Развития вычислительных систем

Разработка и применение параллельных вычислительных систем (ВС) является одним из стратегических направлений развития вычислительной техники. Это вызвано, с одной стороны, принципиальным ограничением максимально возможного быстродействия обычных последовательных ЭВМ, а с другой - постоянным увеличением вычислительной сложности прикладных задач, для решения которых производительности существующих средств вычислительной техники оказывается явно недостаточно. Это практические задачи управления большими распределенными системами (железные дороги, трубопроводы, электросети и т.п.), прогнозирование погоды и моделирование климата, анализ загрязнения окружающей среды, проектирование интегральных схем.

Организация параллельных вычислений, когда в один и тот же момент выполняются несколько операций обработки данных, осуществляется, в основном, за счет введения избыточности функциональных устройств – мультипроцессорности. В этом случае можно достичь ускорения решения вычислительной задачи, если осуществить разделение задачи на информационно независимые части и организовать выполнение каждой части на разных процессорах. Такой подход позволяет выполнять вычисления с меньшими затратами времени, причем повышение производительности ВС достигается не за счет более быстродействующей элементной базы, а за счет более эффективной организации вычислений. Кроме того, за счет дублирования обеспечивается большая надежность ВС, что особенно важно для решения задач управления.

Очевидно, что возможность получения максимально возможного ускорения ограничивается числом имеющихся процессоров и количеством «независимых» частей в выполняемых вычислениях.

Параллельные вычисления являются перспективным направлением развития вычислительной техники и представляют собой сложную область научной и технической деятельности. Проблематика параллельных вычислений очень широка и включает многие направления теоретических исследований и практических работ. Это разработка архитектур параллельных ВС, разработка параллельных алгоритмов и анализ их эффективности, создание системного программного обеспечения для параллельных ВС, параллельное программирование, эффективная организация вычислений (управление вычислительными процессами) в параллельных ВС.

При изучении организации параллельных вычислений в ВС следует различать следующие возможные способы организации выполнения нескольких программ или независимых частей одной программы.

Мультипроцессорный способ организации вычислений, при котором одновременно (параллельно во времени) могут выполняться несколько команд обработки данных. Такой способ организация вычислений может быть реализован при наличии нескольких процессоров или одного процессора, содержащего несколько конвейерных или векторных арифметико-логических устройств (АЛУ).

Мультипрограммный способ организации вычислений (способ разделения времени), при котором для выполнения нескольких процессов (программ, задач) используется единственный процессор, который по определенному алгоритму выделяет кванты процессорного времени каждому из процессов. Этот способ организации вычислений является псевдопараллельным, т.к. активным (исполняемым) может быть единственный процесс, а все остальные процессы находятся в очереди в состоянии ожидания. Применение этого способа повысить эффективность организации вычислений, например, если один из процессов не может выполняться из-за ожидания вводимых данных, процессор может быть задействован для выполнения другого, готового к исполнению процесса. При реализации данного способа проявляются многие эффекты параллельных вычислений, например, необходимость синхронизации и взаимоисключения процессов и др.

Распределенные вычисления – это параллельная обработка данных, при которой используются компьютеры или процессоры, достаточно удаленные друг от друга, поэтому передача данных по линиям связи приводит к существенным временным задержкам. Эффективная обработка данных при таком способе организации вычислений возможна только для параллельных алгоритмов с низкой интенсивностью потоков межпроцессорного обмена данными. Эти условия являются характерными, например, при организации вычислений в мультимашинных (мультикомпьютерных) вычислительных комплексах, образуемых соединением нескольких отдельных ЭВМ с помощью каналов связи локальных или глобальных информационных сетей.

На практике в ВС эти способы организации вычислений применяются как отдельно, так совместно.