Классификация вычислительных систем

Классификация ВС возможна по ряду признаков, в основу которых положен реализуемый параллелизм.

Порежиму работы различают однопрограммные и мультипрограммные ВС. Однопрограммные ВС предусматривают, нахождение в памяти машины и обработку только одной программы. Альтернативными являются мультипрограммные ВС, способные в один и тот же момент времени выполнять несколько программ.

Порежиму обслуживания различают: ВС с режимоминдивидуального пользования - система полностью предоставляется в распоряжение пользователя, на время решения его задачи. Как правило, в этом режиме функционируют однопрограммные ВС.

Другим режимом является пакетная обработка. В этом случае подготовленные пользователем программы передаются обслуживающему систему персоналу и накапливаются во внешней памяти. При активизации система выполняет накопленный пакет программ. В этом режиме работают однопрограммные и многопрограммные ВС.

Режим коллективного пользованияпредусматривает возможность одновременного доступа нескольких пользователей к ресурсам ВС. Каждому пользователю предоставлен терминал, через который устанавливается связь с ВС.

Рис. ВС коллективного пользования.

Системы коллективного использования с квантованным обслуживанием называются системами с разделением времени.

По особенностям территориальному размещению частей системы различают следующие типы:

• СосредоточенныеВС - комплекс компактно размещенного оборудования.
• ВС стелеобработкой содержат, расположенные на значительном расстоянии от вычислительных средств терминалы ввода-вывода. Соединение этих терминалов с центральными средствами ВС осуществляется по каналам связи.
• Вычислительные сетипредставляет собой территориально рассредоточенную многомашинную систему, состоящую из взаимодействующих ЭВМ, связанных между собой каналами передачи данных.

По степени распределения управляющих функций ВС выделяют централизованныесзакреплением всех управляющих функций в одном элементе ВС и децентрализованные.

По назначению ВС делятся на универсальные и специализированныеВС. Универсальные ВС предназначены для решения широкого круга задач различного назначения.

Специализированные ВС ориентированы на решение заранее определенного класса задач.

По типу используемых ЭВМ (процессоров) различают:

· Однородные ВС, построенные из однотипных ЭВМ (процессоров).

· Неоднородные. Последние, как правило, используют различные специализированные процессоры, например процессоры для операций над числами с плавающей точкой, для обработки десятичных чисел и др.

Классификация ЭВМ

Существует различные варианты классификации архитектуры современных ЭВМ. В данном разделе рассмотрим два наиболее часто используемых варианта классификации. Первый вариант базируется на взаимосвязи команд и обрабатываемых данных. В основу второго варианта классификации положены признаков, охватывающих технические, стоимостные, эксплуатационные и другие характеристики.

Классификация базирующаяся на взаимосвязи команд и обрабатываемых данных. В настоящее время под архитектурой компьютера понимается его структурная организация в виде совокупности функциональных модулей и определенных связей между ними.

1. Архитектура SISD (Single Instruction Single Data, одиночный поток команд, одиночный поток данных.). Это традиционная архитектура включает все однопроцессорные вычислительные системы (фон-неймановская ЭВМ), в которых имеется одна последовательность команд и каждая команда инициирует выполнение одной операции.

2. Архитектура SIMD(Single Instruction Multiplе Data, одиночный поток команд - множественный поток данных). включает многопроцессорные системы, в которых множество потоков данных обрабатывается одним потоком инструкций. Так, например, одна команда может выполняться над массивом данных. К этому типу относятся векторные и матричные системы. К числу SIMD- машин относится, например, конвейерная векторная ЭВМ Cray 1 и матричный процессор DAP фирмы ICL.

3. Архитектура MISD (Multiple Instruction Single Data, множественный поток команд - одиночный поток данных.) содержит многопроцессорные системы, в которых одиночный поток данных обрабатывается под воздействием множества потоков инструкций, как это, в частности, имеет место в конвейерных системах.

4. Архитектура MIMD(Multiple Instruction Multiple Data, множественный поток команд множественный поток данных.) включает многопроцессорные системы, в которых множество потоков данных обрабатывается под воздействием множества потоков инструкций, как это осуществляется, в частности, в машинах потоков данных. Эта архитектура предусматривает несколько вариантов.

· объединяется множество независимых ЭВМ, каждая со своей памятью, способных одновременно выполнять несколько различных операций. Примерами такой архитектуры являются мультипроцессорные матрицы.

· множество подчиненных процессоров, которые могут быть по отдельности подключены к общей памяти с множественным доступом через коммутационную матрицу, управляемую ведущим процессором.

Классификация по совокупности признаков, охватывает технические, стоимостные, эксплуатационные и другие характеристики. Эта классификация носит приближенный характер, что объясняется постоянным и стремительным развитием микроэлектроники.

