Терминология в области ЭВМ, ВС и комплексов

В силу характера решаемых задач производительность процессорной подсистемы сервера зависит не столько от мощности используемых процессоров, сколько от их количества, объема кэш-памяти (имеющейся внутри процессора и внешней), типа и объема оперативной памяти, а также от быстродействия шины и набора микросхем системной логики. Процессоры для серверов имеют увеличенный объем внутренней кэш-памяти.

В настоящее время однопроцессорные ЭВМ используются лишь в качестве серверов начального уровня. Начиная с уровня отдела, применяются двух-, четырех- и восьмипроцессорные конфигурации, а уровень предприятия представлен серверами, содержащими несколько десятков процессоров. Таким образом, в большинстве своем серверы являются многопроцессорными вычислительными системами. Cервер управляется одной операционной системой.

В серверах широко применяется организация дисков в RAID-массивы, что повышает производительность подсистемы, ее отказоустойчивость или и то и другое.

Третьей важнейшей компонентой серверов является сетевая подсистема. В зависимости от уровня сервера используются различные типы и количество сетевых адаптеров. В серверах рабочих групп и отдела применяются 1-2 адаптера массового производства (такие, как Fast Ethernet или GigaEthernet). Сервер уровня предприятия содержит несколько высокопроизводительных сетевых адаптеров средней серийности, таких, как Myrinet или Infiniband.

Одна из основных тенденций в развитии серверостроения — размещение все большей вычислительной мощности во все меньшем объеме. При этом подсистема хранения данных выделяется в отдельное устройство, связанное с сервером высокопроизводительной сетью передачи данных. Оказалось гораздо удобнее сосредоточить множество таких устройств в специально выделенном помещении, как правило, очень небольшой площади и смонтировать их в стандартную 19- дюймовую стойку.

Следующий шаг в этом направлении — появление «серверов-лезвий» (blade), еще больше увеличивающих удельную вычислительную мощность. Это достигается благодаря переходу к компактным одноплатным серверам, вставляемым в общее шасси, которое монтируется в стандартную 19-дюймовую стойку. Кроме выгод, связанных с экономией площадей, подобный подход несколько облегчает проблему охлаждения, так как серверы в шасси располагаются вертикально и появляется возможность использовать конвективные потоки воздуха.

На плате располагаются до четырех процессоров, память, набор микросхем и один или два жестких диска. Общаются между собой серверы по шинам, расположенным на объединительной плате. Обычно используются такие интерфейсы, как Gigabit Ethernet, FibreChannel и Myrinet. В шасси в зависимости от компоновки может входить до 16 одноплатных компьютеров, один или два из которых выполняют функции управления системой. По мере роста потребностей в вычислительной мощности в шасси можно вставлять дополнительные серверы.

Мэйнфреймы

Мэйнфрейм — это синоним понятия «большая универсальная ЭВМ». Слово «мэйнфрейм» появилось в 70-80 е годы XX в., когда большие универсальные ЭВМ состояли из центрального процессора и множества подсистем: дисковых, ленточных, терминальных контроллеров и т.п. Практически все фирмы, которые производили подобную технику, придерживались примерно одинаковой архитектуры. Каждая из подсистем ЭВМ располагалась в отдельной стойке. Отсюда и название «мэйнфрейм» (main frame — «главная стойка»); оно закрепилось за центральной стойкой, где находился процессор.

Мэйнфреймы и до сегодняшнего дня остаются наиболее мощными (не считая супер-ЭВМ) вычислительными системами общего назначения, обеспечивающими непрерывный круглосуточный режим эксплуатации. Прогресс в области элементно-конструкторской базы позволил существенно сократить габариты основных устройств. Наряду со сверхмощными мэйнфреймами, требующими для охлаждения принудительной воздушной вентиляции, существуют модели, построенные по блочно-модульному принципу и не требующие специальных помещений и кондиционеров.

Основными поставщиками мэйнфреймов являются известные компьютерные компании IBM, Amdahl, ICL, Siemens Nixdorf и некоторые другие, но ведущая роль, безусловно, принадлежит компании IBM. Именно архитектура системы IBM/360, выпущенной в 1964 г., и ее последующие поколения стали образцом для подражания. В нашей стране в течение многих лет выпускались машины серии ЕС ЭВМ, являвшиеся отечественным аналогом этой системы.

В архитектурном плане мэйнфреймы представляют собой, как правило, многопроцессорные системы, содержащие один или несколько центральных и периферийных процессоров с общей памятью, связанных между собой высокоскоростными магистралями передачи данных. При этом основная вычислительная нагрузка ложится на центральные процессоры, а периферийные процессоры обеспечивают работу с широкой номенклатурой периферийных устройств.

