Большие ЭВМ и СуперЭВМ

Большие ЭВМ (мэйнфреймы) – это мощные компьютеры общего назначения. Их применяют для обслуживания очень крупных организаций и даже целых отраслей народного хозяйства. На базе таких компьютеров создают вычислительные центры, включающие несколько отделов или групп.

Большие ЭВМ, являющиеся наиболее мощными серверами (см. 1.6.1), имеют высокопроизводительные процессоры, память большой ёмкости, широкий набор периферийных устройств для ввода, вывода, хранения, передачи и отображения информации, гибкую систему команд и возможность кодирования разных типов информации.

Прототипом современных мэйнфреймов принято считать ЭВМ IBM/360, разработанную фирмой IBM в начале 60-х годов. Аналогом систем IBM/360 являются ЕС ЭВМ, созданные в России и затем в странах Восточной Европы.

На рис. 6 изображена упрощённая структура этих машин.

Рис.6. Упрощённая структура IBM-360.

Обработка информации производится электронным процессором, содержащим арифметико-логическое и управляющие устройства. Для решения проблемы взаимодействия быстродействующего процессора с большим числом сравнительно медленно действующих периферийных устройств (ПУ) необходима параллельная работа во времени процессора и периферийных устройств. Такой режим в IBM/360 и в ЕС ЭВМ организуется при помощи специализированных процессоров ввода-вывода (каналов ввода-вывода) информации. Периферийные устройства связываются с каналами через собственные блоки управления (УПУ) и систему сопряжения, называемую интерфейсом ввода-вывода.

Селекторный канал служит для монопольного обеспечения одного ПУ. После установления связи между каналом и ПУ, ПУ монополизирует канал на все время, пока полностью не завершиться передача данных между ПУ и оперативной памятью. На это время канал занят для других ПУ (имеется система очередей и приоритетов ПУ).

Мультиплексный канал "одновременно" обеспечивает несколько параллельно работающих ПУ, переменно организуя с ними сеансы связи для передачи между оперативной памятью и ПУ небольших порций информации (один или несколько байт). Так реализуется режим разделения времени. Этот канал нужен для работы с "медленными" устройствами, способными ожидать обслуживание.

В дальнейшем для повышения быстродействия больших машин были использованы идеи параллелизма не только по отношению к работе (центрального) процессора и периферийных устройств, но и по отношению к самим устройствам обработки информации – процессорам. Появились многопроцессорные и многомашинные вычислительные системы (ВС) для распараллеливания во времени выполнения отдельных независимых частей программы или параллельного выполнения нескольких программ. Эти идеи привели к созданию суперЭВМ – ЭВМ со сверхвысокой производительностью.

Многомашинная ВС (МВС) содержит несколько ЭВМ, каждая из которых содержит свою ОП, работает под управлением своей операционной системы, содержит средства обмена информацией между машинами. Пример схемы такого функционирования машин представлен на рисунке ниже.

Рис.7. Схема МВС

Однако при этом оборудование комплекса недостаточно эффективно используется. Недостаток в том, что если из строя выйдет по одному устройству, то вся система становится неработоспособной.

ВС называется многопроцессорной (МПС), если она содержит несколько процессоров, работающих с общей ОП, и управляется одной общей операционной системой. Часто в МПС организуется общее поле внешней памяти. (Все модули ОП доступны всем процессорам и каналам ввода-вывода или всем периферийным устройствам при наличии общего интерфейса). В МПС осуществляется более быстрый, по сравнению с МВС, обмен информацией между процессорами (через общую шину), большая производительность, более высокая надежность, т.к. МПС сохраняет работоспособность, пока работоспособность сохраняется хотя бы у одного модуля каждого типа устройств. Однако построение многомашинных систем из серийно выпускаемых ЭВМ с нестандартными операционными системами проще, чем построение МПС, требующих преодоления трудностей реализации общего поля памяти и разработки специальной операционной системы.

МПС – основной путь построения ВС сверхвысокой производительности. Проблемы заключаются в создании быстродействующих межмодульных связей, управлении конфликтов при попытках нескольких процессоров использовать один и тот же ресурс.

Схема функционирования МПС представлена ниже:

Рис.8. Схема функционирования МПС

Многопроцессорные и многомашинные ВС, создаваемые путем комплексирования оборудования несколь- ких серийных ЭВМ, называются вычислительными комплексами (ВК). В нашей стране одним из первых таких ВК является "Эльбрус".

