Изучение аппаратного и программного обеспечения персонального компьютера

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(ФГБОУ ВПО «ВГТУ», ВГТУ)

Естественно-гуманитарный факультет

Кафедра системного анализа и управления в медицинских системах

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине «Информатика»

Тема «Изучение аппаратного и программного обеспечения персонального компьютера»

Расчетно-пояснительная записка

Разработал студент 18.12.12 В.Л.Штодин

Руководитель канд. техн. наук, доц. О.И. Муратова

2012

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(ФГБОУ ВПО «ВГТУ», ВГТУ)

Кафедра системного анализа и управления в медицинских системах

ЗАДАНИЕ

на курсовую работу

по дисциплине «Информатика»

Тема работы «Изучение аппаратного и программного обеспечения персонального компьютера»

Студент группы Штодин Владислав Леонидович ч

Номер варианта 10

Технические условия: ПК класса IBM PC стандартной конфигурации с выходом в глобальную сеть Internet, текстовый процессор (Microsoft Word), программа создания презентаций (Microsoft Power Point)

Содержание и объем работы (графические работы, расчеты и прочее)

Курсовая работа состоит из страниц, содержит 15 иллюстраций______________

_____________________________________________________________

Сроки выполнения этапов _____________________________________

Срок защиты курсовой работы _________________________________

Руководитель канд. техн. наук, доц. О.И. Муратова

Задание принял студент В.Л.Штодин



Содержание

Задание на курсовую работу

Замечания руководителя

Введение

1. Суперкомпьютеры

1.1 Что такое суперкомпьютер?

1.2 Определение суперкомпьютера

1.3 Краткая история развития суперЭВМ

1.4 Современные направления развития. Архитектуры суперЭВМ

1.4.1 Векторно-конвейерные компьютеры

1.4.2 Параллельные компьютеры

1.4.2.1 Основные формы параллелизма

1.4.2.2 Топологии систем MPP

1.4.3 Кластерные системы

1.4.3.1 Основные виды кластеров

1.4.3.2 Преимущества кластерной организации ЭВМ

2 Программное обеспечение суперкомпьютеров

2.1 Назначение суперкомпьютеров. Области использования

2.2 Вычислительная мощность компьютера

2.2.1 Вариативность определения ВМ

2.2.2 Тесты производительности

2.3 Операционная система

2.3.1 Linux

2.3.2 UNICOS

2.3.3 Windows Compute Cluster Server

2.4 Организация параллельных вычислений

2.5 Прикладное программное обеспечение

2.5.1 Наиболее популярные прикладные программные пакеты

2.5.2 Программное обеспечение специализированных областей

2.5.2.1 Программная система ANSYS

2.5.2.2 Программный комплекс STAR-CD

2.5.2.3 Программный комплекс LS-DYNA

2.5.2.4 Система решения задач NAMD

2.5.2.5 Приложение Shake

3 Практическая часть

Заключение

Список литературы

Введение

С момента появления разума на нашей планете его носители старались облегчить свой труд. Исследуя возможность раскапывания корений палкой, люди, скорее всего, не задумывались, что через века это замечательное, новейшее устройство упрощения простых механических операций трансформируется в нечто, способное совершать неподвластные человеческому мозгу операции вычислительные - и упрощать тем самым уже другие исследования. Тем не менее, это произошло. Появление первых электронных вычислителей, а затем и компьютеров позволило людям сделать огромный рывок в научной деятельности, так как стали доступны такие операции и их объемы, на выполнение которых человеческому мозгу требуется время, несопоставимое с понятием «оперативный результат».

Что же такое суперкомпьютеры, и зачем они нужны? Суперкомпьютер, по мнению Википедии, это «вычислительная машина, значительно превосходящая по своим техническим параметрам большинство существующих компьютеров». В принципе, суперкомпьютер - это обычная вычислительная система, позволяющая производить сложные расчеты за более короткие промежутки времени. Поэтому наиболее важным показателем производительности компьютера является степень его быстродействия. Она измеряется так называемыми флопсами - от английского сокращения, обозначающего количество операций с числами, представленными в форме с плавающей запятой, в секунду. На сегодняшний день в этом смысле производителями преодолен значительный рубеж- петафлопс. Самый мощный суперкомпьютер в мире - Cray Titan - показывает производительность в 17,59 петафлоп/с, что больше, чем у предыдущего «чемпиона», Sequoia от IBM. Экс-лидер показывает результат в 16,32 петафлоп/с. Пиковая производительность Cray Titan - теоретическая - составляет 27,11 петафлоп/сек. Развитие шло, идет и будет продолжаться далее. О том, как именно - поговорим ниже.

1. Суперкомпьютеры

1.1 Что такое суперкомпьютер?

Первое время производители суперкомпьютеров не стеснялись использовать в своих детищах дорогостоящие комплектующие самого высокого класса. Обеспечить необходимый для обеспечения конкурентоспособности прирост производительности в каждой новой модели было важнее, чем низкую стоимость устройства. Так работала корпорация IBM, так работали другие участники «гонки быстродействий». Выражалось «использование новых комплектующих» в применении процессоров с более высокой тактовой частотой. Сеймур Крей со своей небольшой командой разработчиков, однако, сумел со своим CDC 6600 обойти главного конкурента - IBM - не в последнюю очередь за счет «интенсивных» методов увеличения производительности - векторной \ SIMD обработки данных, и т. п. CDC 6600 был в 3 раза быстрее своего главного конкурента - компьютера IBM «Stretch» - при гораздо более низкой цене. «Старожилы», видевшие эту гонку своими глазами, вспоминают, что это «было захватывающе».

