Гладких Б.А. Информатика от абака до интернета. Введение в специальность

Подождите немного. Документ загружается.

§ 2.11] НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 141

Первые микропроцессоры унаследовали от мэйнфреймов идеоло-

гию CISC. Стандартный набор команд чипа i8086 и всех последующих

поколений процессоров Intel содержит около ста инструкций самого

различного назначения и формата. Так как формат команды перемен-

ный, то она может быть корректно выбрана из памяти только после

расшифровки кода операции, в результате каждая инструкция требует

для своего выполнения несколько тактов процессора. Программа, реа-

лизующая некоторый алгоритм, может быть относительно короткой,

однако время выполнения этой программы в компьютере оказывается

значительным.

Процессоры с RISC-архитектурой работают по-другому. В этих

процессорах набор команд сильно ограничен, все инструкции макси-

мально упрощены, они имеют одинаковый формат и, в идеале, могут

выполняться за один машинный такт. Программа, выполняющая тот же

алгоритм примитивными командами, получается длиннее, однако за

счет высокого быстродействия процессора наблюдается значительный

выигрыш в производительности. Разумеется, программировать вручную

для такой машины было бы неудобно, однако этого никто и не делает,

так как техника компиляции достигла больших высот. Быстродейст-

вующие оптимизирующие компиляторы позволяют создать такой код,

который использует все особенности набора команд и позволяет до-

биться наивысшей вычислительной мощности.

Сторонники RISC-архитектуры на деле доказали силу своих аргу-

ментов – наиболее производительные серверы и рабочие станции сего-

дня используют RISC-процессоры, однако и поклонники CISC-

технологии не сдаются, на их стороне гигантский объем накопленного

программного обеспечения в кодах ix86. В последних моделях микро-

процессоров Intel специально для мультимедийных приложений введе-

ны еще более сложные «векторные» команды дополнительного набора

MMX (MultiMedia eXtention – мультимедийное расширение), выпол-

няющие в сверхдлинных – до 128 разрядов – регистрах параллельно

несколько операций сложения или умножения.

Для того чтобы объединить преимущества обоих подходов, разра-

ботчики пошли на компромисс: на внешнем уровне микропроцессор

исполняет стандартный CISC-набор команд, а на внутреннем – некото-

рый упрощенный RISC. Встроенный микропрограммный эмулятор пре-

образует каждую внешнюю команду в цепочку внутренних и исполняет

ее со всей возможной производительностью RISC-вычислителя.

142 ЭЛЕКТРОННЫЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ [ГЛАВА 2

3. Усложнение архитектуры процессора. Еще один резерв повы-

шения производительности кроется в распараллеливании вычислений

внутри одного кристалла, при этом разработчики микросхем пытаются

реализовать в конструкции принципы, типичные для организации про-

мышленного производства.

Как известно, выполнение каждой команды ЭВМ складывается из

нескольких фаз: выборка команды, расшифровка ее, чтение операндов,

непосредственное исполнение операции, запись результата. В старых

моделях процессора эти фазы выполнялись для каждой операции строго

последовательно подобно тому, как в кустарных мастерских шла когда-

то сборка автомобилей – сначала собирали одну машину, потом вто-

рую, при этом часть рабочих постоянно простаивала. Современный

микропроцессор устроен значительно сложнее, он похож на предпри-

ятие, в котором множество рабочих собирают на конвейере поток авто-

мобилей. Конвейерный процессор совмещает по времени выполнение

нескольких команд: для одной происходит чтение операции, для второй

– декодирование и выборка регистров, для третьей – исполнение ко-

манды вычислительным блоком и т.д., в результате при той же тактовой

частоте существенно повышается общая производительность. Более

того, в самых совершенных конструкциях в чип микропроцессора

встраивается несколько самостоятельных (до 6–8) вычислительных

блоков с фиксированной и плавающей арифметикой, сверхбыстрая

внутренняя память (кэш) и удивительное по совершенству логики

управляющее устройство, предсказывающее возможное развитие вы-

числительного процесса на несколько шагов вперед, и с учетом этого

организующее параллельную работу нескольких конвейеров. Неизбеж-

ная плата за такую организацию – значительное повышение сложности

и стоимости схемы, однако прогресс микроэлектроники, о котором мы

говорили выше, позволил реализовать такую архитектуру во всех со-

временных моделях микропроцессоров. Новые модели имеют сущест-

венно большую производительность при той же тактовой частоте, чем

старые. Это – чистый выигрыш за счет архитектуры кристалла.

4. Многопроцессорные конфигурации. Когда возможности одного

кристалла исчерпаны, производительность компьютера в целом может

быть увеличена за счет многопроцессорной организации. Анализ реаль-

ных приложений показывает, что длинные цепочки машинных команд,

которые должны выполняться строго последовательно, встречаются

относительно редко. Как правило, вычислительный процесс можно раз-

§ 2.12] СОВРЕМЕННЫЙ РЫНОК ЭВМ И ЕГО СЕКТОРЫ 143

бить на несколько параллельных ветвей, каждую из которых можно

поручить самостоятельному микропроцессору. В принципе число про-

цессоров в компьютере ничем не ограничено, известны конструкции с

сотнями и даже тысячами процессоров, однако суммарная производи-

тельность многопроцессорной системы растет далеко не линейно с чис-

лом процессоров, так как в каждой программе есть некоторый предел

распараллеливания, к тому же в многопроцессорных системах резко

возрастают накладные расходы на диспетчеризацию вычислительного

процесса. Практика показала, что на стандартных коммерческих зада-

чах производительность системы растет примерно как

, то есть че-

тырехпроцессорная конфигурация всего в два раза производительнее

однопроцессорной, однако на специальных задачах, допускающих мно-

гократное распараллеливание (например, анализ вариантов хода в шах-

матной партии), многопроцессорные компьютеры могут показывать

рекорды производительности.

§ 2.12. Современный рынок ЭВМ и его секторы

Бурное развитие персональных микрокомпьютеров в последние два

десятилетия не означает, что производимые и применяемые в настоя-

щее время ЭВМ относятся только к этому классу. Наоборот, современ-

ный рынок компьютеров чрезвычайно велик и разнообразен. Как и в

далекие 60-е годы, в нем можно выделить три сектора верхнего уровня:

суперкомпьютеры; компьютеры общего назначения и специальные

компьютеры. Так как эксплуатационные характеристики ЭВМ (быстро-

действие процессоров, объем внутренней и внешней памяти) постоянно

и очень быстро растут, предлагать абсолютные технические критерии

для отнесения некоторого компьютера к тому или иному классу бес-

смысленно. То, что вчера считалось суперкомпьютером, сегодня распо-

лагается на столе рядового инженера, поэтому ориентироваться следует

не на абсолютные показатели, а на относительное место данной модели

на современном рынке. Единственный абсолютный показатель, кото-

рый обобщенно учитывает потребительские свойства компьютера, –

его цена.

144 ЭЛЕКТРОННЫЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ [ГЛАВА 2

Суперкомпьютеры резко выделяются из своих

собратьев по внутренней структуре, эксплуа-

тационным показателям и по цене. Это – high end рынка, штучный то-

вар стоимостью в миллионы долларов. К истинным суперкомпьютерам

традиционно причисляют те, которые занимают первые места в миро-

вых рейтинг-листах при испытаниях на производительность по специ-

альным тестам. Соответствующие списки, например «Тор 500», регу-

лярно публикуются независимыми экспертными организациями. Су-

перкомпьютеры представляют собой грандиозные вычислительные сис-

темы с массовым параллелизмом, насчитывающие сотни и тысячи мик-

ропроцессоров. Такие изделия производятся всего несколькими фирма-

ми под заказ для решения конкретных задач выдающейся сложности:

моделирование ядерных реакций, метеорологические расчеты и т.п.

На протяжении 80-х и первой половины 90-х годов фирма Cray, не-

смотря на ожесточенную конкуренцию со стороны молодых фирм, про-

должала лидировать, но в конце концов она столкнулась с большими

финансовыми проблемами и была куплена Silicon Graphics Incorporated

(SGI).

Суперкомпьютеры

Персональные компьютеры

Рабочие станции

С е р в е р ы

Компьютеры общего назначения

Карманные (palmtop) компьютеры

500

тыс

100

тыс

200

тыс

500

тыс

200

1 млн

Начального

уровня

Среднего

класса

Высокого

класса

Суперсерверы

Сетевые терминалы

Цена, $

Суперкомпьютеры

Специальные компьютеры

Рынок ЭВМ и его секторы

§ 2.12] СОВРЕМЕННЫЙ РЫНОК ЭВМ И ЕГО СЕКТОРЫ 145

Гонка фирм за престижное право создать самый мощный компью-

тер продолжается до сих пор, ведутся разработки многопроцессорных

суперкомпьютерных систем с производительностью свыше триллиона

операций в секунду (терафлопс – TFLOPS). Традиционным способом

проверки предельных возможностей компьютеров является игра в шах-

маты с человеком. Раньше в таких соревнованиях компьютер неизмен-

но проигрывал, если его противником был сильный шахматист, однако

весной 1997 года произошло событие, значение которого трудно пере-

оценить: в матче из шести партий с чемпионом мира по шахматам Гар-

ри Каспаровым суперкомпьютер Deep Blue, специально построенный

для этого фирмой IBM, сумел одержать победу. Журналисты по этому

поводу написали: «Компьютер поставил мат человечеству».