Основная ориентация мэйнфреймов — централизованная модель вычислений и работа под управлением патентованных операционных систем, основное назначение — непрерывное обслуживание интенсивного потока транзакций. Первоначально мэйнфреймы имели ограниченные возможности для объединения в единую систему с использованием оборудования различных фирм-поставщиков. Однако повышенный интерес потребителей к открытым системам, построенным на базе международных стандартов и позволяющим достаточно эффективно использовать все преимущества такого подхода, заставил поставщиков мэйнфреймов существенно расширить возможности своих операционных систем в направлении совместимости.

Стремительный рост производительности персональных компьютеров, рабочих станций и серверов создал тенденцию перехода с больших универсальных ЭВМ на компьютеры менее дорогих классов: рабочие станции и многопроцессорные серверы. Эта тенденция получила название «разукрупнение».

Основным недостатком мэйнфреймов является относительно невысокое значение показателя «производительность/стоимость». Для распределенных сред, состоящих из многопроцессорных серверов и рабочих станций, данный показатель значительно выше. Но при этом следует помнить, что мэйнфреймы обеспечивают высочайший уровень надежности, готовности и информационной безопасности, достижение, и особенно поддержание которого в распределенных средах, требует значительных дополнительных затрат. При соблюдении высочайших требований по надежности, готовности и информационной безопасности мэйнфреймы имеют самую низкую стоимость владения по сравнению с другими архитектурами, что практически компенсирует высокие первоначальные затраты на приобретение системы.

Таким образом, основная область применения мэйнфреймов —высоконадежная централизованная высокопроизводительная обработка массированного потока транзакций. Поэтому основными потребителями подобной техники являются крупные компании— банковские, промышленные, транспортные и т.п., выбор которых, помимо рассмотренных аспектов, определяет важнейшее преимущество мэйнфреймов перед остальными вычислительными системами — более чем сорокалетняя преемственность систем. Примером служит архитектурная линия IBM— S/360, S/370, S/390, которая постоянно развивается. Модели ЭВМ сменяют одна другую, а накопленное программное обеспечение продолжает успешно функционировать.

К примеру, крупнейшая американская железнодорожная компания Union Pacific работает на приложениях, которые были разработаны в 60-е и 70-е годы прошлого века. Поскольку за прошедшие годы ни география, ни инфраструктура компании принципиально не поменялись, специалисты Union Pacific просто наращивают созданную систему, обновляя модели используемых мэйнфреймов.

В мире существует огромная инсталлированная база мэйнфреймов, на которой работают десятки тысяч прикладных программных систем. Отказаться от годами наработанного программного обеспечения просто неразумно. Поэтому не наблюдается снижения продаж больших универсальных ЭВМ. Эти системы, с одной стороны, позволяют модернизировать существующие системы, обеспечив сокращение эксплуатационных расходов, с другой стороны, создают новую базу для наиболее ответственных приложений.

Супер-ЭВМ

Согласно ГОСТ 15971-90 под супер-ЭВМ (суперкопьютером) понимается ЭВМ, относящаяся к классу ВМ, имеющих самую высокую производительность, которая может быть достигнута на данном этапе развития технологии, и в основном предназначенных для решения сложных научно-технических задач. Суперкомпьютер— это ЭВМ мелкосерийного или штучного выпуска, многократно превосходящая по вычислительной мощности массово выпускаемые компьютеры. Конкретная, численно выраженная грань быстродействия, отделяющая супер-ЭВМ от остальных ЭВМ, довольно размыта и быстро смещается по мере непрерывного прогресса в области производства процессоров. Поэтому отличительными признаками супер-ЭВМ будем полагать следующие:

• супер-ЭВМ не является изделием массового выпуска, и, следовательно, при ее изготовлении и применении используются уникальные технологии, более дорогие и, возможно, менее удобные, чем массовые технологии;

• суперкомпьютер — это ЭВМ, ориентированная на вычисления, на заметное, минимум на порядок, снижение времени выполнения сложных расчетов по сравнению с персональными ЭВМ или рабочими станциями.

Именно ориентация на вычисления является главным отличительным признаком супер-ЭВМ от мэйнфреймов, основным назначением которых является обработка транзакций.

Понятие «супер-ЭВМ» появилось одновременно с началом серийного производства компьютеров. С этого времени для решения особо сложных, стратегических задач стали применяться самые передовые технологии. Примерно до середины 80-х годов XX в. речь шла почти исключительно о технологиях производства процессоров, и с высокой степенью точности можно было утверждать, что суперЭВМ — это ЭВМ, оснащенная специальным, особо мощным (и потому — особо дорогим) процессором.

Ситуация изменилась, когда в 1989 г. фирма Intel выпустила однокристальный микропроцессор i860, сравнимый по производительности с еще действовавшей в то время супер-ЭВМ Сгау-1. Стало ясно, что с этого времени все процессоры будут только однокристальными, и это означает завершение 30-летней эпохи особо мощных и дорогих, изготавливаемых из отдельных элементов процессоров. Любую технологию повышения быстродействия процессора стало возможно реализовать на одном кристалле и за короткое время довести до крупносерийного выпуска. Поскольку производство микропроцессоров по существу является конвейерным и довольно дешевым, процессоры перестали делиться на «массовые и дешевые» и «особо мощные и дорогие».

Для создания супер-ЭВМ в этих условиях остался единственный путь — объединение многих процессоров для параллельного решения одной особо сложной задачи. С этого момента любая супер-ЭВМ обязательно стала представлять собой параллельную многопроцессорную вычислительную систему.

Классификация вычислительных систем

Вычислительные системы классифицируются по

Рассмотрим эти признаки классификации несколько подробнее.

По назначению ВС делятся на универсальные (общего назначения) и специализированные. Универсальные ВС используются для решения широкого круга задач различного характера, а спе-циализированные— определенного круга задач. Специализация ВС может определяться не только характером решаемых задач и ограниченностью их перечня, но и наличием в системе элементов (устройств) специального назначения.

По сложности (в зависимости от количества и сложности входящих в них элементов) раз-личают простые, сложные и очень сложные ВС.

Простые ВС — это системы, которые не имеют большого количества элементов и связей. Элементы выполняют простые функции. Они легко описываются и анализируются.

Сложные ВС — системы, обладающие разветвленной структурой, большим количеством взаимосвязанных и зависимых элементов, которые выполняют сложные функции. Как правило, сложные ВС являются многоцелевыми системами. Для них могут быть проанализированы и опи-саны лишь отдельные состояния.

Очень сложные ВС — системы, которые ввиду их сложности трудно подробно и точно описать.

По типу ЭВМ, из которых комплектуется ВС, различают однородные и неоднородные ВС. Принадлежность ВС к однородной или неоднородной системе определяется не только ЭВМ, но и их программной совместимостью. Степень программной совместимости ЭВМ тем выше, чем вы-ше степень их сходства по таким параметрам, как адресность, структура команд, представление данных и др.

По степени централизации ВС разделяют на централизованные и децентрализованные. При полной централизации все функции управления ВС сосредоточены в одном элементе. В качестве управляющего органа выступает ЭВМ- диспетчер, координирующая загрузку машин и их взаимодействие в процессе выполнения задания. При таком способе управления достигается высокий коэффициент использования ЭВМ в ВС. Однако при отказе управляющей ЭВМ вся ВС выходит из строя. В децентрализованных ВС функции управления распределены между ЭВМ системы. Структура управления обычно является иерархической, при этом может быть несколько уровней управления.

По принципу закрепления вычислительных функций за отдельными ЭВМ различают ВС с жестким и плавающим закреплением функций.

По формам обслуживания ВС можно разделить на системы с пакетной обработкой, с разде-лением времени и реального времени. В ВС с пакетной обработкой пользователи, как правило, не имеют непосредственного доступа к ЭВМ. Заранее подготовленные задания накапливаются в очереди и затем выполняются. В системах с разделением времени (СРВ) каждый пользователь имеет непосредственный доступ к ЭВМ или ВС через терминал. В этом режиме можно реализовать и пакетную обработку, если в этом есть необходимость. В системах реального времени ВС с помощью датчиков соединена с источником воздействий, непосредственно реагирующим на получаемые сигналы. Такие системы используют в системах автоматизации технологическими процессами, управления движением судов, ракет, самолетов и др.

По временному режиму работы различают ВС, работающие в оперативном и неоператив-ном режиме. ВС, работающие в оперативном режиме, являются системами реального времени, роль человека в них сведена к минимуму. Системы, работающие в неоперативном режиме, назы-вают иногда информационнологическими системами (ИЛС) или информационно-вычислительными системами (комплексами) (ИВС, ИВК). Роль человека в таких системах выше. Его вмешательство может прерывать процесс обработки информации.