Антошина И.В., Котов Ю.Т. Микропроцессоры и микропроцессорные системы (аналитический обзор)

Подождите немного. Документ загружается.

261

Для Cray T3E была создана масштабируемая версия опе-

рационной системы ОС UNICOS — ОС UNICOS/mk. Операцион-

ная система UNICOS/mk разделена на программы-серверы, рас-

пределенные среди процессоров Cray T3E. Это позволяет управ-

лять набором ресурсов системы как единым целым. Локальные

серверы обрабатывают запросы ОС, специфичные для каждого

ПЭ. Глобальные серверы обеспечивают общесистемные возмож-

ности такие, как управление процессами и

файловые операции.

В добавлении к пользовательским ПЭ, которые выполняют

приложения и команды, системы Cray T3E включает специальные

системные ПЭ, которые выполняют глобальные сервера

UNICOS/mk. Так как глобальные сервера расположены на систем-

ных ПЭ и не дублируются по всей системе, UNICOS/mk эффек-

тивно масштабируема, полно функциональна и обслуживает от де-

сятков до тысячи ПЭ с

минимальным перегрузкой.

UNICOS/mk обеспечивает следующие программные функ-

ции:

• Распределение серверов управления файлами. Функции

файлового сервера распределены, используя локальные файловые

программы-сервера, для обеспечения максимальной производи-

тельности и эффективности.

• ПЭ может генерировать не только последовательную, но

и параллельную передачу данных, используя некоторые или даже

все ПЭ данной программы.

• Множество глобальных файловых серверов: Система

управления файлами распределена на множество системных ПЭ,

которые позволяют полностью использовать параллельные диско-

вые каналы, поддерживаемые на Cray T3E.

Cray T3E-1200 в два раза превышает производительность

систем Cray T3E при уменьшенной вдвое стоимости за Мфлоп.

Конфигурации в воздушно-жидкостном охлаждении имеют от 6-и

процессоров, а в жидкостном — от 32 процессоров. Каждый про-

цессор имеет производительность в 1,2 Тфлоп, для всей системы

пиковая производительность меняется от 7,2 Гфлоп до 2,5 Тфлоп.

Масштабируется до тысяч процессоров. Серия выпущена в 1997

году.

262

Система предназначается для наиболее важных научных

и технических задач в аэрокосмической, автомобильной, финансо-

вой, химико-фармацевтической, нефтяной и т.д. промышленно-

стях, также в широких областях прикладных исследований, вклю-

чая химию, гидродинамику, предсказание погоды и сейсмические

процессы.

Для поддержки масштабируемости используется оператив-

ная система UNICOS/mk — масштабируемая версия UNICOSR.

T3E-1200 поддерживает как явное распараллеливание

распреде-

лённой памяти посредством CF90 и C/C++ с передачей собщений

(MPI, MPI-2 и PVM) и передачу данных, так и неявное распарал-

леливание посредством возможностей HPF и Cray CRAFT.

T3E выполняет операции ввода/вывода через многочислен-

ные порты на один и более каналов посредством интерфейса

GigaRing. Каждый канал сдвоенного кольца ввода/вывода, содер-

жащий в двух кольцах данные, которые перемещаются

в противо-

положных направлениях, передают данные ввода/вывода с высо-

кой пропускной способностью и повышенной надёжностью. Все

каналы ввода/вывода доступны и управляемы всеми процессор-

ными элементами. В Т3Е каждый интерфейс GigaRing имеет мак-

симальную пропускную способность в 500 Мбайт/с.

В дополнение к высокой производительности и пропускной

способности процессорных элементов и

высокой масштабируемо-

сти, Cray T3E-1200 имеет две уникальные особенности: STREAMS

и E-Регистры. STREAMS доводят до максимума пропускную спо-

собность локальной памяти, позволяя микропроцессору запускать

при полной скорости для ссылки для вектороподобных данных. Е-

Регистры предоставляют операции gather/scatter (соедине-

ние/вразброс) для ссылок на локальную и удалённую память, и ис-

пользуют полную пропускную способность внутреннего соедине-

ния для удалённого чтения и записи отдельного слова.

Оценка производительности системы производилась при

решении плотной линейной системы уравнений порядка 148800 на

машине Т3Е-1200 с 1200 процессорами. Была достигнута скорость

в 1,127 Тфлоп/с, что составляет 63% эффективности.

263

9. Многопроцессорные системы

9.1. Общие требования, предъявляемые к МПС

Отношение стоимость / производительность. Появление

любого нового направления в вычислительной технике определя-

ется требованиями

компьютерного рынка. Поэтому

у разработчиков компьютеров

нет одной единственной цели.