Постепенно экономическая рациональность взяла верх над исследовательским порывом. В начале эпохи развития суперкомпьютеров эти машины покупались в основном или крупными университетами, или военно-космическими ведомствами. И те, и другие обеспечивались средствами из бюджетов, на все это накладывалось перманентное противостояние держав, на которое деньги выбрасывались практически без счета - «холодная война» была в разгаре - стоимость устройств была, вероятно, небольшой в масштабе общих трат. На сегодняшний день суперкомпьютеры используются в гораздо большем количестве сфер (такое громкое наименование дано даже ряду игровых компьютеров). Компания-производитель компьютерных комплектующих NVIDIA, например, предлагает собрать персональный суперкомпьютер за скромные 10-20 тысяч долларов - с производительностью более 3, 5 ТФлопс.

Изменение конъюнктуры рынка привело к смене вектора развития. На сегодняшний день четко прослеживается тенденция к созданию все более и более многопроцессорных машин - и отсутствию изменений в типе комплектующих. Обычным стало использование серийно выпускаемых процессоров - их производительность, к тому же, уже выросла до подходящих величин. Разработчики специфических «супер» комплектующих оказались поглощены изготовителями более массовой техники, и основной упор стал делаться на увеличение числа процессоров и повышение степени параллелизма программ. Очевидно, это в какой-то мере связано и с невозможностью перехода в настоящий момент к 5-му поколению компьютеров, скачка на следующую ступень развития, который рисуется аналитиками как «оптоэлектронные ЭВМ с массовым параллелизмом и нейронной структурой - распределенной сетью большого числа (до десятков тысяч) несложных процессоров, моделирующих структуру нейронных биологических систем».

Относительно узкий спектр (по сравнению с ПК) применения суперкомпьютеров определяет сугубую ассоциативность знаний о них большинства обычных пользователей. Огромные размеры, большие задачи, крупные фирмы и компании, невероятные скорости работы или что-то иное, что обязательно будет "на грани", для чего "обычного" явно мало, а подойдет только "супер", - суперкомпьютер или супер-ЭВМ. В этом интуитивном восприятии есть изрядная доля истины, поскольку к классу супер-ЭВМ принадлежат лишь те компьютеры, которые имеют максимальную производительность в настоящее время. Быстрое развитие компьютерной индустрии определяет относительность данного понятия - то, что десять лет назад можно было назвать суперкомпьютером, сегодня под это определение уже не попадает. Например, производительность персональных компьютеров, использующих Intel i5/3.2 ГГц, в 10 раз превышает производительность суперкомпьютеров начала 70-х годов, а производительность iPad 2 сопоставима с четырехъядерным суперкомпьютером Cray 2, 8-ядерная версия которого в 1985 году стала самым быстрым суперкомпьютером в мире (максимальная производительность Cray 2 равняется 1,9 Гфлопс, тестирование iPad 2 в обычном режиме показал производительность от 1,5 до 1,65 Гфлопс). Данные модели имеют кардинальные различия в форм-факторе (рисунок 1), однако по сегодняшним меркам суперкомпьютерами не являются ни те, ни другие.

Рисунок 1 - Внешний вид Cray 2 и iPad 2

В любом компьютере все основные параметры тесно связаны. Трудно себе представить компьютер, имеющий высокое быстродействие и мизерную оперативную память, либо огромную оперативную память и небольшой объем дисков. Следуя логике, делаем вывод: суперкомпьютеры - это ЭВМ, имеющие в настоящее время не только максимальную производительность, но и максимальный объем оперативной и дисковой памяти, а также специализированное ПО, с помощью которого можно эффективно всем этим воспользоваться. Суперкомпьютер - это сложнейший программно-аппаратный комплекс высокой производительности, предназначенный и разработанный специально для решения специфической определенной задачи (круга задач). Ключевое слово здесь - программно-аппаратный, так как для решения конкретных специфических задач требуется специфическое программное обеспечение, а для реализации высокой производительности - сложнейшие аппаратные решения из смежных областей и не только электроники. Оба аспекта будут рассмотрены в этом документе.

1.2 Определение суперкомпьютера

Суперкомпьютерам за время их существования много раз пытались дать определение, иногда серьезно, иногда с иронией. Например, шутливая классификация Гордона Белла и Дона Нельсона, разработанная около 1989 года, предлагала считать суперкомпьютером любой компьютер, весящий более тонны. А уже около десяти лет назад, во время обсуждения суперкомпьютеров в конференции comp.parallel, Кен Батчер (Ken Batcher) предложил такой вариант: суперкомпьютер - это устройство, сводящее проблему вычислений к проблеме ввода/вывода. Все верно, в каждой шутке есть доля шутки: что раньше долго вычислялось, временами сбрасывая нечто на диск, на супер-ЭВМ может выполниться мгновенно, переводя стрелки неэффективности на относительно медленные устройства ввода/вывода. Самым используемым на данный момент определением является следующее: суперкомпьютер - вычислительная машина, значительно превосходящая по своим техническим параметрам большинство существующих компьютеров. Но здесь есть свои подводные камни. По определению Оксфордского словаря вычислительной техники 1986 года, для того, чтобы получить это гордое название, нужно было иметь производительность в 10 мегафлоп (миллионов операций с плавающей запятой в секунду). В начале 90-х была преодолена отметка 200 мегафлоп, затем 1 гигафлоп, в середине 2000-х - 1 петафлоп, и развитие по этому пути в данный момент продолжается. Планка необходимой производительности определения для машин, претендующих на право иметь в названии приставку «супер», постоянно корректируется.

Архитектура (концептуальная структура вычислительной машины, определяющая проведение обработки информации и включающая методы преобразования информации в данные и принципы взаимодействия технических средств и программного обеспечения) также не может считаться признаком принадлежности к классу суперкомпьютеров. Ранние компьютеры CDC были обычными машинами, всего лишь оснащёнными быстрыми для своего времени скалярными процессорами, скорость работы которых была в несколько десятков раз выше, чем у компьютеров, предлагаемых другими компаниями.

Большинство суперкомпьютеров 70-х оснащались векторными процессорами, а к началу и середине 80-х небольшое число (от 4 до 16) параллельно работающих векторных процессоров практически стало стандартным суперкомпьютерным решением. Конец 80-х и начало 90-х годов охарактеризовались сменой магистрального направления развития суперкомпьютеров от векторно-конвейерной обработки к большому и сверхбольшому числу параллельно соединённых скалярных процессоров.

Массивно-параллельные системы стали объединять в себе сотни и даже тысячи отдельных процессорных элементов. Большинство массивно-параллельных компьютеров создавалось на основе мощных процессоров с архитектурой RISC (Reduced Instruction Set Computer), наподобие PowerPC или PA-RISC. Множество процессоров объединялось на процессорных платах, внешний вид которых представлен на рисунке 2.



Рисунок 2 - Процессорная плата векторного компьютера Cray YMP

В конце 90-х годов высокая стоимость специализированных суперкомпьютерных решений и нарастающая потребность разных слоёв общества в доступных кластерах. Кластеры являются самым дешевым способом наращивания производительности уже установленных компьютеров. Фактически кластер представляет собой набор из нескольких ЭВМ, соединенных через некоторую коммуникационную инфраструктуру. Эти системы характеризует использование отдельных узлов на основе дешёвых и широкодоступных компьютерных комплектующих для серверов и персональных компьютеров и объединённых при помощи мощных коммуникационных систем и специализированных программно-аппаратных решений. Несмотря на кажущуюся простоту, кластеры довольно быстро заняли достаточно большой сегмент суперкомпьютерного рынка, обеспечивая высочайшую производительность при минимальной стоимости решений.

С начала нулевых годов и до настоящего времени разработки продолжаются по обоим направлениям - сложным вопросом для кластерных компьютерных системы систем являются средства коммуникаций, эта проблема постепенно решается. В суперкомпьютерах, представляющих собой единый блок (из таких, в свою очередь состоят кластеры), специфические комплектующие были заменены на серийные, и в данный момент развитие таких системы идет в направлении увеличения количества процессоров. За изменениями в этой области следит специальный рейтинг «Топ-500» (top500.org), созданный Джеком Донгарра (Jack Dongarra).

1.3 Краткая история развития суперЭВМ

Одной из основных проблем, стоявших уже перед разработчиками первых компьютеров, была производительность вычислительной системы. В процессе развития технологий мощность процессора возрастала, однако комплекс побочных факторов - расширение сферы применения вычислительных систем, повышение сложности программного обеспечения и ожиданий увеличившегося числа пользователей - заставили производителей компьютерной техники свернуть с этого прямого и ясного пути. Появилось понятие «суперкомпьютер» и сами представители этого класса вычислительных устройств, открывшие новые горизонты для тех, кому это было необходимо.

В общеупотребительный лексикон термин "суперкомпьютер" вошёл благодаря распространённости компьютерных систем Сеймура Крея, таких как, CDC 6600, CDC 7600, Cray-1, Cray-2, Cray-3 и Cray-4. Сеймур Крей (на рисунке 3 он рядом с первым компьютером, созданным им после ухода из CDC) разрабатывал вычислительные машины, которые, по сути, становились основными вычислительными средствами правительственных, промышленных и академических научно-технических проектов США с середины 60-х годов до 1996 года, когда Cray перестала существовать как самостоятельная компания - её купила Silicon Graphic. Не случайно в то время одним из популярных определений суперкомпьютера было следующее: - "любой компьютер, который создал Сеймур Крей". Сам Крей никогда не называл свои детища суперкомпьютерами, предпочитая использовать вместо этого обычное название "компьютер".



Рисунок 3 - Сеймур Крей рядом с Cray-1

Для повышения производительности практически с самого начала эпохи суперкомпьютеров (начало 1950-х) использовались и совершенствовались параллельные архитектуры.

1953 г. Первым коммерчески доступным компьютером, использующим разрядно-параллельную память (на CRT) и разрядно-параллельную арифметику, стал компьютер IBM 701. К слову будет сказано, наибольшую популярность в то время получила модель IBM 704 (1955 г.), проданная в количестве 150 экземпляров, в которой, помимо упомянутых особенностей, была впервые применена память на ферритовых сердечниках и аппаратное арифметическое устройство с плавающей точкой.

1958г. 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 1958г. 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 - почти 20 лет существования!

1961г. Создается компьютер IBM «Stretch», имеющий 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.

1963г. В Манчестерском университете разработан компьютер ATLAS, использующий конвейерный принцип выполнения команд. Выполнение команд разбито на 4 стадии: выборка команды, вычисление адреса операнда, выборка операнда и выполнение операции, позволившие уменьшить время выполнения команд в среднем с 6 мкс до 1,6 мкс. Справедливости ради надо отметить, что данный компьютер вообще оставил заметный след в истории развития вычислительной техники: помимо сказанного, в нем впервые была использована мультипрограммная операционная система, основанная на использовании виртуальной памяти и системы прерываний.

1964г. Фирма Control Data Corporation (CDC) при непосредственном участии Сеймура Крэя выпускает компьютер CDC-6600 - первый компьютер, в котором использовалось несколько независимых функциональных устройств. Для сравнения с сегодняшним днем приведем некоторые параметры компьютера: время такта 100нс, производительность 2-3 млн. операций в секунду, оперативная память разбита на 32 банка по 4096 60-ти разрядных слов, цикл памяти 1мкс, 10 независимых функциональных устройств. Машина имела громадный успех на научном рынке, активно вытесняя машины фирмы IBM. Внешний вид этого бестселлера от суперкомпьютеров представлен на рисунке 4.



Рисунок 4 - Консоль и основные блоки суперкомпьютера CDC-6600

1969г. CDC выпускает компьютер CDC-7600 с восемью независимыми конвейерными функциональными устройствами - сочетание параллельной и конвейерной обработки.

