Потоковые вычислительные системы

Эффективной технологией, поддерживающей параллельность вычислений в ВС, является технология управления последовательностью выполнения команд программы потоком данных. В традиционных фон Неймановских машинах последовательность выполнения команд управляется счетчиком команд; команды выполняются строго в той последовательности, в которой они следуют в программе, то есть в последовательности их записи в памяти машины (естественно, если нет команд передачи управления). Это затрудняет организацию параллельного выполнения сразу нескольких команд программы.

Теоретически существует несколько моделей управления последовательностью исполнения команд в машине:

l последовательностью следования команд в программах;

l потоком данных: команда выполняется, как только доступны все ее операнды;

l по запросу: команда выполняется, как только результаты ее исполнения потребуются другим командам.

Управление потоком данных естественно поддерживает параллельность вычислений, ибо как только появятся исходные данные для выполнения нескольких команд, эти команды могут параллельно одновременно выполниться. Вычислительные системы, в которых последовательность выполнения команд программы управляется потоком данных, называются потоковыми ВС. Элементы потокового управления используются и в микропроцессорах. Так в МП Pentium при конвейерной обработке инструкции выполняются параллельно, причем, вне порядка, установленного в программе, а по мере готовности операндов и наличия свободных функциональных устройств.

Суперкомпьютеры

К суперкомпьютерам относятся мощные многопроцессорные вычислительные машины с быстродействием сотни миллионов — десятки миллиардов операций с плавающей запятой в секунду (MFLOPS). Суперкомпьютеры применяются для решения таких сложных вычислительных задач, как задачи обеспечения государственной безопасности, задачи исследования космоса, метеопрогнозы (в том числе предсказание мощности и траекторий движения ураганов, прогнозирование глобального потепления), биохимические исследования животных и человека, контроль работоспособности ядерного оружия и надежности АЭС и др.

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 c производительностью 160 MFLOPS и объемом оперативной памяти 8 Мбайт, а в 1984 году — Cray 2, в полной мере реализовавший архитектуру SIMD (см.гл.16) и ознаменовавший появление нового поколения суперкомпьютеров. Производительность Cray 2 — 2000 MFLOPS, объем оперативной памяти — 2 Гбайта (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 Cray 3, Cray 4, Cray Y-MP C90 фирмы Cray; Research, Cyber 205 фирмы Control Data; SX-3 и SX-X компании NEC; VP 2000 компании Fujitsu, (обе фирмы японские), VPP 500 компании Fujitsu Siemens (немецко-японская) и др. производительностью несколько сотен тысяч MFLOPS.

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 MFLOPS 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 м², 573 Гбайта 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.

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 архитектуру зарубежных компьютеров 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, ЕС 1195, ЕС 1191.01, ЕС 1191.10, «Эльбрус».

Рис. 4.8. Структурная схема суперкомпьютера «Эльбрус»

На рис. 4.8 приведена структура суперкомпьютера «Эльбрус 3», разработанного в Институте точной механики и вычислительной техники (ИТМ и ВТ, Москва). Характеристики суперкомпьютера «Эльбрус 3»:

l производительность 10 000 MFLOPS;

l разрядность 64 бита (имеется возможность работы с 128-разрядными словами);

l 16 магистральных процессоров по 7 арифметико-логических устройств и 16 Мбайт оперативной памяти в каждом (итого — 256 Мбайт);

l общая оперативная память — 8 блоков по 256 Мбайт (итого — 2048 Мбайт);

l суммарная емкость оперативной памяти 1616+8256=2304 Мбайт;

l 8 процессоров ввода-вывода, каждый из которых имеет:

l медленный канал;

l быстрый канал;

l 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. Для суперкомпьютера «Эльбрус» разработан один из первых в мире микропроцессор E2k, имеющий VLIW-архитектуру.

Поиск по сайту: