Прогноз развития супер ЭВМ
ическим устройством.
Другая форма распараллеливания - конвейеризация, также требует наличия
нескольких ЦП или АЛУ. В то время, как множество данных обрабатывается на
одном устройстве, другое множество данных может обрабатываться на следующем
устройстве и т.д., при этом в процессе обработки возникает поток данных от
одного устройства (ЦП или АЛУ) к следующему. В течение всего процесса над
одним множеством данных выполняется одно за другим n действий. Одновременно
в конвейере на разных стадиях обработки могут находиться от 1 до n данных.
Параллелизм и конвейеризацию можно рассматривать на трех различных
уровнях, представленных в таблице 2. Шесть основных форм параллелизма, в
широком смысле этого слова, позволяют построить схему классификации, в
рамках которой можно описать разнообразие высокопроизводительных
вычислительных систем и отразить их эволюцию.
Таблица 2 - Классификация МВС по типу распараллеливания
|Уровень |Параллелизм |Конвейеризация |
|параллелизма | | |
| |Мультипроцессор |Макроконвейер |
| | | |
| |[pic] | |
|Программы | |[pic] |
| |Матричный процессор |Конвейер команд |
| | | |
| |[pic] |[pic] |
|Команды | | |
| |Множество разрядов |Арифметический |
| | |конвейер |
| | | |
| |[pic] |[pic] |
|Данные | | |
В векторных суперЭВМ обеспечена предельная производительность для
процессов скалярной и векторной обработки, которая присутствует в
большинстве задач. Задачи, содержащие высокую степень внутреннего
параллелизма, могут быть хорошо адаптированы к системам массового
параллелизма. Реальные задачи и, тем более, пакеты задач содержат целый ряд
алгоритмов, имеющих различные уровни параллелизма.
Все это говорит о том, что вместо попыток приспособить все типы
алгоритмов к одной архитектуре, что отражается на конфигурации архитектур и
сопровождается не всегда корректными сравнениями пиковой
производительности, более продуктивным является взаимодополнение архитектур
в единой системе. Одним из первых примеров такой системы является
объединение векторной системы Cray Y-XM с системой Cray T3D. Однако, это
объединение с помощью высокоскоростного канала приводит к необходимости
разбиения задач на крупные блоки и к потерям времени и памяти на обмен
информацией.
Ситуация в данном случае подобна той, которая существовала до
появления векторных машин. Для решения задач, содержащих большое число
операций над векторами и матрицами, использовались так называемые матричные
процессоры, например, фирмы FSP, которые подключались к универсальной
машине с помощью канала ввода/вывода. Интеграция скалярной и векторной
обработки в одном процессоре наряду с обеспечением высокой скорости работы
синхронного конвейера обеспечила успех векторных машин.
Следующим логическим шагом является интеграция скалярной, векторной и
параллельной обработки. Благодаря этому, может быть достигнута высокая
реальная производительность за счет распределения отдельных частей
программы по подсистемам с различной архитектурой. Естественно, это
распределение работы должно быть поддержано аппаратно-программными
средствами автоматизации программирования. Эти средства должны содержать
возможность интерактивного вмешательства программиста на этапе анализа
задачи и возможность моделирования или пробного запуска программы с
измерением параметров эффективности. Следует подчеркнуть, что формы
параллелизма в алгоритмах достаточно разнообразны, поэтому и их аппаратное
отражение может быть различным. К наиболее простым можно отнести системы с
одним потоком команд и множественными потоками данных, системы с
множественными потоками команд и данных, систолические системы.
Одним из многообещающих подходов, обеспечивающих автоматическое
распараллеливание, является принцип потока данных, при котором
последовательность или одновременность вычислений определяется не
командами, а готовностью операндов и наличием свободного функционального
арифметического устройства. Однако, и в этом случае степень реального
распараллеливания зависит от внутреннего параллелизма алгоритма и,
очевидно, нужны эффективные способы подготовки задач. Кроме того, для
реализации таких систем необходимо создание ассоциативной памяти для поиска
готовых к работе пар операндов и систем распределения вычислений по
большому числу функциональных устройств.
