Изучение аппаратного и программного обеспечения персонального компьютера

2.3.2 UNICOS

Unicos обеспечивала работу сетевых кластеров и совместимость на уровне исходного кода с некоторыми другими разновидностями Unix. Unicos впервые была представлена в 1985 году, в качестве операционной системы суперкомпьютера Cray-2, а позднее была портирована и на другие модели Cray. Изначально основу Unicos составляла System V.2 с многочисленными добавлениями возможностей BSD (например, расширенные сетевые функции и улучшения файловой системы).

Изначально система, известная сейчас как Unicos, носила название CX-OS. Это была экспериментальная система, работавшая на Cray X-MP в 1984 году до портирования на Cray-2. Она использовалась для демонстрации применимости Unix на суперкомпьютерах, прежде всего на доступном аппаратном обеспечении компании Cray.

Обновление операционной системы было частью более большого движения внутри Cray Research по модернизации программного обеспечения предлагаемого компанией, включая переписывание её наиболее важного продукта, компилятора Фортрана, на языке более высокого уровня (Паскаль) с более современными оптимизацией и векторизацией.

2.3.3 Windows Compute Cluster Server

В 2006 году корпорация Майкрософт выпустила системы Windows Server 2003 Compute Cluster Edition (CCE) и Windows Compute Cluster Server 2003 (WCCS), призванные обеспечить выполнение требований широкого ряда HPC-приложений. WCCS отличается от CCE только наличием пакета Microsoft® Compute Cluster Pack (CCP).

Высокопроизводительные вычисления (High Performance Computing, HPC) -- это раздел прикладной информатики, занимающийся в основном поиском путей решения задач, требующих большого количества вычислительных ресурсов.

Как было упомянуто ранее, вычислительные кластеры предъявляют ряд базовых требования, которые выполняются путем установки пакета Compute Cluster Pack. CCP -- это самостоятельный установочный пакет, включающий в себя следующие компоненты:

· поддержку интерфейса MPI (Message Passing Interface, интерфейс передачи сообщений) для отраслевого стандарта MPICH2;

· инструменты пользователя;

· средства управления ресурсами кластера;

· встроенный планировщик заданий.

2.4 Организация параллельных вычислений

В вычислительных системах с распределенной памятью процессоры работают независимо друг от друга. Для организации параллельных вычислений в таких условиях необходимо иметь возможность распределять вычислительную нагрузку и организовать информационное взаимодействие (передачу данных) между процессорами.

Наиболее распространёнными программными средствами суперкомпьютеров, также как и параллельных или распределённых компьютерных систем, являются интерфейсы программирования приложений (API) на основе MPI и PVM, и решения на базе программного обеспечения, позволяющего создавать суперкомпьютеры даже на базе обыкновенных рабочих станций и персональных компьютеров. Среди пользователей Linux популярны несколько программ:

1. MPICH, distcc - специализированные средства для распараллеливания работы программ.

2. Linux Virtual Server, Linux-HA -- узловое ПО для распределения запросов между вычислительными серверами.

3. MOSIX, openMosix, Kerrighed, OpenSSI -- полнофункциональные кластерные среды, встроенные в ядро, автоматически распределяющие задачи между однородными узлами. OpenSSI, openMosix и Kerrighed создают среду единой операционной системы между узлами.

Как было сказано выше, интерфейсы API обычно строятся на основе MPI и PVM. MPI (Message Passing Interface - интерфейс передачи сообщений), PVM (Parallel Virtual Machine - параллельная виртуальная машина).

Обе системы реализуют модель передачи сообщений, содержат библиотеки функций и подпрограмм для стандартных языков программирования С, С++, Fortran обеспечивают взаимодействия "точка-точка" и групповые. В то же время системы имеют и существенные отличия.

И PVM, и MPI предоставляют возможность логической связи машин в единую вычислительную систему. И PVM, и MPI содержит больше количество библиотек разработки параллельных программ для языков Fortran, C, Python, Java а так же для многих других. Обе системы реализуют модель передачи сообщений.

2.5 Прикладное программное обеспечение

2.5.1 Наиболее популярные параллельные прикладные программные пакеты

Иногда суперкомпьютеры используются для работы только с одним приложением, использующим всю память и все процессоры системы; в других случаях они обеспечивают выполнение большого числа разнообразных приложений.

Сегодня можно говорить о том, что практически для всех задач суперкомпьютинга успешно применяются кластерные системы -- от расчетов для науки и промышленности до управления базами данных. Фактически любые приложения, требующие высокопроизводительных вычислений, имеют сейчас параллельные версии, которые позволяют разбивать задачу на фрагменты и обсчитывать ее параллельно на многих узлах кластера. Например, для инженерных расчетов (прочностные расчеты, аэромеханика, гидро- и газодинамика) традиционно применяются так называемые сеточные методы, когда область вычислений разбивается на ячейки, каждая из которых становится отдельной единицей вычислений. Эти ячейки обсчитываются независимо на разных узлах кластера, а для получения общей картины на каждом шаге вычислений происходит обмен данными, распространенными в пограничных областях.