В 1967 году были начаты работы над проектом ILLIAC IV, первым матричным процессором, объединяющим 256 синхронно работающих процессорных элементов. К концу 1971 года изготовлена система из 64-х процессоров, в 1974г. она введена в эксплуатацию, однако доводка шла до 1975 года. Несмотря на то, что построили в 4 раза меньше задуманного, да и то лишь в одном экземпляре, а денег в результате затратили в 4 раза больше, данный проект оказал огромное влияние на архитектуру последующих машин подобного класса таких, как PEPE, BSP, ICL DAP и ряда других.

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

Компьютерные системы Крея удерживались на вершине рынка в течение 5 лет с 1985 по 1990 годы. 80-е годы XX века охарактеризовались появлением множества небольших конкурирующих компаний, занимающихся созданием высокопроизводительных компьютеров, однако к середине 90-х большинство из них оставили эту сферу деятельности, что даже заставило обозревателей заговорить о "крахе рынка суперкомпьютеров". На сегодняшний день суперкомпьютеры являются уникальными системами, создаваемыми "традиционными" игроками компьютерного рынка, такими как IBM, Hewlett-Packard, NEC и другими, которые приобрели множество ранних компаний, вместе с их опытом и технологиями.

1.4 Современные направления развития суперкомпьютерной техники. Архитектуры современных суперЭВМ

Векторно-конвейерные компьютеры. Особенностью таких машин являются, во-первых, конвейерные функциональные устройства и, во-вторых, набор векторных инструкций в системе команд. В отличие от традиционного подхода, векторные команды оперируют целыми массивами независимых данных, что позволяет эффективно загружать доступные конвейеры. Типичным представителем данного направления является линия векторно-конвейерных компьютеров CRAY компании Cray Research, или, к примеру, однопроцессорный векторный суперкомпьютер FACOM VP-200 (Fujitsu).

Массивно-параллельные компьютеры с распределенной памятью. Идея построения компьютеров этого класса тривиальна: возьмем серийные микропроцессоры, снабдим каждый своей локальной памятью, соединим посредством некоторой коммуникационной среды, например, сетью - вот и все. Достоинств у такой архитектуры масса: если нужна высокая производительность, то можно добавить еще процессоров, а если ограничены финансы или заранее известна требуемая вычислительная мощность, то легко подобрать оптимальную конфигурацию.

Однако есть и решающий "минус", сводящий многие "плюсы" на нет. Дело в том, что межпроцессорное взаимодействие в компьютерах этого класса идет намного медленнее, чем происходит локальная обработка данных самими процессорами. Именно поэтому написать эффективную программу для таких компьютеров очень сложно, а для некоторых алгоритмов иногда просто невозможно. К данному классу можно отнести компьютеры Intel Paragon, IBM SP1, Parsytec, в какой-то степени IBM SP2 и CRAY T3D/T3E, хотя в этих компьютерах влияние указанного недостатка значительно ослаблено.

Параллельные компьютеры с общей памятью. Вся оперативная память таких компьютеров разделяется несколькими одинаковыми процессорами. Это снимает проблемы предыдущего класса, но добавляет новые - число процессоров, имеющих доступ к общей памяти по чисто техническим причинам нельзя сделать большим. В данное направление входят многие современные многопроцессорные SMP-компьютеры, например, сервер HP T600 или Sun Ultra Enterprise 5000. SMP означает «symmetric multiprocessing», симметричное мультипроцессирование, это архитектура в которой два или более одинаковых процессора подключаются к общей памяти.

Кластеры. Последнее направление, строго говоря, не является самостоятельным, а скорее представляет собой комбинации предыдущих трех. Из нескольких процессоров, традиционных или векторно-конвейерных, и общей для них памяти формируется вычислительный узел. Если вычислительной мощности полученного узла не достаточно, то объединяется несколько узлов высокоскоростными каналами. Подобную архитектуру, естественно, называют кластерной. По такому принципу построены CRAY SV1, HP Exemplar, Sun StarFire, NEC SX-5 и другие. Именно это направление является наиболее перспективным в настоящее время.

Рассмотрим подробнее специфику каждого класса.

1.4.1 Векторно-конвейерные компьютеры

Исторически к этому типу принадлежал компьютер Cray-1, который появился в 1976 году. Архитектура его оказалась настолько удачной, что он положил начало целому семейству компьютеров. Название этому семейству компьютеров дали два принципа, заложенные в архитектуре процессоров:

· конвейерная организация обработки потока команд;

· введение в систему команд набора векторных операций, которые позволяют оперировать с целыми массивами данных.

Длина одновременно обрабатываемых векторов в современных векторных компьютерах составляет, как правило, 128 или 256 элементов. Очевидно, что векторные процессоры должны иметь гораздо более сложную структуру и по сути дела содержать множество арифметических устройств. Основное назначение векторных операций состоит в распараллеливании выполнения операторов цикла, в которых в основном и сосредоточена большая часть вычислительной работы. Для этого циклы подвергаются процедуре векторизации с тем, чтобы они могли реализовываться с использованием векторных команд. Как правило, это выполняется автоматически компиляторами при изготовлении ими исполнимого кода программы. Поэтому векторно-конвейерные компьютеры не требовали какой-то специальной технологии программирования, что и явилось решающим фактором в их успехе на компьютерном рынке. Тем не менее, требовалось соблюдение некоторых правил при написании циклов с тем, чтобы компилятор мог их эффективно векторизовать.

