по дисциплине: Информатика. Тема: «Классификация компьютеров. Особенности и технические характеристики классов» Дата: 29. 11. 09 (стр. 7 из 13)

Наибольшую эффективность показала MSIMD-архитектура, поэтому в современных супер-ЭВМ чаще всего используется именно она (суперкомпьютеры фирм Cray, Fujitsu, NEC, Hitachi и др.).
Первая суперЭВМ была задумана в 1960 г. и создана в 1972 г. (машина ILLIAC IV с производительностью 20 MFLOPS), а начиная с 1974 г. лидерство в разработке суперЭВМ захватила фирма Cray Research, выпустившая ЭВМ Cray 1 с производительностью 160 MFLOPS и объе-мом оператив¬ной памяти 64 Мбайта, а в 1984 г. – ЭВМ Cray 2, в полной мере реализовавшую архитектуру MSIMD и ознаменовавшую появление нового поколения суперЭВМ. Производительность Cray 2 составляла 2000 MFLOPS, объем оперативной памяти – 2 Гбайта. Классическое соотношение, так как критерий сбалансированности ресурсов ЭВМ – каждому MFLOPS производительности процессора должно соответствовать не менее 1 Мбайта оперативной памяти.
В настоящее время в мире насчитывается несколько тысяч суперЭВМ (в 1991 г. – 900 шт.) начиная от простеньких офисных Cray EL до мощных Cray 3, Cray 4, Cray Y-MP C90 фирмы Cray Research, Cyber 205 фирмы Control Data, SХ-3 и SX-X фирмы NEC, VP 2000 фирмы Fujitsu, VPP 500 фирмы Siemens и другие. Их производительностью составляет несколько десятков тысяч MFLOPS. Среди лучших суперЭВМ можно отметить и отечественные суперкомпьютеры.

Современную архитектуру компьютера определяют следующие принципы:

1. Принцип программного управления. Обеспечивает автоматизацию процесса вычислений на ЭВМ. Согласно этому принципу, для решения каждой задачи составляется программа, которая определяет последовательность действий компьютера. Эффективность программного управления будет выше при решении задачи этой же программой много раз (хотя и с разными начальными данными).

2. Принцип программы, сохраняемой в памяти. Согласно этому принципу, команды программы подаются, как и данные, в виде чисел и обрабатываются так же, как и числа, а сама программа перед выполнением загружается в оперативную память, что ускоряет процесс ее выполнения.

3. Принцип произвольного доступа к памяти. В соответствии с этим принципом, элементы программ и данных могут записываться в произвольное место оперативной памяти, что позволяет обратиться по любому заданному адресу (к конкретному участку памяти) без просмотра предыдущих.

Классификация компьютеров по функциональным возможностям.

Схема классификации компьютеров, исходящая из их производительности, размеров и функционального назначения, приведена на рис. 1. Следует отметить, что вопрос об отнесении конкретного компьютера к одной из категорий этой схемы может иметь неоднозначный ответ, привязанный к конкретной исторической

обстановке или доминирующему поколению ЭВМ.

Место супер-ЭВМ в этой иерархии уже обсуждалось. Определить супер-ЭВМ можно лишь относительно: это самая мощная вычислительная система, существующая в соответствующий исторический период. В настоящее время наиболее известны мощные супер-ЭВМ “Cray” и “IBM SP2” (США). Модель “Сгау-3”, выпускаемая с начала 90-х годов на основе принципиально новых микроэлектронных технологий, является 16-процессорной машиной с быстродействием более 10 млрд. операций в секунду (по другим данным 16) над числами с “плавающей точкой” (т.е. длинными десятичными числами; такие операции гораздо более трудоемки, чем над целыми числами); в модели CS 6400 число процессоров доведено до 64. Супер-ЭВМ требуют особого температурного режима, зачастую водяного охлаждения (или даже охлаждения жидким азотом). Их производство по масштабам несопоставимо с производством компьютеров других классов (так, в 1995 г. корпорацией “Cray” было выпущено всего около 70 таких компьютеров).

Суперкомпьютеры — это очень мощные компьютеры с производительностью свыше 100 мегафлопов (1 мегафлоп — миллион операций с плавающей точкой в секунду). Они называются сверхбыстродействующими. Эти машины представляют собой многопроцессорные и (или) многомашинные комплексы, работающие на общую память и общее поле внешних устройств. Различают суперкомпьютеры среднего класса, класса выше среднего и переднего края (high end).

