Изучение аппаратного и программного обеспечения персонального компьютер

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И  НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ  БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ВОРОНЕЖСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(ФГБОУ ВПО «ВГТУ», ВГТУ)

 

Естественно-гуманитарный факультет

 

Кафедра системного анализа и управления в медицинских системах

 

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

 

 

по дисциплине «Информатика»

 

Тема «Изучение аппаратного и программного обеспечения персонального компьютера»

 

 

Расчетно-пояснительная  записка

 

 

 

Разработал студент                                                 18.12.12                        В.Л.Штодин

                                                                      Подпись, дата              Инициалы, фамилия

Руководитель                                                       канд. техн. наук,  доц. О.И. Муратова

                                                                     Подпись, дата            Инициалы, фамилия

Члены комиссии                                 _________________________________________

                                                                     Подпись, дата              Инициалы, фамилия

                                                              _________________________________________

                                                                     Подпись, дата              Инициалы, фамилия

Нормоконтролер                                  _________________________________________

                                                                      Подпись, дата             Инициалы, фамилия

 

Защищена _______________________ Оценка ________________________________

                                 дата

 

 

 

 

2012

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И  НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ  БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ВОРОНЕЖСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(ФГБОУ ВПО «ВГТУ», ВГТУ)

 

 

Кафедра системного анализа и управления в медицинских системах

 

ЗАДАНИЕ

на курсовую работу

 

 

по дисциплине «Информатика»

 

Тема работы «Изучение аппаратного и программного обеспечения персонального компьютера»

 

Студент группы                                    Штодин Владислав Леонидович                      ч                                                                                             

               

Номер варианта                      10      

 

Технические условия: ПК класса IBM PC стандартной конфигурации с выходом в глобальную сеть Internet, текстовый процессор (Microsoft Word), программа   создания презентаций (Microsoft Power Point)       

 

Содержание и объем работы (графические  работы, расчеты и прочее)

 

Курсовая работа состоит из     страниц,  содержит 15 иллюстраций______________

_______________________________________________________________________

 

Сроки выполнения этапов ________________________________________________

 

Срок защиты курсовой работы ____________________________________________

 

Руководитель                                                        канд. техн. наук, доц. О.И. Муратова

                                                            Подпись, дата             Инициалы, фамилия

Задание принял студент                                                                                   В.Л.Штодин

                                                            Подпись, дата              Инициалы, фамилия

 

 

 

Замечания руководителя

 

 

Содержание

 

Задание на курсовую работу         2

Замечания руководителя         3

Введение            6

1. Суперкомпьютеры          7

1.1 Что такое суперкомпьютер?        7

1.2 Определение суперкомпьютера       10

1.3 Краткая история развития суперЭВМ      12

1.4 Современные направления развития. Архитектуры суперЭВМ  17

1.4.1 Векторно-конвейерные компьютеры     18

1.4.2 Параллельные компьютеры       20

1.4.2.1 Основные формы параллелизма     20

1.4.2.2 Топологии систем MPP      23

1.4.3 Кластерные системы        25

1.4.3.1 Основные виды кластеров      25

1.4.3.2 Преимущества кластерной организации ЭВМ   26

2 Программное обеспечение суперкомпьютеров     31

2.1 Назначение суперкомпьютеров. Области использования   31

2.2 Вычислительная мощность компьютера      33

2.2.1 Вариативность  определения ВМ      33

2.2.2 Тесты производительности       34

2.3 Операционная система         35

2.3.1 Linux           35

2.3.2 UNICOS  36

2.3.3 Windows Compute Cluster Server      37

2.4 Организация параллельных вычислений  38

2.5 Прикладное программное обеспечение      39

2.5.1 Наиболее популярные прикладные программные пакеты  39

2.5.2 Программное  обеспечение специализированных  областей  41

2.5.2.1 Программная система  ANSYS     41

2.5.2.2 Программный комплекс STAR-CD    42

2.5.2.3 Программный комплекс LS-DYNA    43

2.5.2.4 Система решения задач NAMD     43

2.5.2.5 Приложение Shake        44

3 Практическая часть          45

Заключение           47

Список литературы          49

 

Введение

 

С момента  появления разума на нашей планете  его носители старались облегчить  свой труд. Исследуя возможность раскапывания корений палкой, люди, скорее всего, не задумывались, что через века это замечательное, новейшее устройство упрощения простых механических операций трансформируется в нечто, способное совершать неподвластные человеческому мозгу операции вычислительные – и упрощать тем самым уже другие исследования. Тем не менее, это произошло. Появление первых электронных вычислителей, а затем и компьютеров позволило людям сделать огромный рывок в научной деятельности, так как стали доступны такие операции и их объемы, на выполнение которых человеческому мозгу требуется время, несопоставимое с понятием «оперативный результат».

