Архитектура вычислительных систем

Под вычислительной системой (ВС)понимается совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих процессоров или ЭВМ, пе­риферийного оборудования и программного обеспечения, предназна­ченная для сбора, хранения, обработки и распределения информации(Слайд 2).

Суперкомпьютеры и кластерные системы.

Многомашинные и многопроцессорные ВС.

(Слайд 1)

1. Определение и классификация вычислительных систем

1.1. Классификация ВС по назначению

1.2. Классификация ВС по типу построения

1.3. Классификация ВС по типу ЭВМ или процессоров

1.4. Классификация ВС по степени территориальной разобщенности вычислительных модулей

1.5. Классификация ВС по методам управления элементами ВС

1.6. Прочие классификационные признаки ВС

2. Архитектура вычислительных систем

3. Многопроцессорные структуры ВС (пример построения)

4. Суперкомпьютеры

4.1. История создания

4.2 Современные суперкомпьютеры

4.3. Некоторые современные суперкомпьютеры 2010 - 2011 года

4.4. Рейтинг суперкомпьютеров ТОР-50 за 2011 год

4.5. Современные отечественные суперкомпьютеры

5. Персональные суперкомпьютеры

6. Кластерные системы

В настоящее время персональные компьютеры (ПК) повсеместно используются практически во всех сферах человеческой деятельности. Но, с точки зрения эволюции ЭВМ, стандартный ПК представляет собой частный случай – однопроцессорную одномашинную вычислительную систему. Для изучения более высокоуровневых вычислительных систем, а именно - многомашинных и многопроцессорных ВС, необходимо остановиться на их основных определениях и принципах классификации..

1. Определение и классификация вычислительных систем

Вычислительные машины (ЭВМ) с середины ХХ века прошли путь, отмеченный частыми сменами поколений ком­пьютеров и характеризующийся рядом закономерностей:

· доминирование классической структуры ЭВМ (структура фон Неймана), основанной на методах последовательных вычислений;

· основное направление совершенствования ЭВМ - рост производительности (быстродействия) и интеллекту­альности вычислительных средств;

· совершенствование ЭВМ – комплекс решений по всем уровням построения и функционирования ЭВМ;

· исчерпание возможностей методов последовательных вычислений - переход к параллельным вычислениям на базе построения многопроцессорных систем и сетей, объединяющих большое количество отдельных процессоров и (или) компьютеров.

Отличительной особенностью ВС по отношению к ЭВМ является на­личие в них нескольких вычислителей, реализующих параллельную обработку. Создание ВС преследует следующие основные цели:

· по­вышение производительности системы за счет ускорения процессов обработки данных,

· повышение надежности и достоверности вычис­лений,

· предоставление пользователям дополнительных сервисных ус­луг и т.д.

Основные принципы построения ВС:

· возможность работы в разных режимах;

· модульность структуры технических и программных средств, что позволяет совершенствовать и модернизировать вычислительные си­стемы без коренных их переделок;

· унификация и стандартизация технических и программных ре­шений;

· иерархия в организации управления процессами;

· способность систем к адаптации, самонастройке и самоорга­низации;

· обеспечение необходимым сервисом пользователей при выпол­нении вычислений.

Структура ВС - это совокупность комплекса ее элементов и их связей. В качестве элементов ВС выступают отдельные ЭВМ и процессоры. В ВС, относящихся к классу больших систем, можно отдельно рассматривать структуры технических, программных средств, структуры управления и т.д.

1.1. Классификация ВС по назначению

ВС делятся на (Слайд 3) универ­сальные, предназначенные для решения самых различных задач, и специализированные, предназначенные для решения узкого класса задач.

Специализация ВС может устанавливаться различными средствами:

1. сама структура системы (количество параллельно работающих элементов, связи между ними и т.д.) может быть ориен­тирована на определенные виды обработки информации: матричные вычисления, решение алгебраических, дифференциальных и интеграль­ных уравнений и т.п.

2. специализация ВС может закладываться включени­ем в их состав специального оборудования и специальных пакетов обслуживания техники.

1.2. Классификация ВС по типу построения

По типу построения ВС могут строиться на базе нескольких компьютеров (многомашинная ВС) или на базе нескольких процессоров (многопроцессорная ВС).