Инженерные:

- СFD, CAD, CAE, т. е. гидро- и газодинамика, прочностной анализ, проектирование и расчет конструкций: программные пакеты FLUENT компании Fluent, пакеты STAR-CD и STAR CCM+, MAGMASOFT, Altair HyperWorks, в том числе российская разработка FlowVision от компании «ТЕСИС».
- расчеты столкновения конструкций и FEA (конечно-элементный анализ): LS-DYNA от LSTC, программные пакеты от ABAQUS, ANSYS, MSC.Software; поиск новых лекарств, генетика и др. -- программные пакеты от TurboWorx;

- ПО для обработки геофизических данных для нефтедобывающей отрасли: программные средства компаний Paradigm, Schlumberger.

Статистика использования суперкомпьютеров по областям применения сведена в таблице 1.

Таблица 1 - Статистика использования суперкомпьютеров

2.5.2 Программное обеспечение специализированных областей

2.5.2.1 Программная система ANSYS

ANSYS -- универсальная программная система конечно-элементного (МКЭ) анализа, существующая и развивающаяся на протяжении последних 30 лет, является довольно популярной у специалистов в области компьютерного инжиниринга (CAE, Computer-Aided Engineering) и КЭ решения линейных и нелинейных, стационарных и нестационарных пространственных задач механики деформируемого твёрдого тела и механики конструкций, теплопередачи и теплообмена, электродинамики, акустики, а также механики связанных полей.

Моделирование и анализ в некоторых областях промышленности позволяет избежать дорогостоящих и длительных циклов разработки типа «проектирование -- изготовление -- испытания». Система работает на основе геометрического ядра Parasolid.

Программная система ANSYS является довольно известной в своей области системой, которая используется на таких известных предприятиях, как ABB, BMW, Boeing, Caterpillar, Daimler-Chrysler, Exxon, FIAT, и др.

2.5.2.2 Программный комплекс STAR-CD

STAR-CD -- многоцелевой CFD программный комплекс, предназначенный для проведения расчетов в области механики жидкости и газа. STAR-CD не является единственным расчетным пакетом, охватывающим данную область, аналогичными возможностями обладают программные пакеты ANSYS-CFX и FLUENT.

Аббревиатура «STAR» означает Simulation of Turbulent flows in Arbitrary Regions - моделирование турбулентных потоков в произвольных геометрических областях.

STAR-CD позволяет решать задачи в следующих областях:

- стационарные и нестационарные течения,

- ламинарные течения,

- турбулентные течения,

- сжимаемые и несжимаемые (включая около- и сверхзвуковые),

- теплоперенос (конвективный, радиационный, теплопроводность с учетом твердых тел),

- массоперенос,

- химические реакции, и др.

2.5.2.3 Программный комплекс LS-DYNA

LS-DYNA -- многоцелевой конечно-элементный комплекс, разработанный Livermore Software Technology Corp. (LSTC) -- предназначена для анализа высоконелинейных и быстротекущих процессов в задачах механики твердого и жидкого тела. Разработка данного программного продукта была начата в начале 70х годов. Первая коммерческая версия программы выпущена в 1976 г.

Программа была первой в своей области и послужила основой для всех современных пакетов высоконелинейного анализа, оставаясь на лидирующих позициях до сегодняшнего дня. Предназначение LS-DYNA: нелинейная динамика, теплоперенос, теплообмен, термомеханика, разрушение и развитие трещин, контакт, квазистатика, Эйлерово и произвольное Лагранж-Эйлерово поведение (Arbitrary Lagrangian-Eulerian, ALE), акустика, многодисциплинарный связанный анализ (взаимодействие потоков жидкостей и газов с деформируемой конструкцией, например, колебания жидкости в баках, связанные термомеханические задачи и др.). LS-DYNA содержит более 130 уравнений состояния материалов и 25 контактных алгоритмов.

В числе приложений: моделирование взрывов, краш-тестов, сейсмика, обработка металлов давлением и др. Исследование поведения материалов (прокат листовой и объемный, ковка, глубокая листовая штамповка-вытяжка, экструдирование, и пр.).

Программный код полностью распараллелен и векторизован (первые версии LS-DYNA работали на компьютерах CDC-7600 и CRAY-1). Поддерживается декомпозиция заданий на сетевых кластерах (в т.ч. из персональных компьютеров).

2.5.2.4 Система решения задач NAMD

NAMD (Nanoscale Molecular Dynamics) -- бесплатная программа для молекулярной динамики, написанная с использованием модели параллельного программирования Charm++, обладающей высокой эффективностью распараллеливания и часто используемой для симуляции больших систем (миллионы атомов). Программа была создана совместно Группой Теоретической и Вычислительной Биофизики (TCB) и Лабораторией параллельного программирования (Parallel Programming Laboratory) из Иллинойсского университета в Урбане и Шампейне.