Исторически это были первые компьютеры, к которым в полной мере было применимо понятие суперкомпьютер. Как правило, несколько векторно-конвейерных процессоров (2-16) работают в режиме с общей памятью (SMP), образуя вычислительный узел, а несколько таких узлов объединяются с помощью коммутаторов, образуя либо NUMA (Non-Uniform Memory Access -- «неравномерный доступ к памяти», гибридная, совмещает в себе удобства SMP (относительную простоту программирования) и относительную же дешевизну MMP; схематически изображена на рисунке 5), либо MPP систему. Типичными представителями такой архитектуры являются компьютеры CRAY J90/T90, CRAY SV1, NEC SX-4/SX-5. Начиная с середины 90-х годов, когда появились достаточно мощные суперскалярные микропроцессоры, интерес к этому направлению был в значительной степени ослаблен из-за высокой стоимости производства. Суперкомпьютеры с векторно-конвейерной архитектурой стали проигрывать системам с массовым параллелизмом.

Рисунок 5 - Архитектура NUMA



1.4.2 Параллельные компьютеры

1.4.2.1 Основные формы параллелизма

Разработчики компьютеров стремятся к тому, чтобы повысить производительность своих машин. Один из способов заставить процессоры работать быстрее - повышение их тактовой частоты, однако при этом существуют технологические ограничения. Поэтому большинство разработчиков для повышения производительности при данной тактовой частоте процессора используют параллелизм (выполнение двух или более операций одновременно).

Существует две основные формы параллелизма: параллелизм на уровне команд и параллелизм на уровне процессоров. В первом случае параллелизм реализуется за счет запуска большого количества команд каждую секунду. Во втором случае над одним заданием работают одновременно несколько процессоров. Каждый подход имеет свои преимущества.

Параллелизм можно вводить на разных уровнях. На самом низком уровне он может быть реализован в процессоре за счет конвейеризации и суперскалярной архитектуры с несколькими функциональными блоками.

На следующем уровне возможно внедрение в систему внешних плат ЦП с улучшенными вычислительными возможностями. Как правило, в подключаемых процессорах реализуются специальные функции, такие как обработка сетевых пакетов, обработка мультимедийных данных, криптография. Производительность специализированных приложений за счет этих функций может быть повышена в 5-10 раз.

Чтобы повысить производительность в сто, тысячу или миллион раз, необходимо свести воедино многочисленные процессоры и обеспечить их эффективное взаимодействие. Этот принцип реализуется в виде больших мультипроцессорных систем и мультикомпьютеров (кластерных компьютеров). Естественно, объединение тысяч процессоров в единую систему порождает новые проблемы, которые нужно решать.

Наконец, в последнее время появилась возможность интеграции через Интернет целых организаций. В результате формируются слабо связанные распределенные вычислительные сетки, или решетки. Такие системы только начинают развиваться, но их потенциал весьма высок.

Проблемы, присущие многопроцессорным системам с общей памятью, простым и естественным образом устраняются в системах с массовым параллелизмом. Компьютеры этого типа представляют собой многопроцессорные системы с распределенной памятью, в которых с помощью некоторой коммуникационной среды объединяются однородные вычислительные узлы (рисунок 6).

Рисунок 6 - Архитектура систем с распределенной памятью.

Каждый из узлов состоит из одного или нескольких процессоров, собственной оперативной памяти, коммуникационного оборудования, подсистемы ввода/вывода, т.е. обладает всем необходимым для независимого функционирования. При этом на каждом узле может функционировать либо полноценная операционная система (как в системе RS/6000 SP2), либо урезанный вариант, поддерживающий только базовые функции ядра, а полноценная ОС работает на специальном управляющем компьютере (как в системах Cray T3E, nCUBE2).

Процессоры в таких системах имеют прямой доступ только к своей локальной памяти. Доступ к памяти других узлов реализуется обычно с помощью механизма передачи сообщений. Такая архитектура вычислительной системы устраняет одновременно как проблему конфликтов при обращении к памяти, так и проблему когерентности кэш-памяти. Это дает возможность практически неограниченного наращивания числа процессоров в системе, увеличивая тем самым ее производительность.

Успешно функционируют MPP (massive parallel processing, «массивно-параллельная архитектура») системы с сотнями и тысячами процессоров. Производительность наиболее мощных систем достигает 10 триллионов оп/сек (10 Tflops). Важным свойством MPP систем является их высокая степень масштабируемости. В зависимости от вычислительных потребностей для достижения необходимой производительности требуется просто собрать систему с нужным числом узлов.

На практике все, конечно, гораздо сложнее. Устранение одних проблем, как это обычно бывает, порождает другие. Для MPP систем на первый план выходит проблема эффективности коммуникационной среды. Легко сказать: "Давайте соберем систему из 1000 узлов". Но каким образом соединить в единое целое такое множество узлов? Самым простым и наиболее эффективным было бы соединение каждого процессора с каждым. Но тогда на каждом узле потребовалось бы 999 коммуникационных каналов, желательно двунаправленных. Очевидно, что это нереально. Различные производители MPP систем использовали разные топологии.

1.4.2.2 Топологии систем MPP

В компьютерах Intel Paragon процессоры образовывали прямоугольную двумерную сетку. Для этого в каждом узле достаточно четырех коммуникационных каналов. В компьютерах Cray T3D/T3E использовалась топология трехмерного тора. Соответственно, в узлах этого компьютера было шесть коммуникационных каналов. Фирма nCUBE использовала в своих компьютерах топологию n-мерного гиперкуба (рисунок 7).

Рисунок 7 - Топология гиперкуба

Каждая из рассмотренных топологий имеет свои преимущества и недостатки. Отметим, что при обмене данными между процессорами, не являющимися ближайшими соседями, происходит трансляция данных через промежуточные узлы. Очевидно, что в узлах должны быть предусмотрены какие-то аппаратные средства, которые освобождали бы центральный процессор от участия в трансляции данных. В последнее время для соединения вычислительных узлов чаще используется иерархическая система высокоскоростных коммутаторов, как это впервые было реализовано в компьютерах IBM SP2. Такая топология дает возможность прямого обмена данными между любыми узлами, без участия в этом промежуточных узлов.