Оксфордский толковый словарь по вычислительной технике, изданный почти 10 лет назад, в 1986 году, сообщает, что суперкомпьютер - это очень мощная ЭВМ с производительностью свыше 10 MFLOPS (миллионов операций с плавающей запятой в секунду). Сегодня этот результат перекрывают уже не только рабочие станции, но даже, по крайней мере, по пиковой производительности, и ПК. В начале 90-х годов границу проводили уже около отметки в 300 MFLOPS. В этом году, судя по появившимся в печати сообщениям, специалисты двух ведущих "суперкомпьютерных" стран, - США и Японии, - договорились о подъеме планки до 5 GFLOPS.

Однако такой подход к определению суперЭВМ не совсем корректен. Очевидно, что, современный двухпроцессорный компьютер Cray C90 любой здравомыслящий человек назовет суперЭВМ. А тем не менее, его пиковая производительность меньше 2 GFLOPS. С этим вопросом тесно связаны и ограничения (ранее - КОКОМ, теперь - Госдепартамента США) на поставку высокопроизводительных средств вычислительной техники другим странам. Компьютеры с производительностью свыше 10 000 млн. теоретических операций в сек. (MTOPS), согласно определению Госдепартамента США, считаются суперкомпьютерами [1].

Более корректно, на наш взгляд, перечислить основные признаки, характеризующие суперЭВМ, среди которых кроме высокой производительности следует отметить:

 самый современный технологический уровень (например, GaAs-технология);

 специфические архитектурные решения, направленные на повышение быстродействия (например, наличие операций над векторами);

 цена, обычно свыше 1-2 млн. долл.

Архитектура суперкомпьютеров основана на идеях параллелизма и конвейеризации вычислений.

В этих машинах параллельно, то есть одновременно, выполняется множество похожих операций (это называется мультипроцессорной обработкой). Таким образом, сверхвысокое быстродействие обеспечивается не для всех задач, а только для задач, поддающихся распараллеливанию.

Что такое конвееpная обработка? Приведем сравнение — на каждом рабочем месте конвейера выполняется один шаг производственного процесса, а на всех рабочих местах в одно и то же время обрабатываются различные изделия на всевозможных стадиях. По такому принципу устроено арифметико-логическое устройство суперкомпьютера.

Отличительной особенностью суперкомпьютеров являются векторные процессоры, оснащенные аппаратурой для параллельного выполнения операций с многомерными цифровыми объектами — векторами и матрицами. В них встроены векторные регистры и параллельный конвейерный механизм обработки. Если на обычном процессоре программист выполняет операции над каждым компонентом вектора по очереди, то на векторном — выдаёт сразу векторные команды.

Векторная аппаратура очень дорога, в частности, потому, что требуется много сверхбыстродействующей памяти под векторные регистры.

Наиболее распространённые суперкомпьютеры — массово-параллельные компьютерные системы. Они имеют десятки тысяч процессоров, взаимодействующих через сложную, иерархически организованую систему памяти.

В качестве примера рассмотрим характеристики многоцелевого массово-параллельного суперкомпьютера среднего класса Intel Pentium Pro 200. Этот компьютер содержит 9200 процессоров Pentium Pro на 200 Мгц, в сумме (теоретически) обеспечивающих производительность 1,34 Терафлоп (1 Терафлоп равен 10¹² операций с плавающей точкой в секунду), имеет 537 Гбайт памяти и диски ёмкостью 2,25 Терабайт. Система весит 44 тонны (кондиционеры для неё — целых 300 тонн) и потребляет мощность 850 кВт.

Суперкомпьютеры используются для решения сложных и больших научных задач (метеорология, гидродинамика и т. п.), в управлении, разведке, в качестве централизованных хранилищ информации и т.д.

Элементная база — микросхемы сверхвысокой степени интеграции.

Можно ли как-то точно определить, что есть суперкомпьютер, а что есть высокопроизводительная установка? Ученые и специалисты спорят о критериях до сих пор. Но в одном нет сомнения: если в каждый момент времени взять 500 самых мощных машин мира, то все специалисты согласятся, что их можно смело называть суперкомпьютерами. Так что, вполне можно придерживаться такого определения.

