Изучение аппаратного и программного обеспечения персонального компьютер

 

 

Рисунок 2 - Процессорная плата векторного компьютера Cray YMP

 

В конце 90-х годов высокая стоимость  специализированных суперкомпьютерных  решений и нарастающая потребность  разных слоёв общества в доступных  кластерах. Кластеры являются самым дешевым способом наращивания производительности уже установленных компьютеров. Фактически кластер представляет собой набор из нескольких ЭВМ, соединенных через некоторую коммуникационную инфраструктуру. Эти системы характеризует использование отдельных узлов на основе дешёвых и широкодоступных компьютерных комплектующих для серверов и персональных компьютеров и объединённых при помощи мощных коммуникационных систем и специализированных программно-аппаратных решений. Несмотря на кажущуюся простоту, кластеры довольно быстро заняли достаточно большой сегмент суперкомпьютерного рынка, обеспечивая высочайшую производительность при минимальной стоимости решений.

С начала нулевых годов и до настоящего времени разработки продолжаются по обоим направлениям – сложным  вопросом для кластерных компьютерных системы систем являются средства коммуникаций, эта проблема постепенно решается. В суперкомпьютерах, представляющих собой единый блок (из таких, в свою очередь состоят кластеры), специфические комплектующие были заменены на серийные, и в данный момент развитие таких системы идет в направлении увеличения количества процессоров. За изменениями в этой области следит специальный рейтинг «Топ-500» (top500.org), созданный Джеком Донгарра (Jack Dongarra).

 

1.3 Краткая история развития суперЭВМ

 

Одной из основных проблем, стоявших уже перед  разработчиками первых компьютеров, была производительность вычислительной системы. В процессе развития технологий мощность процессора возрастала, однако комплекс побочных факторов – расширение сферы  применения вычислительных систем, повышение  сложности программного обеспечения  и ожиданий увеличившегося числа  пользователей – заставили производителей компьютерной техники свернуть с  этого прямого и ясного пути. Появилось понятие «суперкомпьютер» и сами представители этого класса вычислительных устройств, открывшие новые горизонты для тех, кому это было необходимо.  

В общеупотребительный  лексикон термин "суперкомпьютер" вошёл благодаря распространённости компьютерных систем Сеймура Крея, таких как, CDC 6600, CDC 7600, Cray-1, Cray-2, Cray-3 и Cray-4. Сеймур Крей (на рисунке 3 он  рядом с первым компьютером, созданным им после ухода из CDC) разрабатывал вычислительные машины, которые, по сути, становились основными вычислительными средствами правительственных, промышленных и академических научно-технических проектов США с середины 60-х годов до 1996 года, когда Cray перестала существовать как самостоятельная компания - её купила Silicon Graphic. Не случайно в то время одним из популярных определений суперкомпьютера было следующее: - "любой компьютер, который создал Сеймур Крей". Сам Крей никогда не называл свои детища суперкомпьютерами, предпочитая использовать вместо этого обычное название "компьютер".

 

 

Рисунок 3 – Сеймур Крей рядом с Cray-1

 

Для повышения  производительности практически с  самого начала эпохи суперкомпьютеров (начало 1950-х) использовались и совершенствовались параллельные архитектуры.

1953 г.  Первым коммерчески доступным  компьютером, использующим разрядно-параллельную память (на CRT) и разрядно-параллельную арифметику, стал компьютер IBM 701. К слову будет сказано, наибольшую популярность в то время получила модель IBM 704 (1955 г.), проданная в количестве 150 экземпляров, в которой, помимо упомянутых особенностей, была впервые применена память на ферритовых сердечниках и аппаратное арифметическое устройство с плавающей точкой.

1958г.  Процессоры первых компьютеров  сами управляли вводом/выводом.  Однако скорость работы самого  быстрого внешнего устройства, а  по тем временам это магнитная  лента, была в 1000 раз меньше  скорости процессора, поэтому во  время операций ввода/вывода процессор  фактически простаивал. В 1958г.  к компьютеру IBM 704 присоединили 6 независимых  процессоров ввода/вывода, которые  после получения команд могли  работать параллельно с основным  процессором, а сам компьютер  переименовали в IBM 709. Данная модель  получилась удивительно удачной,  так как вместе с модификациями  было продано около 400 экземпляров,  причем последний был выключен  в 1975 году - почти 20 лет существования!

1961г. Создается компьютер IBM «Stretch», имеющий две принципиально важные особенности: опережающий просмотр вперед для выборки команд и расслоение памяти на два банка для согласования низкой скорости выборки из памяти и скорости выполнения операций.

1963г.  В Манчестерском университете  разработан компьютер ATLAS, использующий  конвейерный принцип выполнения  команд. Выполнение команд разбито  на 4 стадии: выборка команды, вычисление  адреса операнда, выборка операнда  и выполнение операции, позволившие  уменьшить время выполнения команд  в среднем с 6 мкс до 1,6 мкс.  Справедливости ради надо отметить, что данный компьютер вообще оставил заметный след в истории развития вычислительной техники: помимо сказанного, в нем впервые была использована мультипрограммная операционная система, основанная на использовании виртуальной памяти и системы прерываний.

