 |
|
Суперкомпьютеры и особенности их архитектуры
К суперкомпьютерамотносятся мощные многопроцессорные вычислительные машины с быстродействием сотни миллионов — десятки-миллиардов операций в секунду.
Типовая модель суперкомпьютера 2001 года:
●высокопараллельная многопроцессорная вычислительная система с быстродействием порядка 100 000 MFLOPS (см. с. 92);
● емкость: оперативной памяти 10 Гбайт, дисковой памяти 1 —.10 Тбайт (1 Тбайт =
= 1024 Гбайт);
●разрядность 64 — 128 бит.
В декабре 1996 года фирма Intel объявила о создании суперкомпьютера Sandia, впервые в мире преодолевшего терафлопный барьер быстродействия. За 1 час 40 минут компьютер выполнил 6,4 квадриллиона операций с плавающей запятой. Конфигурация, достигшая производительности 1060 MFL0PS по тесту MP LINPACK, представляла собой 57 стоек, содержащих более 7000 процессоров Pentium Pro с тактовой частотой 200 МГц и оперативную память 454 Гбайт. Окончательный вариант суперкомпьютера имеет производительность 1,4 TFLOPS, включает 86 стоек общей площадью 160 м, 573 Гбайт оперативной и 2250 Гбайт дисковой памяти. Масса компьютера составляет около 45 тонн, а пиковое потребление энергии — 850 КВт,
В 1998 году японская фирма NEC (Nippon Electric Company) Corporation сообщила о создании суперкомпьютеров SX-5 с производительностью 4 TFLOPS, содержащих,512 процессоров и обеспечивающих общую скорость передачи данных 32 Тбайт/с.
Наконец, недавно фирма IBM объявила о разработке нового суперкомпьютера, который будет содержать более миллиона микропроцессоров Pentium Ш и иметь быстродействие порядка 10 операций в секунду.
Создать такие высокопроизводительные компьютеры на одном микропроцессоре (MII) не представляется возможным ввиду ограничения, обусловленного конечным значением скорости распространения электромагнитных волн (300 000 км/с), поскольку время распространения сигнала на расстояние несколько миллиметров (линейный размер стороны МП) при быстродействии 100 миллиардов операций в секунду становится соизмеримым со временем выполнения одной операции. Поэтому суперкомпьютеры создаются в виде высокопараллельных многопроцессорных вычислительных систем (МПВС).
Высокопараллельные МПВС имеют несколько разновидностей.
1. Магистральные(конвейерные) МПВС, у которых процессор одновременно выполняет разные операции над последовательным потоком обрабатываемых данных. По принятой классификации такие МПВС относятся к системам с многократным потоком команд и однократным потоком данных (МКОД или MISD — Multiple Instruction Single Data).
2. ВекторныеМПВС, у которых все процессоры одновременно выполняют одну команду над различными данными — однократный поток команд с многократным потоком данных (ОКЛАД или SIMD — Single Instruction Multiple Data).
3. МатричныеМПВС, у которых микропроцессор одновременно выполняет разные операции над последовательными потоками обрабатываемых данных— многократный поток команд с многократным потоком данных (МКМД или MIMD — Multiple Instruction Multiple Data).
Условные структуры однопроцессорной (SISD) и названных многопроцессорных ВС показаны на рис. 2.13.
В суперкомпьютере используются все три варианта архитектуры МПВС:
● структура MIMD в классическом ее варианте (например, в суперкомпьютере BSP фирмы Burrought);
● параллельно-конвейерная модификация, иначе MMISD, то есть многопроцессорная (Multiple) MISD архитектура (например в суперкомпьютере «Эльбрус 3»);
● параллельно-векторная модификация, иначе MSIMD, то есть многопроцессорная SIMD архитектура (например в суперкомпьютере Cray 2).