Компьютеры общего назначения занимает самую

большую и разнообразную часть компьютерного

рынка. Эти массовые изделия выпускаются много-

численными производителями в самых различных

модификациях, цены в зависимости от конфигурации колеблются от

менее чем одной тысячи до сотен тысяч долларов. В данном секторе

рынка можно выделить три подсектора: серверы, рабочие станции и

персональные компьютеры.

Серверы. Строго говоря, отнесение компьютера к классу серверов

характеризует не его технические параметры, а функциональное назна-

Весной 1997 г. компьютер Deep Blue фирмы IBM

(высота 2 м, масса 1,4 т) со счетом 3,5:2,5 выиграл матч

у чемпиона мира по шахматам Гарри Каспарова

Компьютеры

общего

назначения

146 ЭЛЕКТРОННЫЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ [ГЛАВА 2

чение. Сервером может быть и суперкомпьютер, и скромный PC. Сер-

вер не предназначен для работы конечного пользователя, он находится

в центре вычислительной сети и обслуживает целую группу пользова-

тельских (клиентских) компьютеров. Для того чтобы как-то классифи-

цировать серверы по мощности, вводится еще одна характеристика –

масштаб. Если не считать суперкомпьютеров, выступающих в роли су-

персерверов, то серверы можно подразделить на три класса, соответст-

вующих определенному масштабу использования: серверы высокого

класса масштаба предприятия (enterprise), среднего класса масштаба

подразделения (department) и серверы начального уровня масштаба ра-

бочей группы (workgroup). Основные требования к серверу – высокие

производительность и отказоустойчивость. С этой целью он имеет

2–8 центральных процессора, оперативную память с защитой от оши-

бок, массив дисков большой емкости. Все внешние устройства и источ-

ники питания должны быть продублированы, а специальный корпус

обеспечивает контроль за температурой и вентиляцией. Требования к

графической системе – самые минимальные, иногда серверы поставля-

ются вообще без графических дисплеев.

Диапазон цен серверов очень широк. Простейший сервер начально-

го уровня можно приобрести за 2000–3000 долларов, сервер высокого

класса масштаба предприятия будет стоить 100–500 тысяч долларов.

Рабочие станции. Под рабочей станцией обычно понимают спе-

циализированный компьютер, предназначенный для профессиональной

работы с мультимедийной информацией. В силу этого рабочей станции

необходимы производительный процессор, расширенная оперативная

память, скоростная магистраль данных и мощная графическая система.

Стоимость рабочей станции целиком зависит от конфигурации, мощ-

ная рабочая станция с RISC-архитектурой, расширенной памятью и ши-

рокоформатным дисплеем вполне может потянуть на 20

000 долларов.

Персональные компьютеры (ПК). То, что мы видим на рабочих

столах в офисах, банках, магазинах, лабораториях, учебных аудиториях,

у себя дома, – это представители обширнейшего класса персональных

компьютеров. Персональные компьютеры могут быть подключены к

вычислительным сетям и выступать в качестве абонентов клиент-

серверных систем, а могут работать и автономно. Конфигурация персо-

нального компьютера целиком определяется кругом решаемых задач и

финансовыми возможностями его владельца. Принято считать, что

профессиональные ПК должны быть более мощными по сравнению с

§ 2.12] СОВРЕМЕННЫЙ РЫНОК ЭВМ И ЕГО СЕКТОРЫ 147

домашними, но часто бывает наоборот, иные ПК по своим возможно-

стям приближаются к рабочим станциям. По конструкции персональ-

ные компьютеры делятся на настольные (desktop) и переносные – блок-

нотные (notebook). Несколько лет назад для обозначения переносного

компьютера употреблялось еще понятие «наколенного» компьютера

(laptop), но сейчас это слово вышло из употребления.

Как подсчитали статистики, в апреле 2002 года произошло эпохаль-

ное событие – продан миллиардный с начала производства персональ-

ный компьютер. По прогнозам компании Gartner Dataquest, двухмилли-

ардная машина появится в 2008 году.