Программа была анонсирована в 1995 г Нельсоном и др. как параллельная программа для молекулярной динамики, включающая интерактивное моделирование, связанное с программой визуализации VMD.

2.5.2.5 Приложение Shake

Shake от компании Apple является единственным компоновочным приложением с полным набором инструментов для создания составных изображений, подходящих как для отдельных художников, так и для студий, занимающихся созданием визуальных эффектов. Shake 4 предоставляет все необходимые инструменты для создания самых изощренных визуальных эффектов для кино- и телевизионных проектов. И уже в течение более чем десяти лет является основным инструментом создания спецэффектов в завоевывавших престижные награды фильмах, и не только в них. Программа Shake приобрела широкое распространение довольно давно, но и по сей день её инструментарий не теряет актуальности: в частности, с ее помощью были отредактированы многие из вновь выпущенных в прокат фильмов, например "Человек-паук", "Я легенда", и т. п.

3. Практическая часть

Для выполнения практической части мной была использована программа MS Power Point из пакета MS Office 2010. Работа в ней заключалась в составлении слайд-шоу из изображений и кратких текстовых пояснений к ним. В данной презентации демонстрируются некоторые модели суперкомпьютеров (рисунок 13), а также схемы структурной организации различных их типов (рисунок 14).

Рисунок 13 - Создание презентации (эпизод 1)

Рисунок 14 - Создание презентации (эпизод 2)

Средствами MS Power Point мне удалось осуществить организацию в необходимой последовательности изображений и сопроводительного текста, установив при этом различные переходы между слайдами (рисунок 15), а также определить другие визуальные эффекты демонстрационного проекта: дизайн презентации, его цветовую гамму, а также способ появления текста на экране.

Рисунок 15 - Создание презентации (эпизод 3)

Произведение анализа средств, привлеченных к работе над данным проектом, показало, что MS Power Point как средство разработки презентаций обладает мощными и разнообразными средствами представления демонстрационного материала, а также крайне эргономичным интерфейсом.

Заключение

Непродолжительное время назад суперкомпьютеры являлись специализированным инструментом, доступным только небольшим прослойкам наиболее «государственно необходимых» специалистов - криптоаналитикам, ученым, работающим в стратегически важных областях, и т. п. Однако развитие программных и аппаратных средств - с сопутствующим этому процессу повышением производительности до нынешних сверхвысоких параметров - позволило снизить планку стоимости и доступности этих машин. Как следствие, аудитория постоянных пользователей за относительно короткое время увеличилась в разы. Плодами деятельности суперкомпьютеров сейчас пользуются не только традиционные потребители подобных вычислительных мощностей - аэрокосмическая, автомобильная, судостроительная и радиоэлектронная отрасли промышленности - но и гораздо больше нуждавшиеся в них исследователи в точных областях науки.

Развитие вычислительной техники характеризуется тем, что на каждом этапе новых разработок требования к производительности значительно превышают возможности элементной базы.

Это обусловлено увеличением количества задач, требующих концентрации вычислительных мощностей - необязательно в одном корпусе, но совершенно точно - на одной, решаемой, задаче. К такому росту в настоящее время приводят пресловутые все ускоряющиеся темпы НТП, гонки технологий, прямым условием конкурентоспособности в которой является наличие необходимых вычислительных мощностей.

Добиваться повышения производительности компьютеров только за счет увеличения тактовой частоты становится все сложнее, так как появляется проблема отвода тепла. Поэтому разработчики обратили свое внимание на параллелизм как на средство ускорения вычислений.

В работе мы рассмотрели направления развития современной суперкомпьютерной техники, ознакомились с основными типами аппаратных архитектур суперЭВМ и их аппаратного состава в целом, а также с разнообразием программного обеспечения, обеспечивающего столь успешное на сегодняшний день выполнение своих задач машинами данного класса, убедились в том, что будущее науки неразделимо с понятием «сверхмощных вычислительных систем».

Список литературы

1 Бройдо В.Л. Архитектура ЭВМ и систем / В.Л. Бройдо, О.П. Ильина. - СПб.: Питер, 2009. - 720 с.

2 Воеводин В.В. Параллельные вычисления / В.В. Воеводин, Вл.В. Воеводин. - СПб.: БХВ-Петербург, 2004. - 608 с.

3 Корнеев В.В. Вычислительные системы / В.В. Корнеев. - М.: Гелиос АРВ, 2004, - 512 с.

4 Таненбаум Э. Современные операционные системы / Э. Таненбаум. - СПб.: Питер, 2011. - 1120 с.

5 Как построить и использовать суперкомпьютер / А.О. Лацис. - М.: Бестселлер, 2003. - 240 с.

Размещено на Allbest.ru