C 1993 года в мире ведется рейтинг пятисот самых мощных компьютеров — TOP-500 http://www.top500.org. Рейтинг обновляется 2 раза в год — в июне и ноябре. На сайте TOP-500 есть база данных всех выпусков рейтинга с 1993 года, есть очень удобные средства поиска http://www.top500.org/sublist/ в этой базе данных. Легко, например, узнать, сколько суперкомпьютеров было в такой-то стране за весь период существования рейтинга или в тот или иной год. Легко узнать, сколько суперкомпьютеров попало в этот список (за все годы существования рейтинга, или в определенный год) от некоторого производителя: IBM, HP, и т.д. Можно узнать, сколько было отечественных разработок. Поскольку наши производители еще не такие именитые, как IBM, в графе «Производитель» их помечают словами «собственная разработка» — «self-made».

Чем суперкомпьютеры отличаются по устройству от простых (персональных) компьютеров? Каковы их архитектурные особенности? Сегодня все суперкомпьютеры — это мультипроцессорные системы, т.е. это системы, в которых не один и не два процессора (как в большинстве персоналок), а очень много — сотни, тысячи, до десятка тысяч. Архитектура у суперкомпьютеров бывает разная: векторная, конвейерная и др. Но на сегодняшний день самая популярная архитектура суперкомпьютеров (72% в списке TOP-500) — кластеры. Кластерная архитектура подразумевает создание суперкомпьютера по следующей схеме:

-Берутся так называемые вычислительные узлы — самые обычные компьютеры, как и у простых пользователей. Вот только процессоров в узле обычно несколько: от 2-х до 8-ми. Если не вдаваться в детали, то можно сказать, что используются комплектующие, широко доступные на рынке: обычные (SMP-мультипроцессорные) материнские платы, обычные процессоры (от Intel, от AMD или от IBM и т.п.), память, диски.
-Как правило, все эти комплектующие собираются в специальном корпусе, в компактном исполнении, в компактном форм-факторе. Обычно это выглядит так, как будто привычную персоналку "раскатали в тонкий (порядка 3 см) блин".
-Затем берется большое количество таких узлов — сотни и даже тысячи. Узлы устанавливаются в специальные шкафы и соединяются между особой сверхбыстрой сетью, которая используется для организации параллельного счета. Иногда для этого используют широкодоступные сетевые технологии, например, Gigabit Ethernet. Однако когда речь идет о серьезном подходе к суперкомпьютеру, то используют особые сетевые решения, специальную сеть для оптимальной организации параллельного счета: InfiniBand, SCI, Myrinet и др.

Кроме этой «сети для счета», обычно узлы связывают еще одной сетью — для передачи данных и программ. Здесь уже используют, как правило, обычные сетевые технологии (сегодня это, как правило, Gigabit Ethernet).
Более того, часто в суперкомпьютере бывает и третья, одельная управляющая сеть, которая регулирует такие вопросы как включение-выключение электропитания, Reset отдельных узлов, вышедших из повиновения и т.д.

Конструктивно все это выглядит довольно внушительно. Даже если мы рассматриваем суперкомпьютеры с 100 до 500-го места списка TOP-500, то это от 2-х до 10-ти шкафов, в которые компактно упакованы вычислительные узлы. Первая сотня в списке TOP-500 — это десятки шкафов оборудования. А машины из первой десятки списка TOP-500 занимает огромное помещение, заставленное сотней шкафов. Иногда для таких машин даже строят специальное здание, как это было для известного японского суперкомпьютера Earth Simulato. Сегодня он занимает седьмое место в Top500, а ранее долгое время (с ноября 2001 по июнь 2004 года, шесть выпусков рейтинга Top500!) он был самым мощным суперкомпьютером в мире.

Рис.1 Японский суперкомпьютер Earth Simulator (3-ий этаж компьютера)

В этом здании на первом этаже располагается электростанция, поскольку Earth Simulator потребляет шесть мегаватт электроэнергии. Второй этаж занимают только коммуникации — кабельные сети. Третий этаж заставлен полностью шкафами с оборудованием. Размеры каждого этажа 65х50 метров, высота — 7 метров.
А, скажем, наш самый мощный суперкомпьютер отечественной разработки «СКИФ К-1000», который представляет собой 8 шкафов (которые занимают около 5 кв.м), 288 вычислительных узлов, 576 процессоров, для своего размещения требует помещения в 20 кв. метров. Кроме узлов в шкафах тянутся 2,5 километра кабеля с примерно 2000 разъемов, которые надо было, ничего не напутав, правильно подсоединить. Потребляет эта установка 89 киловатт.
Несколько слов о том, что такое производительность суперкомпьютера. Измеряется она в количестве вычислительных арифметических операций, выполняемых суперкомпьютером за одну секунду. Современные суперкомпьютеры способны выполнять миллиарды (GFlops) и триллионы операций в секунду (TFflops).