Основы модели "ввода-вывода" мэйнфреймов IBM были заложены еще в первых системах IBM 360. Дальнейшее развитие модели ввода-вывода было связано с внедрением виртуальной памяти* (IBM/370), "динамическим" распределением подканалов, появившимся в архитектуре XA (eXtended Architecture), и, наконец, с появлением волоконно-оптических каналов ESCON в архитектуре ESA (Enterprise System Architecture) мэйнфреймов S/390.

В настоящее время основными действующими лицами на рынке мэйнфреймов являются компании IBM, Comparex, Hitachi, Data Systems и Fujitsy Amdahl. Моральное устаревание мэйнфреймов – процесс медленный, и поэтому не только IBM, но и Comparex предлагают на рынке сразу несколько поколений (серий) таких машин. Основа новых систем фирмы IBM – модуль MCM (multi-chip-module). В его состав входят: 12 процессоров с тактовой частотой 465 МГц и 256-килобайтными кэшами*² первого уровня; 2 системных контроллера*³; 8 кэшей второго уровня емкостью 1 Мбайт каждый; 4 адаптера (контроллера) шины памяти; 2 криптографических процессора, реализующих функции Triple DES (скорость шифрации/дешифрации данных увеличена по сравнению с программным исполнением в 20 раз); микросхема синхронизации.

Модернизированные версии мэйнфреймов – компьютеры zSeries (по одной из версий "z" означает "zero down time" - нулевое время простоя системы). Система zSeries может включать до 32 центральных процессоров и обладает высокой степенью распараллеливания обработки информации на всех уровнях.

Компьютеры могут работать под управлением новых 64-разрядных версий операционных систем z/OS, z/VM, Linux for zSeries, а также старых систем OS/390, VM/ESA, VSE/ ESA, TPF и Linux for S/390.

Рис.9. Сервер zSeries – инструмент для решения задач любой сложности

Компьютеры zSeries в сочетании со специализированной операционной системой z/OS представляют собой очень мощный инструмент для решения современных задач практически любой сложности, такого рода компьютеры часто называют суперЭВМ.

На сегодняшний день наиболее мощной суперЭВМ является модель Blue Gene/L фирмы IBM, занимающая первое место в списке наиболее быстродействующих ЭВМ «Top 500» [19]. (Проект Blue Gene запущен фирмой IBM в 2000 году и был рассчитан на создание суперЭВМ с поэтапным достижением производительности 1PFLOPS). Основными элементами модели являются однотипные вычислительные узлы (до 2¹⁶ узлов), объединённые в одну систему с использованием пяти локальных сетей (понятие локальных сетей рассмотрено в разделе 5.1).

*Виртуальная память.

Основная идея виртуальной памяти заключается в том, что объединенный размер программы, данных и стека может превысить количество доступной физической памяти. Операционная система хранит части программы, использующиеся в настоящий момент, в оперативной памяти, остальные – на диске. При этом части программы, находящиеся на диске и в памяти, будут меняться местами по мере необходимости.

*²Кэш – это быстродействующая память, предназначенная для временного хранения программного кода и данных. Обращения к встроенной кэш-памяти происходят без состояний ожидания, поскольку ее быстродействие соответствует возможностям процессора, т.е. кэш-память первого уровня (или встроенный кэш) работает на частоте процессора. Когда процессору нужны данные, он сначала обращается в кэш-память, и только если там нужных данных нет, происходит его обращение в оперативную памятью. Принимая блок данных из ОП, процессор заносит его одновременно и в кэш-память. «Удачные» обращения в кэш-память называют «попаданиями в кэш». Использование кэш-памяти уменьшает традиционный недостаток компьютера, состоящий в том, что оперативная память работает более медленно, чем центральный процессор.

Кэш первого уровня выполняется в том же кристалле, что и сам процессор. Кэш второго уровня находится часто на отдельном кристалле.

*³Контроллер — это устройство, которое связывает периферийное оборудование или каналы связи с центральным процессором, освобождая процессор от непосредственного управления функционированием данного оборудования. Контроллер можно также определить как электронное устройство, блок ЭВМ, выполняющий управление одним (например, дисководом) или несколькими устройствами, а также согласование интерфейсов подключённых к нему устройств.