Системы с распределенной памятью идеально подходят для параллельного выполнения независимых программ, поскольку при этом каждая программа выполняется на своем узле и никаким образом не влияет на выполнение других программ. Однако при разработке параллельных программ приходится учитывать более сложную, чем в SMP системах, организацию памяти. Оперативная память в MPP системах имеет 3-х уровневую структуру:

1. кэш-память процессора;

2. локальная оперативная память узла;

3. оперативная память других узлов.

При этом отсутствует возможность прямого доступа к данным, расположенным в других узлах. Для их использования эти данные должны быть предварительно переданы в тот узел, который в данный момент в них нуждается. Это значительно усложняет программирование. Кроме того, обмены данными между узлами выполняются значительно медленнее, чем обработка данных в локальной оперативной памяти узлов. Поэтому написание эффективных параллельных программ для таких компьютеров представляет собой более сложную задачу, чем для SMP систем.

1.4.3 Кластерные системы

1.4.3.1 Основные виды кластеров

Один из первых архитекторов кластерной технологии Грегори Пфистер (Gregory F. Pfister) дал кластеру следующее определение: «Кластер -- это разновидность параллельной или распределённой системы, которая:

· состоит из нескольких связанных между собой компьютеров;

· используется как единый, унифицированный компьютерный ресурс».

Обычно различают следующие основные виды кластеров:

- отказоустойчивые кластеры (High-availability clusters, HA, кластеры высокой доступности);

- кластеры с балансировкой нагрузки (Load balancing clusters), вычислительные кластеры (Computing clusters);

- GRID- (РИВС-)-системы. В настоящее время распределенную информационно-вычислительную среду (РИВС) принято называть GRID (вычислительная решетка). Распределенная информационно-вычислительная среда состоит, как правило, из разных аппаратно-программных платформ, содержит компьютеры разных классов, в том числе персональные компьютеры, рабочие станции, мейнфреймы, суперЭВМ.

Кластерные технологии стали логическим продолжением развития идей, заложенных в архитектуре MPP систем. Если процессорный модуль в MPP системе представляет собой законченную вычислительную систему, то следующий шаг подсказывает элементарная логика: использовать в качестве таких вычислительных узлов обычные серийно выпускаемые компьютеры. Развитие коммуникационных технологий, а именно, появление высокоскоростного сетевого оборудования и специального программного обеспечения, такого как система MPI, реализующего механизм передачи сообщений над стандартными сетевыми протоколами, сделали кластерные технологии общедоступными. Сегодня не составляет большого труда создать небольшую кластерную систему, типичная схема которой представлена на рисунке 8, объединив вычислительные мощности компьютеров отдельной лаборатории или учебного класса.

Рисунок 8 - Кластерная система

1.4.3.2 Преимущества кластерной организации ЭВМ

· Абсолютная масштабируемость. Возможно создание больших кластеров, превосходящих по вычислительной мощности даже самые производительные одиночные компьютеры. Кластер в состоянии содержать десятки узлов, каждый из которых представляет собой мультипроцессор.

· Наращиваемая масштабируемость. Кластер строится так, что его можно наращивать, добавляя новые узлы небольшими порциями. Таким образом, пользователь может начать с умеренной системы, расширяя ее по мере необходимости.

· Высокий коэффициент готовности. Поскольку каждый узел кластера -- самостоятельная ВМ или ВС, отказ одного из узлов не приводит к потере работоспособности кластера. Во многих системах отказоустойчивость автоматически поддерживается программным обеспечением.

· Превосходное соотношение цена/производительность. Кластер любой производительности можно создать, соединяя стандартные «строительные блоки», при этом его стоимость будет ниже, чем у одиночной ВМ с эквивалентной вычислительной мощностью.

Привлекательной чертой кластерных технологий является то, что они позволяют для достижения необходимой производительности объединять в единые вычислительные системы компьютеры самого разного типа, начиная от персональных компьютеров и заканчивая мощными суперкомпьютерами. Широкое распространение кластерные технологии получили как средство создания систем суперкомпьютерного класса из составных частей массового производства, что значительно удешевляет стоимость вычислительной системы. В частности, одним из первых был реализован проект COCOA, в котором на базе 25 двухпроцессорных персональных компьютеров общей стоимостью порядка $100000 была создана система с производительностью, эквивалентной 48-процессорному Cray T3D стоимостью в несколько миллионов долларов США.

Конечно, о полной эквивалентности этих систем говорить не приходится. Производительность систем с распределенной памятью очень сильно зависит от производительности коммуникационной среды. Коммуникационную среду можно достаточно полно охарактеризовать двумя параметрами: латентностью - временем задержки при посылке сообщения, и пропускной способностью - скоростью передачи информации. Например, для компьютера Cray T3D эти параметры составляют соответственно 1 мкс и 480 Мб/сек, а для кластера, в котором в качестве коммуникационной среды использована сеть Fast Ethernet, 100 мкс и 10 Мб/сек. Это отчасти объясняет очень высокую стоимость суперкомпьютеров. При таких параметрах, как у рассматриваемого кластера, найдется не так много задач, которые могут эффективно решаться на достаточно большом числе процессоров.

Если говорить кратко, то кластер - это связанный набор полноценных компьютеров, используемый в качестве единого вычислительного ресурса. Преимущества кластерной системы перед набором независимых компьютеров очевидны. Во-первых, разработано множество диспетчерских систем пакетной обработки заданий, позволяющих послать задание на обработку кластеру в целом, а не какому-то отдельному компьютеру. Эти диспетчерские системы автоматически распределяют задания по свободным вычислительным узлам или буферизуют их при отсутствии таковых, что позволяет обеспечить более равномерную и эффективную загрузку компьютеров. Во-вторых, появляется возможность совместного использования вычислительных ресурсов нескольких компьютеров для решения одной задачи.