Большая универсальная

вычислительная машина

(мейнфрейм) или суперкомпью-

тер стоят дорого. Для

достижения поставленных

целей при проектировании

высокопроизводительных

конструкций

приходится иг-

норировать стоимостные

характеристики.

Суперкомпьютеры

фирмы Cray Research и высокопроизводительные мейнфреймы

компании IBM относятся именно к этой категории компьютеров.

Другим крайним примером может служить низкостоимостная кон-

струкция, где производительность принесена в жертву для дости-

жения низкой стоимости. К этому направлению относятся персо-

нальные компьютеры различных клонов IBM PC. Между этими

двумя крайними направлениями находятся

конструкции, основан-

ные на отношении стоимость/ производительность, в которых раз-

работчики находят баланс между стоимостными параметрами и

производительностью. Типичными примерами такого рода ком-

пьютеров являются миникомпьютеры и рабочие станции.

Для сравнения различных компьютеров между собой

обычно используются стандартные методики измерения произво-

дительности. Эти методики позволяют разработчикам и пользова-

телям использовать полученные

в результате испытаний количест-

венные показатели для оценки тех или иных технических реше-

264

ний, и в конце концов именно производительность и стоимость

дают пользователю рациональную основу для решения вопроса,

какой компьютер выбрать.

Надежность и отказоустойчивость. Важнейшей ха-

рактеристикой вычислительных систем является надежность. По-

вышение надежности основано на принципе предотвращения не-

исправностей путем снижения интенсивности отказов и сбоев за

счет применения электронных схем и компонентов

с высокой и

сверхвысокой степенью интеграции, снижения уровня помех, об-

легченных режимов работы схем, обеспечение тепловых режимов

их работы, а также за счет совершенствования методов сборки

аппаратуры.

Отказоустойчивость - это такое свойство вычислительной

системы, которое обеспечивает ей, как логической машине, воз-

можность продолжения действий, заданных программой, после

возникновения неисправностей. Введение отказоустойчивости

требует избыточного аппаратного и программного обеспечения.

Направления, связанные с предотвращением неисправностей и с

отказоустойчивостью, - основные в проблеме надежности. Кон-

цепции параллельности и отказоустойчивости вычислительных

систем естественным образом связаны между собой, поскольку в

обоих случаях требуются дополнительные функциональные ком-

поненты. Поэтому, собственно, на параллельных вычислительных

системах достигается как наиболее высокая производительность,

так

и, во многих случаях, очень высокая надежность. Имеющиеся

ресурсы избыточности в параллельных системах могут гибко ис-

пользоваться как для повышения производительности, так и для

повышения надежности. Структура многопроцессорных и много-

машинных систем приспособлена к автоматической реконфигура-

ции и обеспечивает возможность продолжения работы системы

после возникновения неисправностей.

Следует помнить, что понятие

надежности включает не

только аппаратные средства, но и программное обеспечение.

Главной целью повышения надежности систем является целост-

ность хранимых в них данных.

Масштабируемость. Масштабируемость представляет

собой возможность наращивания числа и мощности процессоров,

265

объемов оперативной и внешней памяти и других ресурсов

вычислительной системы. Масштабируемость должна обеспечи-

ваться архитектурой и конструкцией компьютера, а также соот-

ветствующими средствами программного обеспечения.

Добавление каждого нового процессора в действительно

масштабируемой системе должно давать прогнозируемое увеличе-

ние производительности и пропускной способности при приемле-

мых затратах. Одной из основных задач при

построении масшта-

бируемых систем является минимизация стоимости расширения

компьютера и упрощение планирования. В идеале добавление

процессоров к системе должно приводить к линейному росту ее

производительности. Однако это не всегда так. Потери производи-

тельности могут возникать, например, при недостаточной пропу-

скной способности шин из-за возрастания трафика между процес-

сорами и

основной памятью, а также между памятью и устройст-

вами ввода/вывода. В действительности реальное увеличение про-

изводительности трудно оценить заранее, поскольку оно в значи-

тельной степени зависит от динамики поведения прикладных за-

дач.

Возможность масштабирования системы определяется не

только архитектурой аппаратных средств, но зависит от заложен-

ных свойств программного обеспечения. Масштабируемость

про-

граммного обеспечения затрагивает все его уровни от простых ме-

ханизмов передачи сообщений до работы с такими сложными объ-

ектами как мониторы транзакций и вся среда прикладной системы.

В частности, программное обеспечение должно минимизировать

трафик межпроцессорного обмена, который может препятствовать

линейному росту производительности системы. Аппаратные сред-

ства (процессоры, шины и

устройства ввода/вывода) являются

только частью масштабируемой архитектуры, на которой про-

граммное обеспечение может обеспечить предсказуемый рост

производительности. Важно понимать, что простой переход, на-

пример, на более мощный процессор может привести к перегрузке

других компонентов системы. Это означает, что действительно

масштабируемая система должна быть сбалансирована по всем па-

раметрам.

