Примеры реализации ВС. Конвейерные ВС. Матричные ВС. Мультипроцессорные. Распределенные. ВС с программируемой структурой. Кластерные ВС. Суперкомпьютеры

Классификация архитектур ВС. MIMD,MISD,SIMD архитектуры ВС.

Большое разнообразие вычислительных систем породило естественное желание ввести для них какую-то классификацию. Эта классификация должна однозначно относить ту или иную вычислительную систему к некоторому классу, который, в свою очередь, должен достаточно полно ее характеризовать. Таких попыток предпринималось множество. Одна из первых классификаций, ссылки на которую наиболее часто встречаются в литературе, была предложена М. Флинном в конце 60-х годов прошлого века. Она базируется на понятиях двух потоков: команд и данных. На основе числа этих потоков выделяется четыре класса архитектур:

SISD (Single Instruction Single Data) - единственный поток команд и единственный поток данных. По сути дела это классическая машина фон Неймана. К этому классу относятся все однопроцессорные системы.

SIMD (Single Instruction Multiple Data) - единственный поток команд и множественный поток данных. Типичными представителями являются матричные компьютеры, в которых все процессорные элементы выполняют одну и ту же программу, применяемую к своим (различным для каждого ПЭ) локальным данным. Некоторые авторы к этому классу относят и векторно-конвейерные компьютеры, если каждый элемент вектора рассматривать как отдельный элемент потока данных.

MISD (Multiple Instruction Single Date) - множественный поток команд и единственный поток данных. М. Флинн не смог привести ни одного примера реально существующей системы, работающей на этом принципе. Некоторые авторы в качестве представителей такой архитектуры называют векторно-конвейерные компьютеры, однако такая точка зрения не получила широкой поддержки.

MIMD (Multiple Instruction Multiple Date) - множественный поток команд и множественный поток данных. К этому классу относятся практически все современные многопроцессорные системы. Поскольку в этой классификации все современные многопроцессорные системы принадлежат одному классу, то вряд ли эта классификация представляет сегодня какую-либо практическую ценность. Тем не менее, мы привели ее потому, что используемые в ней термины достаточно часто упоминаются в литературе по параллельным вычислениям.

Конвейерные ВС — системы, архитектура которых является предель­ным вариантом эволюционного развития последовательной ЭВМ и про­стейшей версией модели коллектива вычислителей. В основе таких систем лежит конвейерный (или цепочечный) способ обработки информации, а их функциональная структура представляется в виде последовательности свя­занных элементарных блоков обработки (ЭБО) информации. Все блоки ра­ботают параллельно, но каждый из них реализует лишь свою операцию над данными одного и того же потока. Сказанное позволяет относить конвейер­ные ВС к MISD-системам. Реальные промышленные высоко­производительные ВС являются, как правило, мультиконвейерными. Такие мультиконвейерные ВС можно отнести к системам с архитектурой SIMD.

Матричные ВС основываются на принципе массового параллелизма, в них обеспечивается возможность одновременной реализации большого чис­ла операций на элементарных процессорах (ЭП), объединенных в матрицу. Каждый ЭП представляет собой композицию из арифметико-логического устройства (АЛУ) и локальной памяти (ЛП); последняя предназначается для хранения части данных (но не части программы или параллельной ветви!). Поток команд на матрицу ЭП формируется устройством управления (следо­вательно, оно имеет в своем составе память для хранения программ обра­ботки данных). Такие ВС рассчитаны, в частности, на решение задач мат­ричной алгебры. Они имеют SIMD-архитектуру в классическом виде.

Мультипроцессорные ВС — обширная группа систем, в которую, в ча­стности, могут быть включены конвейерные и матричные ВС (а также много­машинные ВС). Однако принято к мультипроцессорным ВС относить систе­мы с MIMD-архитектурой, которые состоят из множества (не связанных друг с другом) процессоров и общей (возможно и секционированной, модульной) памяти; взаимодействие между процессорами и памятью осуществляется че­рез коммутатор (общую шину и т. п.), а между процессорами — через память.

Распределенные ВС — мультипроцессорные ВС с MIMD-архитекту­рой, в которых нет единого ресурса (общей памяти). Распределенная ВС ос­новывается на принципах модульности и близкодействия. Основные компоненты распределенной ВС (такие, как коммутатор, устрой­ство управления, арифметико-логическое устройство или процессор, па­мять) допускают представление в виде композиции из одинаковых элемен­тов (локальных коммутаторов и устройств управления, локальных процес­соров и модулей памяти).

Вычислительные системы с программируемой структурой полно­стью основываются на модели коллектива вычислителей и являются компо­зицией взаимосвязанных элементарных машин (ЭМ). Каждая ЭМ в своем составе обязательно имеет локальный коммутатор (JIK), процессор и па­мять; может иметь также внешние устройства. Локальная память ЭМ пред­назначается для хранения и части данных, и, главное, ветви параллельной программы. Архитектура ВС с программируемой структурой относится к типу MIMD. Такие ВС по своим потенциальным архитектурным возможно­стям не уступают ни одному из перечисленных выше классов систем. Они, прежде всего, ориентированы на распределенную обработку информации; эф­фективны и при конвейерной, и при матричной обработке. При распределен­ном способе обработки данных на ВС полностью используются возможности MIMD-архитектуры. При конвейерном и матричном способах обработки дан­ных архитектура MIMD виртуально трансформируется соответственно в ар­хитектуру MISD и SIMD. Системы с программируемой структурой рассчи­тываются на работу во всех основных режимах: решения сложной задачи, обработки наборов задач, обслуживания потоков задач, реализации функций вычислительной сети.

Кластерные ВС — разновидность мультипроцессорных систем, ин­туитивная оценка архитектурных возможностей которых вытекает из семан­тики слова кластер (Cluster — группа). Для создания кластерных ВС используются и MISD-, и SIMD-, и MIMD-архитектуры, раз­личные функциональные структуры и конструктивные решения. В наиболее общей трактовке кластерная ВС, или кластер, — это композиция множества вычислителей, сети связей между ними и программ­ного обеспечения, предназначенная для параллельной обработки информа­ции (в частности, реализации параллельных алгоритмов решения сложных задач). В кластерных ВС, как правило, превалируют массовые ап­паратурно-программные средства. Последнее, по существу, является прин­ципом конструирования кластерных ВС, обеспечивающим их высокую тех­нико-экономическую эффективность.

Суперкомпьютеры — вычислительные средства, характеризующиеся рекордной эффективностью (производительностью, надежностью, живуче­стью и технико-экономической эффективностью) для фиксированного этапа развития индустрии обработки информации. Они могут быть основаны на любой из архитектурных парадигм. Современные суперкомпьютеры (10¹²...10¹⁵ опер./с) являются вычислительными системами с массовым па­раллелизмом.

Дата добавления: 2015-06-25