Многомашинная ВС содержит некоторое число компьютеров, информационно взаимодействующих между собой. Машины могут находиться рядом друг с дру­гом, а могут быть удалены друг от друга на некоторое, иногда значительное рассто­яние (вычислительные сети).

Многомашинные вычислительные систе­мы (ММС) появились исторически первыми. Уже при использовании ЭВМ первых поколений возникали задачи повышения производительности, надежности и достоверности вычислений (Слайд 4).

Варианты 1 и 2 обеспечивают режим повышенной надежности - одна из машин выполняет вычис­ления, а другая находится в «горячем» или «холодном» резерве, т. е. в готовности заменить основную ЭВМ.

Вариант 3 соответствует случаю, когда обе машины обеспечивают один из двух возможных параллель­ных режимов вычислений:

1. обе ЭВМ решают одну и ту же задачу и периодически сверяют результаты решения, обеспечивая режим повышенной достоверности и уменьшение вероятности появления ошибок. Примерно так построены управляю­щие бортовые вычислительные комплексы космических аппаратов и др.;

2. обе ЭВМ работают параллельно, но обрабатывают собствен­ные потоки заданий. Возможность обмена информацией между ма­шинами сохраняется. Этот вид работы относится к режиму повышен­ной производительности. Она широко используется в практике орга­низации работ на крупных вычислительных центрах, оснащенных несколькими ЭВМ высокой производительности.

В многомашинных ВС каждый компьютер работает под управлением своей опера­ционной системы (ОС). А поскольку обмен информацией между машинами вы­полняется под управлением ОС, взаимодействующих друг с другом, динамиче­ские характеристики процедур обмена несколько ухудшаются (требуется время на согласование работы самих ОС).

Информационное взаимодействие компьюте­ров в многомашинной ВС может быть организовано на 3-х уровнях (Слайд 5):

1. На уровне процессоров - при непосредственном взаимодействии процессоров друг с другом информационная связь реализуется через регистры процессорной памяти и требует наличия в ОС весьма сложных специальных программ.

2. На уровне оперативной памяти - взаимодействие на уровне оперативной памяти (ОП) сводится к программной реали­зации общего поля оперативной памяти (ООП), что проще, но требует существенной модификации ОС. Под общим полем имеется в виду равнодоступность мо­дулей памяти: все модули памяти доступны всем процессорам и каналам связи.

3. На уровне каналов связи - взаимодействие организуется наиболее просто, и может быть достигнуто внешними по отношению к ОС программами - драйверами, обес­печивающими доступ от каналов связи одной машины к внешним устройствам других (формируется общее поле внешней памяти и общий доступ к устройствам ввода-вывода).

Ввиду сложности организации информационного взаимодействия на 1-м и 2-м уровнях в большинстве многомашинных ВС используется 3-й уровень, хотя и ди­намические характеристики (в первую очередь быстродействие), и показатели на­дежности таких систем существенно ниже.

В многопроцессорной ВС (МПС) (Слайд 6) имеется несколько информационно взаимодействующих между собой процессоров. В качестве общего ре­сурса они имеют общую оперативную память (ООП), обеспечивающую общий доступ к внешней памяти и устройствам ввода-вывода. МПС работает под управлением единой ОС, общей для всех процессоров, что существенно улучшает динамические характеристики ВС, но предъявляет к ОС высокие требования.

Более быстрый обмен информацией между процессорами и более быс­трое реагирование на ситуации, возникающие в системе, большая степень резервирования устройств системы (система сохраняет работоспособность, пока работоспособны хотя бы по одному модулю каждого типа устройств) приводят к существенному повышению быстродействия и надежности многопроцессорных ВС (по сравнению с многома­шинными ВС 3-го уровня).

Типичным примером массовых многомашинных ВС могут служить компьютер­ныесети, примером многопроцессорных ВС — суперкомпьютеры.

1.3. Классификация ВС по типу ЭВМ или процессоров

(Слайд 3)

По типу ЭВМ или процессоров, используемых для по­строения ВС, различают однородныесистемы, предполагающие объединение однотипных ЭВМ и неоднородныесистемы, предполагающие объединение разнотипных ЭВМ.

В однородных системах значительно упрощается разработка и обслуживание технических и программных (в основном ОС) средств. В них обеспечивается воз­можность стандартизации и унификации соединений и процедур вза­имодействия элементов системы. Упрощается обслуживание систем, облегчается модернизация и их развитие.

В неоднородных ВС соединяемые элементы ВС очень силь­но отличаются по своим техническим и функциональным характерис­тикам. Обычно это связано с необходимостью параллельного выпол­нения многофункциональной обработки. Так, при построении сетевых ММС объединяются в комплексы коммуникационные ЭВМ, выполняющие функции свя­зи, контроля получаемой и передаваемой информации, формирование пакетов задач и т.д., и ЭВМ обработки данных, выполняющие собственно обработку данных.

1.4. Классификация ВС по степени территориальной разобщенности вычислительных модулей

(Слайд 3)

ВС делятся на системы совмещенного ( сосре­доточенного ) и распределенного ( разобщенного ) типов. Обычно та­кое деление касается только многомашинных систем (ММС).

Многопроцессорные системы (МПС) относятся к системам совмещенного типа. Два у ровня их интеграции: система с процессорами на одном кристалле (многоядерность) - система из нескольких параллельно работающих процессоров в одной ЭВМ (многопроцессорность).

В совмещенных и распределенных MMС сильно различается опе­ративность взаимодействия в зависимости от удаленности ЭВМ. Как правило, все выпускаемые в мире ЭВМ имеют средства прямого взаимодействия и средства подключения к сетям ЭВМ. Для ПК такими средствами являются модемы и сетевые карты.

1.5. Классификация ВС по методам управления элементами ВС

(Слайд 3)

По методам управления элементами ВС различа­ют централизованные, децентрализованные и сосмешанным управ­лением. Помимо параллельных вычислений, производимых элемента­ми системы, необходимо выделять и кон­тролировать ресурсы на обеспечение управле­ния этими вычислениями, распределять нагрузку между элементами ВС и координировать их взаимодействие.

В централизованных ВС за это отвечает главная (диспетчерская) ЭВМ (процессор). Эти функции могут передаваться и другой ЭВМ (процессору), что способствует повышению надежности системы. Централизованные системы имеют более простые ОС.

В децентрализованныхсистемах функции управления распределены между ее элементами. Каждая ЭВМ (процессор) системы сохраняет известную автономию. Это наиболее перспективные ВС.

В системах сосмешаннымуправлением совмещаются процедуры централизованного и децентрализованного управления. Перераспределение функций осуществляется в ходе вычислительного процесса, исходя из сложившейся ситуации.

1.6. Прочие классификационные признаки ВС

(Слайд 3)

По принципу закрепления вычислительных функ­ций за отдельными ЭВМ (процессорами) различают системы с жест­ким и плавающимзакреплениемфункций. В зависимости от типа ВС следует решать задачи статического или динамического размещения программных модулей и массивов данных, обеспечивая необходимую гибкость системы и надежность ее функционирования.

По режиму работы ВС различают системы, работающие в оперативном и неоперативномвременных режимах. Первые, как правило, используют режим реального масштаба времени. Этот ре­жим характеризуется жесткими ограничениями на время решения за­дач в системе и предполагает высокую степень автоматизации про­цедур ввода-вывода и обработки данных.

Архитектура ВС - совокупность характеристик и параметров, опре­деляющих функционально-логическую и структурную организацию системы и затрагивающий в основном уровень параллельно работающих вычислителей.

Классификация архитектур была предложена М. Флинном (М. Flynn) в начале 60-х гг. XX в. В основу такой классификации заложено два возможных вида параллелизма:

· независимость потоков заданий (команд), существующих в системе,

· независимость (несвязанность) данных, об­рабатываемых в каждом потоке.

С появлением систем, ориентирован­ных на потоки данных и использование ассоциативной обработки, данная классификация может быть некорректной. Но она является справедливой для ВС, в которых вычислительные модули построены на принципах классической структуры ЭВМ:

· ОКОД - одиночный поток команд - одиночный поток данных (SISD - Single Instruction Single Data -одиноч­ный поток инструкций - одиночный поток данных) (Слайд 7);

Архитектура ОКОД (содним вычислителем) охватывает все однопроцессорные и одномашинные варианты систем. Все ЭВМ клас­сической структуры попадают в этот класс. Здесь параллелизм вычисле­ний обеспечивается путем совмещения выполнения операций отдельны­ми блоками АЛУ, а также параллельной работой устройств ввода-вывода информации и процессора.

· ОКМД - одиночный поток команд - множественный поток данных (SIMD - Single Instruction Multiple Data - одиночный поток инструкций - множественный поток данных) (Слайд 8) ;

Архитектура ОКМД предполагает создание структур векторной или матричной обработки. Системы этого типа обычно строятся как однородные, т.е. процессорные элементы, входящие в систему, иден­тичны и все они управляются одной и той же последовательностью команд. Однако каждый процессор обрабатывает свой поток данных - задачи обработки матриц или векто­ров (массивов), задачи решения систем линейных и нелинейных ал­гебраических и дифференциальных уравнений, задачи теории поля и др. В структурах данной архитектуры, как правило, соединения между процессорами напоминают мат­рицу.

· МКОД - множественный поток команд - одиночный поток данных (MISD - Multiple Instruction Single Data - множествен­ный поток инструкций - одиночный поток данных) (Слайд 9) ;

Архитектура МКОД предполагает построение своеобразного процессорного конвейера, в котором результаты обработки переда­ются от одного процессора к другому по цепочке. В современных ЭВМ по этому принципу реализована схема совмещения операций, в которой параллельно работают различные функциональные блоки, и каждый из них делает свою часть в общем цикле обработки команды.

· МКМД - множественный поток команд - множественный поток данных (MIMD - Multiple Instruction Multiple Data - множественный поток инструкций - множественный поток данных) (Слайд 10) .

Архитектура МКМД предполагает, что все процессоры системы работают с различными программами и с индивидуальным набором данных. В простейшем случае они могут быть автономны и независи­мы. Такая схема использования ВС часто применяется во многих круп­ных вычислительных центрах для увеличения пропускной способ­ности центра.

МКМД - архитектура является наиболее перспективной для вычислительных систем. Ей присущи все перечисленные виды параллелизма. Этот класс дает большое разнообразие структур, сильно отличающихся друг от друга своими характеристиками (Слайд 2-10).

3. Многопроцессорные структуры ВС (пример построения)

Процессоры Power7, разработка ко­торых обошлась в 3 млрд. долл., содер­жат от 6 до 8 ядер на одном кристалле, каждое из которых способно поддер­живать до четырех потоков вычисле­ний, а также кэш-память eDRAM тре­тьего уровня. Процессоры выполнены на основе 45-нанометровой техноло­гии, содержат более миллиарда тран­зисторов, работают на тактовых часто­тах до 4,14 ГГц. Они могут выполнять 32 параллельные задачи, что в четыре раза превышает возможности предыдущего процессора Power6.

На базе этих процессоров выпущена линейка серверов (Слайд 11):

1. Бизнес-сервер начально­го уровня IBM Power 750 Express пред­назначен для ИС предприятий среднего масшта­ба и имеет четыре процессор­ных разъема, что позволяет использо­вать в вычислениях до 32 процессорных ядер.

2. Сервер IBM Power 755, также со­держащий до 32 ядер, оптимизирован для выполнения аналитических при­ложений, включая моделирование по­годных условий, расчеты в области хи­мии и физики.

3. Бизнес-сервер корпоративного клас­са IBM Power 770 может содержать до 64 ядер Power7 и рекомендован для решения кри­тически важных задач предприятий.

4. Бизнес-сервер корпоративного клас­са IBM Power 780, также со­держащий до 64 ядер является масштабируемым серве­ром старшего класса и применяется для решения таких ресурсоемких задач, как, на­пример, обработка и анализ транзак­ций в системах, управляющих сетя­ми энергоснабжения.

Для процессоров Power7 разработан ряд новых технологий:

· технология TurboCore позволяет перераспределять ресурсы каж­дого процессора, выделяя активным ядрам, работающим на максимальной частоте, кэш-память других ядер, а так­же их каналы взаимодействия с опера­тивной памятью;

· техноло­гия Intelligent Threads дает возмож­ность оптимизировать нагрузку, дина­мически выбирая число потоков, под­держиваемых каждым ядром;

· техно­логия EnergyScale позволяет варьиро­вать тактовую частоту, снижая потре­бление электроэнергии.

В конце 2010 года в IBM планировали выпу­стить серверы на базе Power7, содержа­щие до 256 ядер.

Дата добавления: 2014-01-14