266

Совместимость и мобильность программного обеспе-

чения. Концепция программной совместимости впервые в ши-

роких масштабах была применена разработчиками системы

IBM/360. Основная задача при проектировании всего ряда моде-

лей этой системы заключалась в создании такой архитектуры, ко-

торая была бы одинаковой с точки зрения пользователя для всех

моделей системы независимо от цены

и производительности ка-

ждой из них. Огромные преимущества такого подхода, позво-

ляющего сохранять существующий задел программного обеспе-

чения при переходе на новые (как правило, более производитель-

ные) модели были быстро оценены как производителями компь-

ютеров, так и пользователями и начиная с этого времени практи-

чески все фирмы-поставщики компьютерного оборудования взя

ли на вооружение эти принципы, поставляя серии совместимых

компьютеров. Следует заметить однако, что со временем даже

самая передовая архитектура неизбежно устаревает и возникает

потребность внесения радикальных изменений архитектуру и

способы организации вычислительных систем.

В настоящее время одним из наиболее важных факторов,

определяющих современные тенденции в развитии информацион-

ных технологий, является

ориентация компаний-поставщиков

компьютерного оборудования на рынок прикладных программных

средств. Это объясняется прежде всего тем, что для конечного

пользователя в конце концов важно программное обеспечение, по-

зволяющее решить его задачи, а не выбор той или иной аппарат-

267

ной платформы. Переход от однородных сетей программно со-

вместимых компьютеров к построению неоднородных сетей,

включающих компьютеры разных фирм-производителей, в корне

изменил и точку зрения на саму сеть: из сравнительно простого

средства обмена информацией она превратилась в средство инте-

грации отдельных ресурсов - мощную распределенную вычисли-

тельную систему, каждый элемент которой (сервер

или рабочая

станция) лучше всего соответствует требованиям конкретной при-

кладной задачи.

Этот переход выдвинул ряд новых требований. Прежде

всего такая вычислительная среда должна позволять гибко менять

количество и состав аппаратных средств и программного обеспе-

чения в соответствии с меняющимися требованиями решаемых за-

дач. Во-вторых, она должна обеспечивать возможность запуска

одних и тех же программных систем на различных аппаратных

платформах, т.е. обеспечивать мобильность программного обеспе-

чения. В третьих, эта среда должна гарантировать возможность

применения одних и тех же человеко-машинных интерфейсов на

всех компьютерах, входящих в неоднородную сеть. В условиях

жесткой конкуренции производителей аппаратных платформ и

программного обеспечения сформировалась концепция

открытых

систем, представляющая собой совокупность стандартов на раз-

личные компоненты вычислительной среды, предназначенных для

обеспечения мобильности программных средств в рамках неодно-

родной, распределенной вычислительной системы.

Одним из вариантов моделей открытой среды является мо-

дель OSE (Open System Environment), предложенная комитетом

IEEE POSIX. На основе этой модели национальный институт стан-

дартов и технологии США выпустил документ "Application

Portability Profile (APP). The U.S. Government's Open System

Environment Profile OSE/1 Version 2.0", который определяет реко-

мендуемые для федеральных учреждений США спецификации в

области информационных технологий, обеспечивающие мобиль-

ность системного и прикладного программного обеспечения. Все

ведущие производители компьютеров и программного обеспече-

ния в США в настоящее время придерживаются требований этого

документа.

268

9.2. Классификация систем параллельной

обработки данных

На протяжении всей истории развития вычислительной

техники делались попытки найти какую-то общую классифика-

цию, под которую подпадали бы все возможные направления раз-

вития компьютерных архитектур. Ни одна из таких классификаций

не могла охватить все разнообразие разрабатываемых архитектур-

ных решений и не выдерживала испытания временем

. Тем не ме-

нее в научный оборот попали и широко используются ряд терми-

нов, которые полезно знать не только разработчикам, но и пользо-

вателям компьютеров.

Любая вычислительная система (будь то супер-ЭВМ или

персональный компьютер) достигает своей наивысшей производи-

тельности благодаря использованию высокоскоростных элементов

и параллельному выполнению большого числа операций.

Именно

возможность параллельной работы различных устройств системы

(работы с перекрытием) является основой ускорения основных

операций.

