Суперкомпьютеры и особенности их архитектуры

К суперкомпьютерам относятся мощные многопроцессорные вычислительные машины с быстродействием сотни миллионов — десятки миллиардов операций в секунду. Типовая модель современного суперкомпьютера имеет следующие характеристики:

Ÿ высокопараллельная многопроцессорная вычислительная система с быстродействием порядка 100 000 MfloPS и выше;

Ÿ емкость оперативной памяти 10 Гбайт и выше;

Ÿ емкость дисковой памяти 1-10 Тбайт (1 Тбайт = 1000 Гбайт);

Ÿ разрядность 64 -128 бит.

В 1996 года фирма Intel создала суперкомпьютер Sandia, впервые в мире преодолевшего терафлопный барьер быстродействия. За 1 час 40 минут компьютер выполнил 6,4 квадриллиона вычислений с плавающей запя­той. Конфигурация, достигшая производительности 1060 MFLoPS по тесту МР Linpack, представляла собой 57 шкафов, содержащих более 7000 процессоров Pentium Pro с тактовой частотой 200 МГц и оперативную память 454 Гбайт. Окончательный вариант суперкомпьютера имеет производительность 1,4 TFLoPS. Он состоит из 86 шкафов общей площадью 160 кв. м. В этих шкафах размещается 573 Гбайт оперативной и 2250 Гбайт дисковой памяти. Масса компьютера состав­ляет около 45 тонн, а потребление энергии — 850 кВт.

В 2001 году фирма IBM разработала суперкомпьютер содержащий более миллиона микропроцессоров Pentium III и имеющий быстродействие порядка 10¹⁵ операций/с. Создать такие высокопроизводительные компьютеры на одном микропроцессоре (МП) не возможно, так как при скорости распространения электромагнитных волн (300 000 км/с), время распространения сигнала на расстояние несколько миллиметров (линейный размер стороны МП) при быстродействии 100 млрд операций/с, становится соизмеримым со временем выполнения одной операции. Поэтому суперкомпьютеры создаются в виде параллельных многопроцессорных вычислительных систем (МПВС), которые имеют следующие разновидности:

a) магистральные (конвейерные) МПВС

Процессоры у таких систем одновременно выполняют разные операции над последовательным потоком обрабатываемых данных. Такие МПВС относят к системам с множественным потоком команд и однократным потоком данных (МКОД или MISD — Multiple Instruction Single Data);

b) векторные МПВС

У таких систем все процессоры одновременно выполняют одну команду над различными данными — однократный поток команд с множественным потоком данных (ОКМД или SIMD — Single Instruction Multiple Data);

c) Матричные МПВС

Процессоры этих систем одновременно выполняют разные операции над последовательными потоками обрабатываемых данных — множественный поток команд с множественным потоком данных (МКМД или MIMD — Multiple Instruction Multiple Data).

Условные структуры названных ВС показаны на рисунке 1.3.

В сфере производства суперкомпьютеров Россия представила собственные оригинальные модели компьютеров типа «Эльбрус 3Б» с производительностью 20000 MFloPS, для которых был разработан процессор «Эль 2К», имеющий VLIW-архитектуру.

Рисунок 1.3 − Условные структуры МПВС

а) структура ОКОД (SISD) однопроцессорной суперЭВМ; б) структура МКОД (MISD) конвейерной (магистральной) суперЭВМ; в) структура ОКМД (SIMD) векторной суперЭВМ; г) структура МКМД (MIMD) матричной суперЭВМ

d) Кластерные суперкомпьютеры

В настоящее время развивается технология построения больших и суперкомпьютеров на базе кластерных решений. Это группы высокопроизводительных серверов, объединяемых в кластер. Если говорить кратко, то кластер - это связанный набор полноценных компьютеров, используемый в качестве единого вычислительного ресурса. Преимущества кластерной системы перед набором независимых компьютеров:

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;

во-вторых, появляется возможность совместного использования вычислительных ресурсов нескольких компьютеров для решения одной задачи.

Важной особенностью кластеров является обеспечение доступа любого сервера к любому блоку как оперативной, так и дисковой памяти.