1964г.  Фирма Control Data Corporation (CDC) при непосредственном участии Сеймура Крэя выпускает компьютер CDC-6600 - первый компьютер, в котором использовалось несколько независимых функциональных устройств. Для сравнения с сегодняшним днем приведем некоторые параметры компьютера: время такта 100нс, производительность 2-3 млн. операций в секунду, оперативная память разбита на 32 банка по 4096 60-ти разрядных слов, цикл памяти 1мкс, 10 независимых функциональных устройств. Машина имела громадный успех на научном рынке, активно вытесняя машины фирмы IBM. Внешний вид этого бестселлера от суперкомпьютеров представлен на рисунке 4.

 

 

Рисунок 4 – Консоль и основные блоки суперкомпьютера CDC-6600

 

1969г. CDC выпускает  компьютер CDC-7600 с восемью независимыми  конвейерными функциональными устройствами - сочетание параллельной и конвейерной  обработки. 

В 1967 году были начаты работы над проектом ILLIAC IV, первым матричным процессором, объединяющим 256 синхронно работающих процессорных элементов. К концу 1971 года изготовлена  система из 64-х процессоров, в 1974г. она введена в эксплуатацию, однако доводка шла до 1975 года. Несмотря на то, что построили в 4 раза меньше задуманного, да и то лишь в одном  экземпляре, а денег в результате затратили в 4 раза больше, данный проект оказал огромное влияние на архитектуру  последующих машин подобного  класса таких, как PEPE, BSP, ICL DAP и ряда других.

В 1972 году С. Крэй покидает CDC и основывает свою компанию Cray Research, которая в 1976г. выпускает первый векторно-конвейерный компьютер: время такта 12.5нс, 12 конвейерных функциональных устройств, пиковая производительность 160 миллионов операций в секунду, оперативная память до 1Мслова (слово - 64 разряда), цикл памяти 50нс. Главным новшеством является введение векторных команд, работающих с целыми массивами независимых данных и позволяющих эффективно использовать конвейерные функциональные устройства.      

Компьютерные  системы Крея удерживались на вершине рынка в течение 5 лет с 1985 по 1990 годы. 80-е годы XX века охарактеризовались появлением множества небольших конкурирующих компаний, занимающихся созданием высокопроизводительных компьютеров, однако к середине 90-х большинство из них оставили эту сферу деятельности, что даже заставило обозревателей заговорить о "крахе рынка суперкомпьютеров". На сегодняшний день суперкомпьютеры являются уникальными системами, создаваемыми "традиционными" игроками компьютерного рынка, такими как IBM, Hewlett-Packard, NEC и другими, которые приобрели множество ранних компаний, вместе с их опытом и технологиями.

 

1.4 Современные направления развития суперкомпьютерной техники. Архитектуры современных суперЭВМ

 

Векторно-конвейерные  компьютеры. Особенностью таких машин  являются, во-первых, конвейерные функциональные устройства и, во-вторых, набор векторных  инструкций в системе команд. В  отличие от традиционного подхода, векторные команды оперируют  целыми массивами независимых данных, что позволяет эффективно загружать  доступные конвейеры. Типичным представителем данного направления является линия  векторно-конвейерных компьютеров CRAY компании Cray Research, или, к примеру, однопроцессорный векторный суперкомпьютер FACOM VP-200 (Fujitsu).

Массивно-параллельные компьютеры с распределенной памятью. Идея построения компьютеров этого  класса тривиальна: возьмем серийные микропроцессоры, снабдим каждый своей  локальной памятью, соединим посредством  некоторой коммуникационной среды, например, сетью - вот и все. Достоинств у такой архитектуры масса: если нужна высокая производительность, то можно добавить еще процессоров, а если ограничены финансы или  заранее известна требуемая вычислительная мощность, то легко подобрать оптимальную  конфигурацию.

Однако  есть и решающий "минус", сводящий многие "плюсы" на нет. Дело в том, что межпроцессорное взаимодействие в компьютерах этого класса идет намного медленнее, чем происходит локальная обработка данных самими процессорами. Именно поэтому написать эффективную программу для таких компьютеров очень сложно, а для некоторых алгоритмов иногда просто невозможно. К данному классу можно отнести компьютеры Intel Paragon, IBM SP1, Parsytec, в какой-то степени IBM SP2 и CRAY T3D/T3E, хотя в этих компьютерах влияние указанного недостатка значительно ослаблено.

Параллельные  компьютеры с общей памятью. Вся  оперативная память таких компьютеров  разделяется несколькими одинаковыми  процессорами. Это снимает проблемы предыдущего класса, но добавляет  новые - число процессоров, имеющих  доступ к общей памяти по чисто техническим причинам нельзя сделать большим. В данное направление входят многие современные многопроцессорные SMP-компьютеры, например, сервер HP T600 или Sun Ultra Enterprise 5000. SMP означает «symmetric multiprocessing», симметричное мультипроцессирование, это архитектура  в которой два или более одинаковых процессора подключаются к общей памяти.