Что же такое  суперкомпьютеры, и зачем они  нужны?  Суперкомпьютер, по мнению Википедии, это «вычислительная машина, значительно превосходящая по своим техническим параметрам большинство существующих компьютеров».  В принципе, суперкомпьютер - это обычная вычислительная система, позволяющая производить сложные расчеты за более короткие промежутки времени. Поэтому наиболее важным показателем производительности компьютера является степень его быстродействия. Она измеряется так называемыми флопсами - от английского сокращения, обозначающего количество операций с числами, представленными в форме с плавающей запятой, в секунду. На сегодняшний день в этом смысле производителями преодолен значительный рубеж– петафлопс. Самый мощный суперкомпьютер в мире – Cray Titan - показывает производительность в 17,59 петафлоп/с, что больше, чем у предыдущего «чемпиона», Sequoia от IBM. Экс-лидер показывает результат в 16,32 петафлоп/с. Пиковая производительность Cray Titan -  теоретическая - составляет 27,11 петафлоп/сек.

 Развитие шло, идет и будет  продолжаться далее. О том,  как именно – поговорим ниже.

 

1 Суперкомпьютеры

1.1 Что такое суперкомпьютер?

 

Первое  время производители суперкомпьютеров не стеснялись использовать в своих  детищах дорогостоящие комплектующие  самого высокого класса. Обеспечить необходимый для обеспечения конкурентоспособности прирост производительности в каждой новой модели было важнее, чем низкую стоимость устройства. Так работала корпорация IBM, так работали другие участники «гонки быстродействий». Выражалось «использование новых комплектующих» в применении процессоров с более высокой тактовой частотой. Сеймур Крей со своей небольшой командой разработчиков, однако, сумел со своим CDC 6600 обойти главного конкурента – IBM – не в последнюю очередь за счет «интенсивных» методов увеличения производительности – векторной \ SIMD обработки данных, и т. п.  CDC 6600 был в 3 раза быстрее своего главного конкурента - компьютера IBM «Stretch» - при гораздо более низкой цене. «Старожилы», видевшие эту гонку своими глазами, вспоминают, что это «было захватывающе».

Постепенно  экономическая рациональность взяла  верх над исследовательским порывом. В начале эпохи развития суперкомпьютеров эти машины покупались в основном или крупными университетами, или  военно-космическими ведомствами. И  те, и другие обеспечивались средствами из бюджетов, на все это накладывалось  перманентное противостояние держав, на которое деньги выбрасывались  практически без счета – «холодная  война» была в разгаре – стоимость  устройств была, вероятно, небольшой  в масштабе общих трат. На сегодняшний  день суперкомпьютеры используются в гораздо большем количестве сфер (такое громкое наименование дано даже ряду игровых компьютеров). Компания-производитель компьютерных комплектующих NVIDIA, например, предлагает собрать персональный суперкомпьютер за скромные 10-20 тысяч долларов – с производительностью более 3, 5 ТФлопс.

Изменение конъюнктуры рынка привело к  смене вектора развития. На сегодняшний  день четко прослеживается тенденция  к созданию все более и более  многопроцессорных машин – и отсутствию изменений в типе комплектующих. Обычным стало использование серийно выпускаемых процессоров – их производительность, к тому же, уже выросла до подходящих величин. Разработчики специфических «супер» комплектующих оказались поглощены изготовителями более массовой техники, и основной упор стал делаться на увеличение числа процессоров и повышение степени параллелизма программ. Очевидно, это в какой-то мере связано и с невозможностью перехода в настоящий момент к 5-му поколению компьютеров,  скачка на следующую ступень развития, который рисуется аналитиками как «оптоэлектронные ЭВМ с массовым параллелизмом и нейронной структурой - распределенной сетью большого числа (до десятков тысяч) несложных процессоров, моделирующих структуру нейронных биологических систем».