СуперЭВМ. СуперЭВМ представляют класс компьютеров, обладающих максимальными быстродействием и точностью вычислений. В большинстве суперЭВМ используется 64 разрядная и более обработка данных. Скорость обработки составляет от 10⁷ до 10¹⁰ операций с плавающей запятой в секунду. Стоимость суперЭВМ измеряется миллионами долларов. СуперЭВМ используются для решения научных, инженерных задач.

Список суперкомпьютеров можно просмотреть в Top500: Фирма IBM компьютер Top500 (www.top500.org) Big Blue. Новый рейтинг возглавляет суперкомпьютер Compaq Computer 3024 с процессором Terascale, установленный в суперкомпьютерном центре в Питсбурге. Второе место система IBM ASCI White. Третья и четвертая позиция – компьютеры NEC. Пятая – машина Cray. Необходимо отметить, что рейтинги суперкомпьютеров постоянно меняются.

Например, суперкомпьютер IBM (проектируется) Blue Gene/L с 65000 процессорами для исследовательского центра Национальной лаборатории Лоуренса Ливермора. Самая мощная предыдущая версия IBM ASCI White, также установленная в LLNL была до нее. Blue Gene/L будет иметь 16 трлн. Байт памяти, и будет выпольнять 200 трлн. Операций в секунду. Это значит, что память больше в 100 тыс. раз, чем у типичного ПК, а быстродействие в 33 тыс. раз больше, чем каждый житель планеты производил по 33 тыс. вычислений на карманном калькуляторе. Машина является частью программы Blue Gene объемом в 100 млн. $, нацеленной на создание компьютера, способного выполнять 10¹⁵ операций в секунду. Компьютер Blue Gene/L, обеспечит пятую часть этой производительности.

Есть класс корпоративных компьютеров, стоимостью 1 млн. $ и выше. Этот класс ниже по производительности, чем суперкомпьютеры.

Белорусско-Российская программа разработки суперкомпьютерной техники СКИФ (можно найти на сайте: http://skif.bas-net.by). Концепция создания моделей семейства суперкомпьютеров "СКИФ" базируется на масштабируемой кластерной архитектуре, реализуемой на классических кластерах из вычислительных узловна основе компонент широкого применения (стандартных микропроцессоров, модулей памяти, жестких дисков и материнских плат, в том числе с поддержкой SMP).

Кластерный архитектурный уровень - это тесносвязанная сеть (кластер) вычислительных узлов, работающих под управлением ОС Linux-одного из клонов широко используемой многопользовательской универсальной операционной системы UNIX. Для организации параллельного выполнения прикладных задач на данном уровне используются:

· разрабатываемая в рамках Программы оригинальная система поддержки параллельных вычислений - Т-система, реализующая автоматическое динамическое распараллеливание программ;

· классические системы поддержки параллельных вычислений, обеспечивающие эффективное распараллеливание прикладных задач различных классов (как правило, задач с явным параллелизмом): MPI, PVM, Norma, DVM и др. В семействе суперкомпьютеров "СКИФ" в качестве базовой классической системы поддержки параллельных вычислений выбран MPI, что не исключает использование других средств.

Рис. Базовая кластерная архитектура

На кластерном уровне с использованием Т-системы и MPI эффективно реализуются фрагменты со сложной логикой вычисления, с крупноблочным (явным статическим или скрытым динамическим) параллелизмом. Фрагменты же с простой логикой вычисления, с конвейерным или мелкозернистым явным параллелизмом, с большими потоками информации, требующими обработки в реальном режиме времени, на кластерных конфигурациях реализуются менее эффективно. Для организации параллельного исполнения задач с подобными фрагментами наиболее адекватна модель потоковых вычислений (data-flow).

Кластерная архитектура является открытой и масштабируемой, т.е. не накладывает жестких ограничений к программно-аппаратной платформе узлов кластера, топологии вычислительной сети, конфигурации и диапазону производительности суперкомпьютеров.
Для организации взаимодействия вычислительных узлов суперкомпьютера в его составе используются различные сетевые (аппаратные и программные) средства, в совокупности образующие две системы передачи данных:

Cистемная сеть кластера (СС) или System Area Network (SAN) объединяет узлы кластерного уровня в кластер. Данная сеть поддерживает масштабируемость кластерного уровня суперкомпьютера, а также пересылку и когерентность данных во всех вычислительных узлах кластерного уровня суперкомпьютера. Системная сеть кластера строится на основе специализированных высокоскоростных линков класса SCI, Myrinet, cLan и др., предназначенных для эффективной поддержки кластерных вычислений и соответствующей программной поддержки на уровне ОС Linux и систем организации параллельных вычислений (Т-система, MPI).