Аппаратная реализация параллельных подсистем полностью зависит от
выбранных микропроцессоров, БИС памяти и других компонентов. В настоящее
время по экономическим причинам целесообразно использовать наиболее
высокопроизводительные микропроцессоры, разработанные для унипроцессорных
машин.
Вместе с тем, существуют подходы, связанные с применением
специализированных микропроцессоров, ориентированных на использование в
параллельных системах. Типичным примером является серия транспьютеров фирмы
Inmos. Однако, из-за ограниченного рынка эта серия по производительности
резко отстала от универсальных микропроцессоров, таких, как Alpha, Power
PC, Pentium. Специализированные микропроцессоры смогут быть
конкурентноспособными только при условии сокращения расходов на
проектирование и освоение в производстве, что в большой степени зависит от
производительности инструментальных вычислительных средств, используемых в
системах автоматизированного проектирования.
В различных вычислительных машинах использовались различные подходы,
направленные на достижение, в первую очередь, одной из следующих целей:
- максимальная арифметическая производительность процессора;
- эффективность работы операционной системы и удобство общения с ней
для программиста;
- эффективность трансляции с языков высокого уровня и исключение
написания программ на автокоде;
- эффективность распараллеливания алгоритмов для параллельных
архитектур.
Однако, в любой машине необходимо в той или иной форме решать все
указанные задачи. Отметим, что сначала этого пытались достичь с помощью
одного или нескольких одинаковых процессоров.
Дифференциация функций и специализация отдельных подсистем начала
развиваться с появления отдельных подсистем и процессоров для обслуживания
ввода/вывода, коммуникационных сетей, внешней памяти и т.п.
В суперЭВМ кроме основного процессора (машины) включались внешние
машины. В различных системах можно наблюдать элементы специализации в
направлениях автономного выполнения функций операционной системы, системы
программирования и подготовки заданий.
Во-первых, эти вспомогательные функции могут выполняться параллельно с
основными вычислениями. Во-вторых, для реализации не требуются многие из
тех средств, которые обеспечивают высокую производительность основного
процессора, например, возможность выполнения операций с плавающей запятой
и векторных операций. В дальнейшем, при интеграции скалярной, векторной и
параллельной обработки в рамках единой вычислительной подсистемы состав
этих вспомогательных функций должен быть дополнен функциями анализа
программ с целью обеспечения требуемого уровня параллелизма и распределения
отдельных частей программы по различным ветвям вычислительной подсистемы.
Появление суперЭВМ сопровождалось повышением их общей мощности
потребления (выше 100 кВт) и увеличением плотности тепловых потоков на
различных уровнях конструкции. Их создание не в последнюю очередь оказалось
возможным, благодаря использованию эффективных жидкостных и фреоновых
систем охлаждения. Является ли значительная мощность существенным признаком
суперЭВМ? Ответ на этот вопрос зависит от того, что вкладывается в понятие
суперЭВМ.
Если считать, что суперЭВМ или, точнее, суперсистема - это система с
наивысшей возможной производительностью, то энергетический фактор остается
одним из определяющих эту производительность. По мере развития технологии
мощность одного вентиля в микропроцессорах уменьшается, но при повышении
производительности процессора за счет параллелизма общая мощность в ряде
случаев растет. При объединении большого числа микропроцессоров в системе с
массовым параллелизмом интегральная мощность и тепловыделение становятся
соизмеримыми с аналогичными показателями для векторно-конвейерных систем.
Однако, иногда в рекламных целях параллельные системы с небольшим числом
процессоров сравниваются с суперкомпьютерами предыдущего или более раннего
поколений, чтобы показать их преимущества в смысле простоты и удобства
эксплуатации. Естественно, из такого некорректного сравнения нельзя сделать
вывод о целесообразности создания современных суперсистем.
Основным стимулом создания суперсистем являются потребности решения
больших задач. В свою очередь, исследования
| |  скачать работу |
Прогноз развития супер ЭВМ |