Относительно  узкий спектр (по сравнению с ПК) применения суперкомпьютеров определяет сугубую ассоциативность знаний о них большинства обычных  пользователей. Огромные размеры, большие  задачи, крупные фирмы и компании, невероятные скорости работы или  что-то иное, что обязательно будет "на грани", для чего "обычного" явно мало, а подойдет только "супер", - суперкомпьютер или супер-ЭВМ. В  этом интуитивном восприятии есть изрядная доля истины, поскольку к классу супер-ЭВМ принадлежат лишь те компьютеры, которые имеют максимальную производительность в настоящее время. Быстрое развитие компьютерной индустрии определяет относительность данного понятия - то, что десять лет назад можно  было назвать суперкомпьютером, сегодня  под это определение уже не попадает. Например, производительность персональных компьютеров, использующих Intel i5/3.2 ГГц, в 10 раз превышает производительность суперкомпьютеров начала 70-х годов, а производительность iPad 2 сопоставима с четырехъядерным суперкомпьютером Cray 2, 8-ядерная версия которого в 1985 году стала самым быстрым суперкомпьютером в мире (максимальная производительность Cray 2 равняется 1,9 Гфлопс, тестирование iPad 2 в обычном режиме показал производительность от 1,5 до 1,65 Гфлопс). Данные модели имеют кардинальные различия в форм-факторе (рисунок 1), однако по сегодняшним меркам суперкомпьютерами не являются ни те, ни другие.

 

 

Рисунок 1 – Внешний вид Cray 2 и iPad 2

 

В любом  компьютере все основные параметры  тесно связаны. Трудно себе представить компьютер, имеющий высокое быстродействие и мизерную оперативную память, либо огромную оперативную память и небольшой объем дисков. Следуя логике, делаем вывод: суперкомпьютеры - это ЭВМ, имеющие в настоящее время не только максимальную производительность, но и максимальный объем оперативной и дисковой памяти, а также специализированное ПО, с помощью которого можно эффективно всем этим воспользоваться. Суперкомпьютер - это сложнейший программно-аппаратный комплекс высокой производительности, предназначенный и разработанный специально для решения специфической определенной задачи (круга задач). Ключевое слово здесь - программно-аппаратный, так как для решения конкретных специфических задач требуется специфическое программное обеспечение, а для реализации высокой производительности - сложнейшие аппаратные решения из смежных областей и не только электроники. Оба аспекта будут рассмотрены в этом документе.

 

1.2 Определение суперкомпьютера

 

Суперкомпьютерам  за время их существования много  раз пытались дать определение, иногда серьезно, иногда с иронией. Например, шутливая классификация Гордона  Белла и Дона Нельсона, разработанная  около 1989 года, предлагала считать суперкомпьютером любой компьютер, весящий более  тонны. А уже около десяти лет  назад, во время обсуждения суперкомпьютеров в конференции comp.parallel, Кен Батчер (Ken Batcher) предложил такой вариант: суперкомпьютер - это устройство, сводящее проблему вычислений к проблеме ввода/вывода. Все верно, в каждой шутке есть доля шутки: что раньше долго вычислялось, временами сбрасывая нечто на диск, на супер-ЭВМ может выполниться мгновенно, переводя стрелки неэффективности на относительно медленные устройства ввода/вывода. Самым используемым на данный момент определением является следующее: суперкомпьютер - вычислительная машина, значительно превосходящая по своим техническим параметрам большинство существующих компьютеров. Но здесь есть свои подводные камни. По определению Оксфордского словаря вычислительной техники 1986 года, для того, чтобы получить это гордое название, нужно было иметь производительность в 10 мегафлоп (миллионов операций с плавающей запятой в секунду). В начале 90-х была преодолена отметка 200 мегафлоп, затем 1 гигафлоп, в середине 2000-х – 1 петафлоп, и развитие по этому пути в данный момент продолжается. Планка необходимой производительности определения для машин, претендующих на право иметь в названии приставку «супер», постоянно корректируется. 

Архитектура (концептуальная структура вычислительной машины, определяющая проведение обработки информации и включающая методы преобразования информации в данные и принципы взаимодействия технических средств и программного обеспечения) также не может считаться признаком принадлежности к классу суперкомпьютеров. Ранние компьютеры CDC были обычными машинами, всего лишь оснащёнными быстрыми для своего времени скалярными процессорами, скорость работы которых была в несколько десятков раз выше, чем у компьютеров, предлагаемых другими компаниями. 
     Большинство суперкомпьютеров 70-х оснащались векторными процессорами, а к началу и середине 80-х небольшое число (от 4 до 16) параллельно работающих векторных процессоров практически стало стандартным суперкомпьютерным решением. Конец 80-х и начало 90-х годов охарактеризовались сменой магистрального направления развития суперкомпьютеров от векторно-конвейерной обработки к большому и сверхбольшому числу параллельно соединённых скалярных процессоров. 
 Массивно-параллельные системы стали объединять в себе сотни и даже тысячи отдельных процессорных элементов. Большинство массивно-параллельных компьютеров создавалось на основе мощных процессоров с архитектурой RISC (Reduced Instruction Set Computer), наподобие PowerPC или PA-RISC. Множество процессоров объединялось на процессорных платах, внешний вид которых представлен на рисунке 2.