Вспомогательная сеть суперкомпьютера (ВС) с протоколом TCP/IP объединяет узлы кластерного уровня в обычную (TCP/IP) локальную сеть (TCP/IP LAN). Данная сеть может быть реализована на основе широко используемых сетевых технологий класса Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, ATM и др. Данная сеть предназначена для управления системой, подключения рабочих мест пользователей, интеграции суперкомпьютера в локальную сеть предприятия и/или в глобальные сети. Кроме того, данный уровень может быть использован и системой организации параллельных кластерных вычислений (Т-система, MPI) для вспомогательных целей (основные потоки информации, возникающие при организации параллельных кластерных вычислений, передаются через системную сеть кластера).
В некоторых случаях аппаратура системной сети, например, Myrinet, позволяет без ущерба для реализации кластерных вычислений поддержать на этой же аппаратуре реализацию сети TCP/IP. В этих случаях аппаратные части обеих сетей (SAN и TCP/IP LAN) могут быть совмещены.

Кластерные конфигурации на базе только вспомогательной сети TCP/IP без использования дорогостоящих специализированных высокоскоростных линков класса SCI могут быть реализованы в рамках семейства "СКИФ" в виде самостоятельных изделий (TCP/IP кластеры). Программное обеспечение таких кластеров - ОС Linux, T-система и соответствующая реализация MPI. Реализация сравнительно недорогих TCP/IP кластеров на базе "масштабирования вниз" архитектурных решений "СКИФ" (дополнительный или вторичный эффект) существенно расширяет область применения результатов реализации Программы.
Кластерные конфигурации на базе только вспомогательной сети могут быть реализованы как на базовых конструктивах "СКИФ", так и путем кластеризации имеющихся у пользователей ПЭВМ ("персональные кластеры" или "супер ПЭВМ").

ЭВМ общего назначения Main Frame.

Как правило, эти ЭВМ имеют скалярно ориентированную архитектуру и совместимы с машинами фирмы IBM. Совместимость позволяет легко наращивать и изменять состав ЭВМ, обеспечивает удобство обслуживания и обучения, сохраняет наработки в области программного обеспечения. В настоящий момент производится несколько семейств ЭВМ. Отдельные модели ЭВМ одного семейства имеют разные производительность, структуру и состав, однако все ЭВМ семейства технически, информационно и программно совместимы.

Техническая совместимость обеспечивается единством конструкторских решений, модульностью построения ЭВМ и стандартизацией связей и процедур управления на уровне центральных (процессоров и оперативной памяти) и внешних устройств.

Информационная совместимостьобеспечивается использованием единых форматов для представления данных, единых способов построения файлов. Программная совместимость достигается едиными набором команд, системой адресации и логической структурой ЭВМ.

Назначение. Предназначены для работы в качестве центральных компьютеров крупных корпоративных информационных систем (банки, крупные корпорации, например, Microsoft, Netscape и т.д.).

Архитектурные особенности:

· Многопроцессорные системы;

· Большое количество и объемы внешних запоминающих устройств (терабайты баз данных корпорации Microsoft) ;

· Большие объемы оперативной памяти;

· Работа в режиме разделения времени;

· Возможность обработки множества внешних прерываний в реальном масштабе времени;

· Наличие отдельных процессоров внешних запоминающих устройств и прямой доступ каждого к оперативной памяти ЭВМ, что дает возможность распараллелить операции ввода/вывода и разгрузить центральный процессор;

· Наличие мощных средств резервирования, что повышает отказоустойчивость ЭВМ. Фактор очень важный для центральной ЭВМ в крупной сети;

· Возможность работы на компьютере многих пользователей в режиме разделения времени. Этот фактор позволяет получить доступ к ресурсам компьютера удаленного пользователя глобальной сети;

· И т. д.

Специализированные ЭВМ предназначены для решения узкого круга задач, например, моделирования сложных динамических объектов, систем автоматического проектирования и др. Эти ЭВМ ориентированы на решение определенного (постоянного) класса задач в течении всего периода своей эксплуатации.

Управляющие ЭВМ.Этот класс ЭВМ может рассматриваться как подкласс специализированных ЭВМ. Назначение этих машин - целенаправленное воздействие на объект управления с целью его перевода в требуемое состояние. Объект управления существует в окружающей его среде, постоянно влияющий на его состояние. Как правило, управляющие ЭВМ встраиваются в оборудование и настраиваются на конкретную область применения. Поэтому эти ЭВМ работают по готовым программам, хранящимся в ПЗУ. Отличительной особенностью работы управляющих ЭВМ является выполнение ими всех операций в реальном масштабе времени. Эти ЭВМ должны оперативно реагировать на входные сигналы, причем задержка реакций конечна и не превышает заданного значения.