Модель коллектива вычислителей

S = <H, A>, где H – описание конструкции коллектива вычислителей, A – алгоритм функционирования коллектива вычислителей.

H = <C, G>, где C = {Ci}, i = 1..n – количество автономных вычислителей, G – описание структуры сети связей между вычислителями.

Конструктивно коллектив вычислителей строится на основе следующих принципов:

1. Параллелизм (parallelism, concurrency) – параллельное выполнение операций на множестве C вычислителей через связи структуры G.

2. Программируемая структура (programmability, adaptability) – физическая структура может меняться в зависимости от решаемой задачи.

3. Однородность конструктивных элементов.

Следует отметить, что эти принципы противоположны принципам, положенным в основу отдельного вычислителя.

Структурно G представляется графом, вершины которого являются вычислителями, а ребра – связями между ними. При небольшом количестве вычислителей граф может быть полносвязным. При большом количестве – не может. В связи с этим, по связи выделяют следующие простейшие структуры:

· Нуль-мерные – взаимодействуют через общую шину.

· Одномерные – связывают каждого вычислителя с соседними.

· Двухмерные – связывают каждого вычислителя с четырьмя соседями.

· N-мерные – связывают каждого вычислителя с 2N соседями. Пример – гиперкуб.

Алгоритм А коллектива вычислителей представляется в виде A(P(D)), где D = {Di}, i = 1..n, P – параллельная программная реализация общей задачи. Тогда в общем виде модель коллектива вычислителей может быть представлена, как S = <C, G, A(P(D))>.

Вычислительное средство, функционирующее на основе модели коллектива вычислителей, называется вычислительной системой (вычислительным комплексом).

Принципы технической реализации модели:

1. Модульность (modularity) – формирование ВС из универсальных элементов (модулей).

2. Близкодействие (short-range interactivity) – каждый модуль может обмениваться данными непосредственно с другими модулями. Взаимодействие с удаленной вершиной происходит через промежуточные вершины по каналу «точка-точка». Принцип дает возможность реализовать управление независимо от количества модулей.

3. Локальность – состояние вычислителя Ei в момент времени t(t+1) зависит от состояние на предыдущем шаге и от состояния непарных связанных с ним вычислителей.

4. Асинхронное функционирование – порядок срабатывания модулей в коллективе вычислителей определяется не с помощью меток времени, а достижением заданных значений некоторыми переменными.

5. Децентрализованность управления.

6. Распределенность ресурсов. Ресурсы – процессоры, модули памяти и т.п.

Лекция 9.12.09

Классификация архитектур вычислительных комплексов (вычислительных систем)

Являются принципиально новыми средствами по отношению к ЭВМ фоннеймановской модели (модели одного вычислителя). Реализуют следующие архитектуры: MISD, MIMD, SIMD.

В архитектурах классов MISD, SIMD, MIMD допустимо построение следующих типов ВС: конвейерные, матричные, мультипроцессорные, распределенные ВС с программируемой структурой.

Конвейерные ВС – простейший вариант коллектива вычислителей. Основа – конвейерный (цепочечный) способ обработки информации. Функциональная структура – последовательность элементарных блоков обработки (ЭБО). Все ЭБО работают параллельно. Каждый ЭБО реализует операцию над данными определенного типа общего потока данных. Относится к MIST-архитектуре. Схематично можно представить следующим образом:

В большинстве случаев – это мультиконвейерные системы. Принцип действия – единое устройство управления формирует поток команд и поток данных. Аналог конвейерной линии на производстве (например, при сборке автомобиля, где на каждом рабочем месте за один такт времени выполняются параллельно несколько различных элементарных операций)

Матричные ВС – выполняют одновременно большое количество операций на элементарных процессорах (ЭП), объединенных определенным способом в матрицу. Считается, что каждый ЭП представляет собой комбинацию из АЛУ и локальной памяти (ЛП). ЛП предназначена для хранения части данных процессора. Поток команд на ЭП формируется устройством управления (УУ имеет в своем составе память для хранения программы, выполняемой на матрице ЭП). Система относится к архитектуре SIMD. Современные матричные системы имеют способность варьировать количество модулей ЭП. Схематично можно представить следующим образом:

Мультипроцессорные ВС (в принципе все ВС являются мультипроцессорными, но здесь понимается несколько другое) – относятся к MIMD-архитектуре. Состоят из множества процессоров, как правило, связанных между собой через общий ресурс (например, память). Взаимодействие между элементами осуществляется через коммутатор (например, общую шину).

Распределенные ВС – системы, в которых нет единого для всех ресурса (например, общей реальной памяти). ВС основывается на принципах т.н. модульности и близкодействия. Основные компоненты распределенной ВС допускается представлять как композицию одинаковых элементов, взаимодействующих между собой при помощи локальных сетей или коммутаторов.

Один из вариантов реализации распределенной ВС – транспьютерная ВС – композиция одинаковых взаимосвязанных микропроцессоров, называемых транспьютерами, в состав которых входит непосредственно сам процессор, память, локальные средства коммутации и т.н. линки (средства взаимодействия с другими транспьютерами).

ВС с программируемой структурой – полностью основаны на принципе коллектива вычислителей и являются композицией связанных ЭВМ (элементарных машин). Каждая элементарная машина имеет в своем составе процессор, память, внешние устройства, интерфейс для подключения к коммутатору. Архитектура MIMD (впервые предложена сибирским отделением Академии наук СССР).

Кластерные ВС – разновидность мультипроцессорных систем, которые объединяют несколько ЭВМ, функционирующих как единое целое. Термин «кластер» впервые введен фирмой DEC (Digital E Corporation). Кластерные ВС относятся к различным типам архитектур: MISD, SIMD, MIMD. Основная особенность кластерных ВС – они состоят из набора т.н. массовых программно-аппаратных средств, т.е. возможность компоновать их доступной аппаратурой. Взаимодействие между узлами может осуществляться в т.ч. и через глобальные сети. Терминология называется DCE (Distributed Computer Environment).

Суперкомпьютеры – вычислительные средства, имеющие сверхвысокие показатели эффективности (например, количество процессоров). Intel – 80-ядерный процессор, 10 в 12 степени операций в секунду, потребляет мощность 62 Вт.

Дата добавления: 2015-01-03