АСОЦИАТИВНЫЕ КС

Данные кс относятся к классу SIMD. При этом в ассоциативных кстати обратная информация поступает от ассоциативных записывающих устройств (АЗУ), данная АЗУ характеризуется тем, что информация в них выбирается не по определенному адресу, а по содержанию само содержание делается в виде признаки сравнения. Данные об ОЗУ обрабатываются специальными ассоциативными кс:

Системы STARAN(USA)

Ассоциативная память - данной кс имела многомерный доступ к ней можно было обращается как поразрядно, так и пословно, процессоры(256) работали одновременно по одной команде, в них содержалось 256 регистров m, x, y. Регистры маски (м) маскировали элементы 256 разрядных кодов, регистры х и у выполняли логические операции с двумя переменными, мультиплексор обеспечивал поочерёдное использование перестановочной сети с различными у-вами - памятью регистрами и тд. Перестановочная сеть выполняла операции изменения данных в ассоциативной памяти, а также передачу и извлечению информации в процессорных элементов. Ассоциативные КС эффективны при параллельной работы данных, однако в них отсутствует возможность работы с широко распространённым по (СУБД, текстовые, табличные проц. и тд)

КС класса MISD

Misd кс - представляет собой как правило регулярную структуру последовательно соединённых процессоров П1 П2... Пn они образуют процессорный конвейер, в такой системе реализуется принцип конвейерной обработки. Он основан на разбиении всего процесса на последовательно выполняемые данные, при этом каждый этап выполняется на отдельном процессоре. Одинарные потоки исходных данных для решения задачи поступает на вход процессорного конвейера, к каждому процессору подводится свой поток команд в системе реализуется множественный поток команд. Кс такого класса практически нет, одна из немногих кс такого типа КС с систолитическим массивом процессора, в этом массиве процессоры находятся в узлах регулярные решётки, роль ребер играет межпроцессорные элементы, все процессоры управляются общими текстовыми генераторами.

КС класа MIMD

MIMD архитектура:

Пк поток команд, п - процессор, пд - поток данных

MIMD архитектура включает в себя все уровни параллелизма от конвейера операции до независимых программ. Поэтому кс такого класса в частных приложениях могут выступать как SIMD либо SISD система. Например, если много процессорный комплекс выполняет одну программу без параллелизма данных он функционирует как SISD система. MIMD системы по способу взаимодействия процессоров Делятся на системы с слабой и жёсткой связью, кс с MIMD архитектурой имеют множество реализаций, MIMD архитектура наиболее успешна, к КС с MIMD архитектурой относятся:

Мультипроцессорная, мультикомпьютерные системы с неоднородным доступом к памяти (NUMA) кластерные и GRID системы

Кс с SMP архитектурой (symmetric multiprocessing)

Главной особенностью является наличие общей физической памяти которая разделяется всеми процессорами. (Разделяемая физическая память, i/o подсистема)

Память служит в частности для передачи сообщений между процессорами (п1-Пn) При этом все вычислительные устройства при обращении к ней имеет равные права и одну и туже адресацию ячеек памяти, поэтому SMP архитектура называется симметричной, это позволяет эффективно обмениваться данными с другими вычислительными устройствами. SMP кс строится на основе высокоскоростной системной шины, к ней подключается процессоры, система ввода-вывода и тд. Основные преимущества SMP системы:

1. простота и универсальность для программирования
2. простота эксплуатации
3. низкая цена

Недостатки:

1. плохая масштабируемость
2. ограничения производительности пропускной способностью системной шины

SMP стандарт для современных многопроцессорных серверов (hp9000)

Кс с MPP архитектурой

MPP (massive parallel processing) - массивная параллельная многопроцессорная архитектура, основная особенность архитектуры состоит в том что память в ней физически разделена, при этом такая система строится из отдельных модулей содержащих процессор и локальный блок оперативной памяти (ОП) коммуникационные процессоры или сетевые адаптеры (R) устройства ввода вывода и тд. По своё MPP модули представляют полнофункциональные компьютеры, КС с MPP архитектурой:

Главным преимущества MPP кс является хорошая масштабируемость в отличии от SMP систем каждый процессор имеет доступ только к своей памяти. В этой связи нет необходимости в синхронизации процессорах. Практически все рекорды производительности установлены на машинах такого класса таким машины состоят из 1000 процессоров, например asci red и др. Недостатки:

1. Отсутствие общей памяти снижает скорость межпроцесcорного обмена
2. Каждый процессор может использовать только ограниченный объём локального блока памяти
3. Высокая цена ПО

Кс с NUMA архитектурой

Основная особенность архитектуры numa (nuonunifform memory ecces) неоднородный доступ к памяти. Совмещает достоинства систем с общей памятью и относительную дешевизну систем с разделяемой памятью. Суть этой архитектуры особая организация памяти. Память физически распределена по различным частям системы логически является общей. То есть пользователь видит единое адресное пространство. Система построена с однородных базовых модулей (плат) которые состоят низине большого числа процессоров и блока памяти. Модули объединены с помощью высоко скоростного коммутатора. Поддерживается единое адресное пространство, а также доступ к удаленной памяти, доступ к локальной памяти осуществляется в несколько раз быстрее чем к удельной. Архитектура numa является mpp арх в которой в качестве отдельных вычислительных элементов используются smp узлы.

Рисунок:

Впервые архитектуру предложил Стив Волох он реализовал не в системе серии exemplar.