Для создания кластеров обычно используются либо простые однопроцессорные персональные компьютеры, либо двух- или четырех- процессорные SMP-серверы. При этом не накладывается никаких ограничений на состав и архитектуру узлов. Каждый из узлов может функционировать под управлением своей собственной операционной системы. Чаще всего используются стандартные ОС: Linux, FreeBSD, Solaris, Tru64 Unix, Windows NT. В тех случаях, когда узлы кластера неоднородны, то говорят о гетерогенных кластерах.

При создании кластеров можно выделить два подхода. Первый подход применяется при создании небольших кластерных систем. В кластер объединяются полнофункциональные компьютеры, которые продолжают работать и как самостоятельные единицы, например, компьютеры учебного класса или рабочие станции лаборатории. Второй подход применяется в тех случаях, когда целенаправленно создается мощный вычислительный ресурс. Тогда системные блоки компьютеров компактно размещаются в специальных стойках, а для управления системой и для запуска задач выделяется один или несколько полнофункциональных компьютеров, называемых хост-компьютерами. В этом случае нет необходимости снабжать компьютеры вычислительных узлов графическими картами, мониторами, дисковыми накопителями и другим периферийным оборудованием, что значительно уменьшает стоимость системы.

В общем случае кластер функционирует как мультипроцессорная система, поэтому, важно понимать классификацию таких систем в рамках распределения программно-аппаратных ресурсов. Из типов организации мультипроцессорных систем, показанных на рисунках 9, 10 и 11, чаще всего используются реализации кластерной системы в моделях тесно связанной и умеренно связанной архитектур.

Рисунок 9 - Тесно связанная мультипроцессорная система



Рисунок 10 - Умеренно связанная мультипроцессорная система

Рисунок 11 - Слабо связанная мультипроцессорная система

Разработано множество технологий соединения компьютеров в кластер. Наиболее широко в данное время используется технология Fast Ethernet. Это обусловлено простотой ее использования и низкой стоимостью коммуникационного оборудования. Однако за это приходится расплачиваться заведомо недостаточной скоростью обменов. В самом деле, это оборудование обеспечивает максимальную скорость обмена между узлами 10 Мб/сек, тогда как скорость обмена с оперативной памятью составляет 250 Мб/сек и выше. Разработчики пакета подпрограмм ScaLAPACK, предназначенного для решения задач линейной алгебры на многопроцессорных системах, в которых велика доля коммуникационных операций, формулируют следующим образом требование к многопроцессорной системе: "Скорость межпроцессорных обменов между двумя узлами, измеренная в Мб/сек, должна быть не менее 1/10 пиковой производительности вычислительного узла, измеренной в Mflops". Таким образом, если в качестве вычислительных узлов использовать компьютеры с процессорами класса Intel Core 2 Duo 2,4 ГГц (пиковая производительность 19,2 Гфлопс, т. е. 19200 Мфлопс), то аппаратура Fast Ethernet обеспечивает только 1/192 от требуемой скорости. Частично это положение исправляет переход на технологии Gigabit Ethernet.

2. Программное обеспечение суперкомпьютеров

2.1 Назначение суперкомпьютеров. Области использования

Суперкомпьютеры разрабатываются в первую очередь для того, чтобы с их помощью решать сложные задачи, требующие огромных объемов вычислений. При этом подразумевается, что может быть создана единая программа, для выполнения которой будут задействованы все ресурсы суперкомпьютера. Однако не всегда такая единая программа может быть создана или ее создание целесообразно. В самом деле, при разработке параллельной программы для многопроцессорной системы мало разбить программу на параллельные ветви. Для эффективного использования ресурсов необходимо обеспечить равномерную загрузку всех процессоров, что в свою очередь означает, что все ветви программы должны выполнить примерно одинаковый объем вычислительной работы. Однако не всегда этого можно достичь. Например, при решении некоторой параметрической задачи для разных значений параметров время поиска решения может значительно различаться. В таких случаях, видимо, разумнее независимо выполнять расчеты для каждого параметра с помощью обычной однопроцессорной программы. Но даже в таком простом случае могут потребоваться суперкомпьютерные ресурсы, поскольку выполнение полного расчета на однопроцессорной системе может потребовать слишком длительного времени. Параллельное выполнение множества программ для различных значений параметров позволяет существенно ускорить решение задачи. Наконец, следует отметить, что использование суперкомпьютеров всегда более эффективно для обслуживания вычислительных потребностей большой группы пользователей, чем использование эквивалентного количества однопроцессорных рабочих станций, так как в этом случае с помощью некоторой системы управления заданиями легче обеспечить равномерную и более эффективную загрузку вычислительных ресурсов.

В настоящее время, как уже говорилось выше, суперкомпьютерами принято называть компьютеры с вычислительной мощностью, намного превосходящей среднюю мощность недорогих общедоступных компьютеров. Эти машины используются для работы с приложениями, требующими наиболее интенсивных вычислений, в большинстве случаев - для ответа на «большие вызовы» (Grand challenges).

«Grand challenges» - это фундаментальные научные или инженерные задачи с широкой областью применения, эффективное решение которых возможно только с использованием мощных (суперкомпьютерных) вычислительных ресурсов. Основные области, где возникают задачи подобного рода (они же области применения суперкомпьютеров), это:

· Предсказания погоды, климата и глобальных изменений в атмосфере,

· Науки о материалах,

· Построение полупроводниковых приборов,

· Сверхпроводимость,

· Структурная биология,

· Разработка фармацевтических препаратов,

· Генетика человека,

· Квантовая хромодинамика,

· Астрономия,

· Транспортные задачи,

· Гидро- и газодинамика,

· Управляемый термоядерный синтез,

· Эффективность систем сгорания топлива,

· Разведка нефти и газа,

· Вычислительные задачи наук о мировом океане и т. д.

· Вычислительные мощности Вооруженных Сил: на РЛС и т. п.

