гб суммарной оперативной памяти и общую производительность 1800 миллиардов операций в секунду. Человеку потребовалось бы 57000 лет, чтобы даже с калькулятором выполнить все те операции, которые этот компьютер делает за 1 секунду!

Простые расчеты показывают, что даже умеренные конфигурации таких компьютеров могут стоить не один миллион долларов США - ради интереса прикиньте, сколько стоят, скажем, лишь 600 Гбайт оперативной памяти? Возникает целый ряд естественных вопросов:

· какие задачи настолько важны, что требуются компьютеры стоимостью несколько миллионов долларов?

· Или, какие задачи настолько сложны, что хорошего персонального ПК не достаточно?

Размещено на Allbest.ru