Кластерные КС

Кластерные КС представляют совокупность двух и более вычислительных модулей объединённых коммуникационной средой. В качестве модулей в кластерах выступают готовые ЭВМ или smp системы малого размера в качестве коммуникационной среды совместимое оборудование. Кластер предстает перед пользователем как единое коммуникационное устройство. Способ соединение процессоров в кластерных кс в большой степени определяет производительность системы чем тип использованных процессоров. Критическим параметром, влияющим на величину производительности системы является расстояние между процессорами. Так соединив между собой n персональных пик мы получим кластерную кс. Проблема как эффективно соединить компьютеры друг с другом. Так при увлечение производительности каждого пик в m раз производительность систем не увеличивается. В случае построение системы из 8 процессорных флэш компьютерных узлов обеспечивает геометрия владения трехмерный куб. Рисунок

Используются также топологии КС (звезда, кольцо, трехмерный тор) наиболее эффективна топология толстого дерева (fat tree) при работе с кластерами используют определённую парадигму передачи данных mpi.

GRID кс

Распределённая кс объединяющая ресурсы различных типов процессоры, память, сети и т.д. при этом предполагается независимость доступа к этим ресурсам нет. Зависимо от географического места пользователя и ресурсов причина появления GRID систем: необходимость сложных научных, инженерных и бизнес задач. Архитектура системы состоит из взаимодействующих протоколов, сервисов, интерфейсов. С их помощью пользователь восстанавливает соединение с GRID системой и использует их ресурсы.

Базовый уровень определяет службы, непосредственно работающие с ресурсами, уровень связи определяет коммуникационный протокол и протоколы аутентификации. Протоколы аутентификации на основе криптографических механизмов осуществляет идентификацию проверку подлинности ценности пользователей и ресурсов. В настоящее время уровень связи для коммуникации использует tcp/ip. Уровень ресурсов реализуют протоколы, обеспечивающие согласование использования отдельных ресурсов. Коллективный уровень отвечающий за глобальную интеграцию различных наборов ресурсов. Прикладной уровень описывает пользовательское приложение в GRID архитектуре. Оно создаётся с помощью определённого набора инструментальных средств, например glite. Пользователи работают в GRID системе в рамках виртуальной организации (ВО). ВО обращение специалистов и ресурсов для решение задач определённой прикладной области. В данное время существует множество ВО. Например atlas, cms действующие в рамках проекта lcg2 (grid для обработки данных ускорителя cern).

Кс с нетрадиционной архитектурой

Кс класса sisd, simd, mimd имеет традиционную архитектуру. Её характерные черты:

1. имеют Фоннейманскую архитектуру это предусматривает хранение программного кода и данных в одной памяти, а также последовательная выполнения команд.
2. Распределение вычислений по процессорам, а также организация обмена данными возлагается на программиста.

Отметим что КС с традиционной архитектурой часто использует экстенсивный путь развития. При этом производительность отдельных процессоров увеличивается за счёт повышение тактовой частоты, а производительность всей системы за счёт введение числа процессоров в то же время очень многие задачи обладают скрытым паралелизмом, его учёт при выполнении вычислений приводит к росту производительности КС. КС учитывающий в своей архитектуре скрытый параллелизм относится к КС с нетрадиционной архитектуре. К ним в частности относятся кс с управляемой потоком данных и кс на основе систематического процессора.

Кс управляемая потоком данных

Для описания вычислительных процессов часто используется граф потоков данных. Он состоит из вершин отображающих операции (сложения умножения деления и тд.) а также дух показывающих потоки данных между теми вершинами графа, которые они соединяют. На рисунке представлен граф потока данных некоторого обучительного процесса

Вершиной графа арифметические операции распределены по уровням a, b, c, d. Каждая вершина имеет свой идентификатор, он состоит из буквы уровня и номера вершины на уровне. Как видно из рисунка вычислительный процесс имеет скрытый параллелизм (операции одного уровня могут выполнятся параллельно). Однако его реализация в КС традиционной архитектуры невозможна (штриховкой кривой приведен порядок операций в кс такой архитектуры) Стремление использования скрытого параллелизма задач привело к появлению кс с потоковой архитектурой.

Основные цели построения подобных систем

1. программист должен быть исключён из управления ресурсами вычислительного процесса, а также управления персональными вычислениями
2. задачи пункта 1 выполняются на аппаратном уровне

В соответствии с этими идеями был сформулирован основной принципы потоков и обработки, команды выполняются тогда, когда доступен не операнд.

Архитектура потоковой кс:

Выходящие из исполнительного устройства данные - результаты выполненных операций в свою очередь являются операндами для следующих операций, каждое выходное данное содержит указатель на следующий оператор. (Следующую вершину графа) ассоциативная память (АП) объединяет данные относящиеся к одному и тому же оператору (вершине графа) Если парного данного нет в ассоциативной памяти происходит его запись. Если парные данные есть происходит считывание этого данного со стиранием и формирование пары данных. Она передаётся исполнительному устройству с помощью БГП (буфер готовых пар). Коммутаторы К1 распределяют выходящие из модулей ап готовые пары по свободным исполнительным устройствам, коммутатор К2 распределяет входящие ищет исполнительного устройства результаты по модулям ап.

Достоинства кс которые управляются потоком данных

1. реализация параллелизма задачи на аппаратном уровне
2. программист исключен из процесса управления ресурсами вычислительного процесса
3. надёжность технологической системы
4. конвейеризация вычислительного процесса
5. простота написания программ

Недостатки:

Поиск по сайту: