Мультипроцессоры с коммутируемой архитектурой

Для построения мультипроцессорной системы с более чем 256 процессорами для соединения процессоров с памятью необходимы другие методы. Один из вариантов - разделить общую память на модули и связать их с процессорами через коммутирующую решетку.

Рис. 2.3. Коммутирующая решетка

Как видно из рис. 2.3, с ее помощью каждый процессор может быть связан с любым модулем памяти. Каждое пересечение представляет собой маленький электронный узловой коммутатор, который может открываться и закрываться аппаратно. Когда процессор желает получить доступ к конкретному модулю памяти, соединяющие их узловые коммутаторы мгновенно открываются, организуя запрошенный доступ. Достоинство узловых коммутаторов в том, что к памяти могут одновременно обращаться несколько процессоров, хотя если два процессора одновременно хотят получить доступ к одному и тому же участку памяти, то одному из них придется подождать.

Рис. 2.4. Омега - сеть

Недостатком коммутирующей решетки является то, что при наличии п процессоров и п модулей памяти нам потребуется узловых коммутаторов. Для больших значений п это число может превысить наши возможности. Обнаружив это, человечество стало искать и нашло альтернативные коммутирующие сети, требующие меньшего количества коммутаторов. Один из примеров таких сетей - омега-сеть, представленная на рис. 2.4. Эта сеть содержит четыре коммутатора 2x2, то есть каждый из них имеет по два входа и два выхода. Каждый коммутатор может соединять любой вход с любым выходом. Если внимательно изучить возможные положения коммутаторов, становится ясно, что любой процессор может получить доступ к любому блоку памяти. Недостаток коммутирующих сетей состоит в том, что сигнал, идущий от процессора к памяти или обратно, вынужден проходить через несколько коммутаторов. Поэтому, чтобы снизить задержки между процессором и памятью, коммутаторы должны иметь очень высокое быстродействие, а дешево это не дается.

2.3.3.3. Гомогенные мультикомпьютерные системы

В отличие от мультипроцессоров построить мультикомпьютерную систему относительно несложно. Каждый процессор напрямую связан со своей локальной памятью. Единственная оставшаяся проблема — это общение процессоров между собой. Понятно, что и тут необходима какая-то схема соединения, но поскольку нас интересует только связь между процессорами, объем трафика будет на несколько порядков ниже, чем при использовании сети для поддержания трафика между процессорами и памятью.

Сначала мы рассмотрим гомогенные мультикомпьютерные системы. В этих системах, известных под названием системиых сетей, узлы монтируются в большой стойке и соединяются единой, обычно высокоскоростной сетью. Как и в предыдущем случае, нам придется выбирать между системами на основе шинной архитектуры и системами на основе коммутации.

Гомогенные мультикомпьютерные системы с шинной архитектурой

В мультикомпьютерных системах с шинной архитектурой процессоры соединяются при помощи разделяемой сети множественного доступа, например Fast Ethernet. Скорость передачи данных в сети обычно равна 100 Мбит/с. Как и в случае мультипроцессоров с шинной архитектурой, мультикомпьютерные системы с шинной архитектурой имеют ограниченную масштабируемость. В зависимости от того, сколько узлов в действительности нуждаются в обмене данными, обычно не следует ожидать высокой производительности при превышении системой предела в 25-100 узлов.

В коммутируемых мультикомпьютерных системах сообщения, передаваемые от процессора к процессору, маршрутизируются в соединительной сети в отличие от принятых в шинной архитектуре широковещательных рассылок. Было предложено и построено множество различных топологий. Две популярные топологии — квадратные решетки и гиперкубы.

Рис. 2.5. Решетка

Гиперкуб (hypercube) представляет собой куб размерности п. Гиперкуб, показанный на рис. 2.6 четырехмерен. Его можно представить в виде двух обычных кубов, с 8 вершинами и 12 ребрами каждый. Каждая вершина - это процессор. Каждое ребро - это связь между двумя процессорами. Соответствующие вершины обоих кубов соединены между собой. Для расширения гиперкуба в пятое измерение мы должны добавить к этой фигуре еще один комплект из двух связанных кубов, соединив соответствующие вершины двух половинок фигуры. Таким же образом можно создать шестимерный куб, семимерный и т. д.

Рис. 2.6. Гиперкуб

Решетки просты для понимания и удобны для разработки на их основе печатных плат. Они прекрасно подходят для решения двухмерных задач, например задач теории графов или компьютерного зрения (глаза робота, анализ фотографий).

Гомогенные мультикомпьютерные системы с коммутируемой архитектурой

Коммутируемые мультикомпьютерные системы могут быть очень разнообразны. На одном конце спектра лежат процессоры с массовым параллелизмом {Massively Parallel Processors, МРР), гигантские суперкомпьютеры стоимостью во много миллионов долларов, содержащие тысячи процессоров. Нередко они собираются из тех же процессоров, которые используются в рабочих станциях или персональных компьютерах. От других мультикомпьютерных систем их отличает наличие патентованных высокоскоростных соединительных сетей. Эти сети проектируются в расчете на малое время задержки и высокую пропускную способность. Кроме того, предпринимаются специальные меры для защиты системы от сбоев. При наличии тысяч процессоров каждую неделю как минимум несколько будут выходить из строя. Нельзя допустить, чтобы поломка одного из них приводила к выводу из строя всей машины.

На другом конце спектра мы обнаруживаем популярный тип коммутируемых микрокомпьютеров, известных как кластеры рабочих станций {Clusters Of Workstations, COW), основу которых составляют стандартные персональные компьютеры или рабочие станции, соединенные посредством коммерческих коммуникационных компонентов, таких как карты Myrinet. Соединительные сети — вот то, что отличает COW от МРР. Кроме того, обычно не предпринимается никаких особых мер для повышения скорости ввода-вывода или защиты от сбоев в системе. Подобный подход делает COW проще.

Дата добавления: 2015-05-09