Основные достоинства кластерных суперкомпьютерных систем:

Ÿ высокая суммарная производительность;

Ÿ высокая надежность работы системы;

Ÿ наилучшее соотношение производительность/стоимость;

Ÿ возможность динамического перераспределения нагрузок между серверами;

Ÿ легкая масштабируемость, то есть наращивание вычислительной мощности путем подключения дополнительных серверов;

Большие компьютеры

Большие компьютеры часто называют мэйнфреймами(mainframe); к ним относят, как правило, компьютеры, имеющие:

Ÿ производительность не менее 100 MIPS;

Ÿ основную память емкостью от 512 до 10 000 Мбайт;

Ÿ внешнюю память не менее 100 Гбайт;

Ÿ многопользовательский режим работы (обслуживают одновременно от 16 до 1000 пользователей).

Основные направления эффективного применения мэйнфреймов это решение научно-технических задач, работа в вычислительных системах с пакетной обработкой информации, работа с большими базами данных, управление вычислительными сетями и их ресурсами. Последнее направление использование мэйнфреймов в качестве больших серверов вычислительных сетей наиболее актуальное.

Рейтинг мэйнфреймовопределяется по следующим показателям:

Ÿ надежность;

Ÿ производительность;

Ÿ емкость основной и внешней памяти;

Ÿ время обращения к основной памяти;

Ÿ время доступа и трансферт внешних запоминающих устройств;

Ÿ характеристики кэш-памяти;

Ÿ количество каналов и эффективность системы ввода- вывода;

Ÿ аппаратная и программная совместимость с другими компьютерами;

Ÿ поддержка сети и т. д.

Малые компьютеры

Малые компьютеры (мини-ЭВМ)— надежные, недорогие компьютеры обладающие более низкими, по сравнению с мэйнфреймами, возможностями. Мини-компьютеры (и наиболее мощные из них супермини-компьютеры) обладают следующими характеристиками:

Ÿ производительность — до 1000 MIPS;

Ÿ емкость основной памяти — до 8000 Мбайт;

Ÿ емкость дисковой памяти — до 1000 Гбайт;

Ÿ число поддерживаемых пользователей — 16-1024.

Все модели мини-компьютеров разрабатываются на основе

микропроцессорных наборов интегральных микросхем, 32-, 64- и 128-разрядных микропроцессоров. Основные их особенности:

Ÿ широкий диапазон производительности;

Ÿ аппаратная реализация системных функций ввода-вывода информации;

Ÿ простая реализация микропроцессорных и многомашинных систем;

Ÿ высокая скорость обработки прерываний;

Ÿ возможность работы с форматами данных различной длины.

К достоинствам мини-компьютеров можно отнести:

Ÿ специфичную архитектуру с большой модульностью;

Ÿ лучшее соотношение производительность/цена;

Ÿ повышенная точность вычислений.

Мини-компьютеры ориентированы на использование в качестве управляющих вычислительных комплексов. Традиционная для подобных комплексов широкая номенклатура периферийных устройств дополняется блоками межпроцессорной связи, благодаря чему обеспечивается реализация вычислительных систем с изменяемой структурой. Наряду с использованием мини-компьютеров для управления технологическими процессами, они успешно применяются для вычислений в многопользовательских вычислительных системах, в системах автоматизированного проектирования, в системах моделирования несложных объектов, в системах искусственного интеллекта.

Микрокомпьютеры

Микрокомпьютерывесьма многочисленны и разнообразны. Они классифицируются в зависимости от характеристик и сфер применения. Один из вариантов классификации представлен на рисунке 1.4.

Многопользовательские микрокомпьютеры — это мощные микрокомпьютеры, оборудованные несколькими видеотерминалами и работающие в режиме разделения времени, что позволяет эффективно работать на них сразу нескольким пользователям.

Персональные компьютеры — однопользовательские микрокомпьютеры, удовлетворяющие требованиям общедоступности и универсальности применения.

Рабочие станции (work station) представляют собой однопользовательские микрокомпьютеры, часто специализированные для выполнения определенного вида работ (графических, инженерных, издательских и т. д.).

Серверы (server) — многопользовательские, мощные микрокомпьютеры в вычислительных сетях, выделенные для обработки запросов от всех рабочих станций сети.

Сетевые компьютеры (network computer) — упрощенные микрокомпьютеры, обеспечивающие работу в сети и доступ к сетевым ресурсам, часто специализированные на выполнении определенного вида работ (защита сети от несанкционированного доступа, организация просмотра сетевых ресурсов, электронной почты и т. д.).