Параллельные ЭВМ часто подразделяются по классифика-

ции Флинна на машины типа SIMD и MIMD. Как и любая другая,

приведенная выше классификация несовершенна: существуют

машины прямо в нее не попадающие, имеются также важные при-

знаки, которые в этой

классификации не учтены. В частности, к

машинам типа SIMD часто относят векторные процессоры, хотя их

высокая производительность зависит от другой формы паралле-

лизма - конвейерной организации машины. Многопроцессорные

векторные системы, типа Cray Y-MP, состоят из нескольких век-

торных процессоров и поэтому могут быть названы MSIMD

(Multiple SIMD).

Классификация Флинна не делает различия по другим важ-

ным для

вычислительных моделей характеристикам, например, по

уровню "зернистости" параллельных вычислений и методам син-

хронизации.

Можно выделить четыре основных типа архитектуры сис-

тем параллельной обработки:

269

- конвейерная и векторная обработка. Основу конвей-

ерной обработки составляет раздельное выполнение некоторой

операции в несколько этапов (за несколько ступеней) с передачей

данных одного этапа следующему. Производительность при этом

возрастает благодаря тому, что одновременно на различных сту-

пенях конвейера выполняются несколько операций.

Конвейеризация эффективна только тогда, когда загрузка

конвейера близка к

полной, а скорость подачи новых операндов

соответствует максимальной производительности конвейера. Если

происходит задержка, то параллельно будет выполняться меньше

операций и суммарная производительность снизится. Векторные

операции обеспечивают идеальную возможность полной загрузки

вычислительного конвейера.

При выполнении векторной команды одна и та же операция

применяется ко всем элементам вектора (или чаще всего к

соот-

ветствующим элементам пары векторов). Для настройки конвейера

на выполнение конкретной операции может потребоваться неко-

торое установочное время, однако затем операнды могут посту-

пать в конвейер с максимальной скоростью, допускаемой возмож-

ностями памяти. При этом не возникает пауз ни в связи с выбор-

кой новой команды, ни в связи с определением

ветви вычислений

при условном переходе. Таким образом, главный принцип вычис-

лений на векторной машине состоит в выполнении некоторой эле-

ментарной операции или комбинации из нескольких элементарных

операций, которые должны повторно применяться к некоторому

блоку данных. Таким операциям в исходной программе соответст-

вуют небольшие компактные циклы.

- системы типа SIMD. Машины типа SIMD

состоят из

большого числа идентичных процессорных элементов, имеющих

собственную память. Все процессорные элементы в такой машине

выполняют одну и ту же программу. Очевидно, что такая машина,

составленная из большого числа процессоров, может обеспечить

очень высокую производительность только на тех задачах, при

решении которых все процессоры могут делать одну и ту же

рабо-

ту. Модель вычислений для машины SIMD очень похожа на мо-

дель вычислений для векторного процессора: одиночная операция

выполняется над большим блоком данных.

270

В отличие от ограниченного конвейерного функциони-

рования векторного процессора, матричный процессор (синоним

для большинства SIMD-машин) может быть значительно более

гибким. Обрабатывающие элементы таких процессоров - это уни-

версальные программируемые ЭВМ, так что задача, решаемая па-

раллельно, может быть достаточно сложной и содержать ветвле-

ния. Обычное проявление этой вычислительной модели в исход-

ной

программе примерно такое же, как и в случае векторных опе-

раций: циклы на элементах массива, в которых значения, выраба-

тываемые на одной итерации цикла, не используются на другой

итерации цикла.

Модели вычислений на векторных и матричных ЭВМ на-

столько схожи, что эти ЭВМ часто обсуждаются как эквивалент-

ные.

- системы типа

MIMD. Термин "мультипроцессор" покры-

вает большинство машин типа MIMD и (подобно тому, как термин

"матричный процессор" применяется к машинам типа SIMD) часто

используется в качестве синонима для машин типа MIMD. В муль-

типроцессорной системе каждый процессорный элемент (ПЭ) вы-

полняет свою программу достаточно независимо от других про-

цессорных элементов.

Процессорные элементы, конечно, должны

как-то связы-

ваться друг с другом, что делает необходимым более подробную

классификацию машин типа MIMD. В мультипроцессорах с общей

памятью (сильносвязанных мультипроцессорах) имеется память

данных и команд, доступная всем ПЭ. С общей памятью ПЭ свя-

зываются с помощью общей шины или сети обмена. В противопо-

ложность этому варианту в слабосвязанных

многопроцессорных

системах (машинах с локальной памятью) вся память делится ме-

жду процессорными элементами и каждый блок памяти доступен

только связанному с ним процессору. Сеть обмена связывает про-

цессорные элементы друг с другом.

Базовой моделью вычислений на MIMD-мультипроцессоре

является совокупность независимых процессов, эпизодически об-

ращающихся к разделяемым данным. Существует большое коли-

чество

вариантов этой модели. На одном конце спектра - модель

распределенных вычислений, в которой программа делится на до-