Кластеры. Последнее направление, строго говоря, не является самостоятельным, а скорее представляет собой комбинации предыдущих трех. Из нескольких процессоров, традиционных или векторно-конвейерных, и общей  для них памяти формируется вычислительный узел. Если вычислительной мощности полученного  узла не достаточно, то объединяется несколько  узлов высокоскоростными каналами. Подобную архитектуру, естественно, называют кластерной. По такому принципу построены CRAY SV1, HP Exemplar, Sun StarFire, NEC SX-5 и другие. Именно это направление является наиболее перспективным в настоящее время.

Рассмотрим  подробнее специфику каждого  класса.

 

1.4.1 Векторно-конвейерные компьютеры

 

Исторически к этому типу принадлежал компьютер Cray-1, который появился в 1976 году. Архитектура его оказалась настолько удачной, что он положил начало целому семейству компьютеров. Название этому семейству компьютеров дали два принципа, заложенные в архитектуре процессоров:

• конвейерная организация обработки потока команд;
• введение в систему команд набора векторных операций, которые позволяют оперировать с целыми массивами данных.

Длина одновременно обрабатываемых векторов в современных  векторных компьютерах составляет, как правило, 128 или 256 элементов. Очевидно, что векторные процессоры должны иметь гораздо более сложную  структуру и по сути дела содержать  множество арифметических устройств. Основное назначение векторных операций состоит в распараллеливании выполнения операторов цикла, в которых в основном и сосредоточена большая часть вычислительной работы. Для этого циклы подвергаются процедуре векторизации с тем, чтобы они могли реализовываться с использованием векторных команд. Как правило, это выполняется автоматически компиляторами при изготовлении ими исполнимого кода программы. Поэтому векторно-конвейерные компьютеры не требовали какой-то специальной технологии программирования, что и явилось решающим фактором в их успехе на компьютерном рынке. Тем не менее, требовалось соблюдение некоторых правил при написании циклов с тем, чтобы компилятор мог их эффективно векторизовать.

Исторически это были первые компьютеры, к которым  в полной мере было применимо понятие  суперкомпьютер. Как правило, несколько векторно-конвейерных процессоров (2-16) работают в режиме с общей памятью (SMP), образуя вычислительный узел, а несколько таких узлов объединяются с помощью коммутаторов, образуя либо NUMA (Non-Uniform Memory Access — «неравномерный доступ к памяти», гибридная, совмещает в себе удобства SMP (относительную простоту программирования) и относительную же дешевизну MMP; схематически изображена на рисунке 5), либо MPP систему. Типичными представителями такой архитектуры являются компьютеры CRAY J90/T90, CRAY SV1, NEC SX-4/SX-5. Начиная с середины 90-х годов, когда появились достаточно мощные суперскалярные микропроцессоры, интерес к этому направлению был в значительной степени ослаблен из-за высокой стоимости производства. Суперкомпьютеры с векторно-конвейерной архитектурой стали проигрывать системам с массовым параллелизмом.

 

 

Рисунок 5 – Архитектура NUMA

 

1.4.2 Параллельные компьютеры

1.4.2.1 Основные формы параллелизма

 

Разработчики  компьютеров стремятся к тому, чтобы повысить производительность своих машин. Один из способов заставить  процессоры работать быстрее - повышение  их тактовой частоты, однако при этом существуют технологические ограничения. Поэтому большинство разработчиков  для повышения производительности при данной тактовой частоте процессора используют параллелизм (выполнение двух или более операций одновременно).

Существует  две основные формы параллелизма: параллелизм на уровне команд и параллелизм  на уровне процессоров. В первом случае параллелизм реализуется за счет запуска большого количества команд каждую секунду. Во втором случае над  одним заданием работают одновременно несколько процессоров. Каждый подход имеет свои преимущества.

Параллелизм можно вводить на разных уровнях. На самом низком уровне он может  быть реализован в процессоре за счет конвейеризации и суперскалярной архитектуры с несколькими функциональными блоками.

На следующем  уровне возможно внедрение в систему  внешних плат ЦП с улучшенными  вычислительными возможностями. Как  правило, в подключаемых процессорах  реализуются специальные функции, такие как обработка сетевых  пакетов, обработка мультимедийных данных, криптография. Производительность специализированных приложений за счет этих функций может быть повышена в 5-10 раз.

Чтобы повысить производительность в сто, тысячу или  миллион раз, необходимо свести воедино  многочисленные процессоры и обеспечить их эффективное взаимодействие. Этот принцип реализуется в виде больших  мультипроцессорных систем и мультикомпьютеров (кластерных компьютеров). Естественно, объединение тысяч процессоров в единую систему порождает новые проблемы, которые нужно решать.