Исключительность значения каждой из сфер в том числе отличает их от серверов и мэйнфреймов (англ. mainframe) -- компьютеров с высокой общей производительностью, призванных решать типовые задачи (например, обслуживание больших баз данных или одновременная работа с множеством пользователей).

2.2 Вычислительная мощность компьютера (ВМ)

2.2.1 Вариативность определения

В свете предстоящего разбора характеристик программного обеспечения необходимо подробнее ознакомиться с тем, как именно определяется производительность компьютера.

Вычислительная мощность компьютера (производительность компьютера) -- это количественная характеристика скорости выполнения определённых операций на компьютере. Чаще всего вычислительная мощность измеряется в флопсах (количество операций с плавающей точкой в секунду), а также производными от неё. Планка мощности компьютеров, для которых определена приставка «супер», в настоящее время постоянно изменяется в сторону увеличения.

Существует несколько сложностей при определении вычислительной мощности суперкомпьютера. Во-первых, следует иметь в виду, что производительность системы может сильно зависеть от типа выполняемой задачи. В частности, отрицательно сказывается на вычислительной мощности необходимость частого обмена данных между составляющими компьютерной системы, а также частое обращение к памяти. В связи с этим выделяют пиковую вычислительную мощность -- гипотетически максимально возможное количество операций над числами с плавающей запятой в секунду, которое способен произвести данный суперкомпьютер. Важную роль играет также разрядность значений, обрабатываемых программой (обычно имеется в виду формат чисел с плавающей запятой).

Оценка реальной вычислительной мощности производится путём прохождения специальных тестов (бенчмарков, benchmarks) -- набора программ, специально предназначенных для проведения вычислений и измерения времени их выполнения. Обычно оценивается скорость решения системой большой системы линейных алгебраических уравнений, что обусловливается, в первую очередь, хорошей масштабируемостью этой задачи количеством уравнений.

суперкомпьютер векторный программный обеспечение

2.2.2 Тесты производительности

Наиболее популярным тестом производительности является Linpack benchmark. В частности, HPL (альтернативная реализация Linpack) используется для составлении Топ-500 листа суперкомпьютеров в мире (top500.org). Тест состоит в решении системы линейных арифметических уравнений методом LU-факторизации c выбором ведущего элемента столбца, где A - плотно заполненная матрица размерности N (первоначальный, «классический» вариант Linpack решал задачу размерности 100). Производительность в тесте Linpack измеряется в количестве производимых операций с плавающей запятой в секунду. Единицей измерения является 1 флопс, то есть одна такая операция в секунду. Поскольку количество операций, необходимое для решения задачи Linpack, известно с самого начала и зависит от ее размерности, измеряемая характеристика производительности получается как простое частное от деления этого известного числа операций на время, затраченное на решение задачи.

С течением времени и увеличении вычислительной мощности компьютеров, размерность теста Linpack была увеличена до 1000. Однако с появлением все более мощных вычислительных систем и эта размерность стала чересчур малой, более того, для тестирования кластерных систем была создана отдельная версия теста в которой размерность матрицы (и некоторые другие параметры) не являются фиксированными, а задаются пользователем теста.

Первоначально тест был написан на языке Fortran (и сейчас часто используется эта версия теста), однако для тестирования кластерных систем существует версия на языке C. Основное время теста (свыше 75% времени выполнения) занимает внутренний цикл, выполняющий типичную для действий с матрицами операцию.

Другими популярными программами для проведения тестирования являются NAMD (решение задач молекулярной динамики), HPCC (HPC Challenge benchmark), NAS Parallel Benchmarks.

2.3 Операционная система (ОС)

2.3.1 Linux

Операционная система. Обычно используется система Linux (93.8% от общего числа на конец 2012 г). Также продолжает использоваться Unix-система UNICOS (название нескольких вариантов операционной системы Unix, созданных компанией Cray для своих суперкомпьютеров). В кластерных системах, как было замечено выше, используются смешанные (mixed) программные решения. На долю Windows и BSD-решений остаются скромные 0, 8%. Процентное соотношение используемых ОС представлено на диаграмме на рисунке 12.

Рисунок 12 - Процентное соотношение используемых ОС

В ОС Linux имеется поддержка симметричных многопроцессорных архитектур, причем ее реализация не потребовала специальных серьезных изменений в ядре; в рамках постепенной эволюции ядра к нему был добавлен минимальный набор необходимых примитивов.

Обычно используется система Linux в версиях, специально оптимизированных под распределенные параллельные вычисления. Оптимизация во многом заключалась в переработке ядра системы под новые задачи. В процессе построения кластеров выяснилось, что стандартные драйверы сетевых устройств в Linux весьма неэффективны. Поэтому были разработаны новые драйверы, в первую очередь для сетей Fast Ethernet и Gigabit Ethernet, и обеспечена возможность логического объединения нескольких параллельных сетевых соединений между персональными компьютерами (аналогично аппаратному связыванию каналов), что позволяет из дешевых локальных сетей, обладающих низкой пропускной способностью, соорудить сеть с высокой совокупной пропускной способностью. Как и в любом кластере, на каждом узле кластера исполняется своя копия ядра ОС. Благодаря доработкам обеспечена уникальность идентификаторов процессов в рамках всего кластера, а не отдельных узлов.

Абсолютно независимые процессы, не использующие совместных ресурсов, будут работать, по возможности используя каждый свой процессор со своей же порцией оперативной памяти, а их общая производительность при использовании двух процессоров вместо одного будет вдвое больше. Использование специальных средств координации необходимо только в том случае, когда два процесса пытаются одновременно получить доступ к одному ресурсу, как правило, лежащему в памяти. В этом случае операционная система должна организовать доступ к нему так, чтобы один процессор случайно не испортил результаты работы другого. Для этого в ОС Linux предусмотрена система контроля доступа к областям памяти и блокировок на чтение и запись.

...