Наибольшую эффективность показала MSIMD архитектура, поэтому в современных суперкомпьютерах чаще всего находит применение именно она (суперкомпьютеры фирм Cray, Fujitsu, NEC, Hitachi и т. д.). Первый суперкомпьютер был задуман в 1960 и создан в 1972 году (машина ILLIAC IV с производительностью 20 MFLOPS), а начиная с 1975 года лидерство в разработке суперкомпьютеров захватила фирма Cray Research, выпустившая Cray 1 с производительностью 160 MFLOPS и объемом оперативной памяти 8 Мбайт, а в 1984 году Cray 2, в полной мере реализовавший архитектуру MSIMD и ознаменовавший появление нового поколения суперкомпьютеров. Производительность Cray 2— 2000 MFLOPS, объем оперативной памяти — 2 Мбайт (классическое соотношение, ибо критерий сбалансированности ресурсов компьютера — «каждому MFLOPS производительности процессора должно соответствовать не менее 1 Мбайт оперативной памяти»).
В настоящее время в мире насчитывается несколько тысяч суперкомпьютеров, начиная от простых офисных Cray EL до мощных 3, Cray 4, Сагу Y-МР С90 фирмы Cray Research, Cyber 205 фирмы Control Data, SX-3 и SX-Х компании NEC, VP 2000 компании Fujitsu (обе фирмы японские), VPP 500 компании Fujitsu Siemens (немецко-японская) и т. д., производительностью несколько десятков тысяч MFLOPS.
Среди лучших суперкомпьютеров можно отметить и отечественные суперкомпьютеры. В сфере производства суперкомпьютеров Россия, пожалуй, впервые, представила собственные оригинальные модели компьютеров (все остальные, включая и ПЭВМ, и малые ЭВМ, и универсальные компьютеры за редким исключением, например ЭВМ «Рута 110», копировали зарубежные решения, и, в первую очередь, разработки фирм США).
В СССР, а позднее в России была разработана и реализуется (сейчас, правда, почти заморожена) государственная программа разработки суперкомпьютеров. В рамках этой программы были спроектированы и выпущены такие суперкомпьютеры, как повторяющая Cray-архитектуру модель «Электроника СС БИС», оригинальные разработки: ЕС 1191, EC 1195, ЕС 1191.01, ЕС 1191.10, «Эльбрус».
Разработка новой модели ЕС 1191 с производительностью 1200 MFLOPS из-за нехватки средств отложена на неопределенный срок; офисные варианты ЕС 1195, ЕС 1191.01 имеют производительность соответственно 50 MFLOPS и 500 MFLOPS; практически заморожена и модель ЕС 1191.10 с производительностью 2000 MFLOPS.
На рис. 2.14 приведена структура суперкомпьютера «Эльбрус 3», разработанного в Институте точной механики и вычислительной техники (ИТМ и ВТ, Москва). Характеристики суперкомпьютера «Эльбрус 3»:
производительность 10 000 MFLOPS;
● разрядность 64 бит (можно работать и с 128-разрядными словами);
● 16 магистральных процессоров по 7 арифметико-логических устройств и 16 Мбайт оперативной памяти в каждом (итого — 256 Мбайт);
● общая оперативная память — 8 блоков по 256 Мбайт (итого — 2048 Мбайт);
● суммарная емкость оперативной памяти 1616+ 8 256 = 2304 (Мбайт);
● процессоров ввода-вывода, каждый из которых имеет:
● медленный канал;
● быстрый канал;
● дисковый канал для обмена данными, соответственно, с внешними устройствами, модульными комплексами телеобработки и накопителями на магнитных дисках, часто с дисковыми массивами типа RAID.
Используются операционные системы «Эльбрус» и UNIX, поддерживающие большое число языков программирования: Эль, Фортран, Паскаль, Кобол, Пролог и т. д.
Суперкомпьютер «Эльбрус ЗБ» медленно, но продолжает разрабатываться, ожидаемая его производительность — 20 000 MFLOPS. Для суперкомпьютера «Эльбрус» разработан один из первых в мире микропроцессор Е2к, имеющий VLIW- архитектуру.