Границы раздела между серверами, рабочими станциями и персо-

нальными компьютерами весьма размыты, более того, сами эти классы

могут существенно перекрываться с точки зрения стоимости. Напри-

мер, продвинутая рабочая станция, как правило, существенно дороже

сервера начального уровня. Еще одна особенность современных ком-

пьютеров, затрудняющая их четкую классификацию, – масштабируе-

мость. Одна и та же аппаратная платформа в зависимости от конкрет-

ной конфигурации может служить основой для построения самых раз-

нообразных компьютеров – от серверов до ПК. С учетом этого мы по-

пытаемся сделать краткий обзор наиболее популярных платформ со-

временных компьютеров общего назначения.

Платформа S/390 компании IBM.

Слухи о неизбежной смерти мэйнфреймов

в конце XX века на поверку оказались

весьма преувеличенными. Более того, по-

сле повального увлечения изолированны-

ми персональными компьютерами насту-

пила пора «ренесанса» централизованных

вычислительных систем, обслуживаемых

мощными и надежными серверами. Это

сыграло на руку прежде всего «голубому

гиганту». Фирма IBM, растерявшая пре-

имущество в секторе персональных ком-

пьютеров, здесь не упустила своего шанса.

Имея колоссальный опыт производства

больших ЭВМ, фирма в 90-е годы выпус-

тила очередное издание бессмертной сис-

темы под названием S/390. Сохранив про-

Сервер IBM S/390

(современное название

zSeries)

148 ЭЛЕКТРОННЫЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ [ГЛАВА 2

граммную преемственность по отношению к S/360 и S/370, машина

значительно «похудела», упаковавшись в одну стойку, поэтому фирма,

чтобы не отпугивать покупателей старомодными понятиями, избегает

термина «мэйнфрейм», заменяя его выражением «сервер масштаба

предприятия». С этой же целью в начале XXI века IBM сменила назва-

ние серии S/390 на «zSeries».

Платформа AS/400 компании IBM. Другой исключительно удач-

ный с технической и коммерческой точек зрения проект IBM относится

к системе AS/400, впервые объявленной в 1988 году. Эта система яви-

лась итогом длительной и внешне незаметной эволюции фирменной

линии мини-ЭВМ, проводившейся на протяжении 70-х годов исследо-

вательским подразделением в Рочестере, штат Миннесота. В отличие от

традиционных мини-ЭВМ других производителей, обладающих крайне

упрощенным устройством, система AS/400 имеет, наоборот, изощрен-

ную, революционную по сути объектно-ориентированную архитектуру,

не зависящую от конкретной системы команд процессора. Это позволи-

ло реализовать на аппаратном уровне множество функций, которые в

традиционных компьютерах поддерживаются чисто программно: одно-

уровневую память, работу с базой данных, механизмы защиты инфор-

мации и т.д. В результате удалось создать исключительно производи-

тельный, надежный и защищенный сервер масштаба подразделения и

предприятия. Первые поколения AS/400 выпускались с оригинальным

многокристальным процессором, однако в 1994 году аппаратная часть

была коренным образом модернизирована, ее перевели на новейший

64-битный унифицированный RISC-микропроцессор PowerPC, разрабо-

танный альянсом IBM – Apple – Motorola. При этом почти все про-

граммное обеспечение (невероятно, но факт!) осталось неизменным.

Таким образом была доказана устойчивость архитектуры системы и

возможность развития еще в течение многих лет. Высокие эксплуата-

ционные качества AS/400 были по достоинству оценены рынком, в на-

стоящее время число проданных экземпляров машины превышает мил-

лион. Следуя своей тактике время от времени обновлять названия про-

дуктов, IBM также переименовала серию компьютеров AS/400 в

«iSeries».

Платформа Alpha компании Digital Equipment. Фирма DEC –

давний и упорный конкурент IBM. Вырвавшись в 70-х годах на второе

место по объему продаж за счет удачных конструкций мини-ЭВМ –

16-разрядной PDP-11 и 32-разрядной VAX, фирма продолжала разви-

§ 2.12] СОВРЕМЕННЫЙ РЫНОК ЭВМ И ЕГО СЕКТОРЫ 149

вать направление, позиционируясь в секторе серверов высокого и сред-

него класса. Двигаясь в сторону микроминиатюризации, компания раз-

работала в 1992 году собственную конструкцию 64-разрядного RISC-

микропроцессора Alpha, которая, по оценкам специалистов, имела мно-

го достоинств и позволяла достичь высокой тактовой частоты. Именно

на процессоре DEC Alpha был впервые превышен порог 1 ГГц. Однако

передовые технические решения не спасли фирму от финансовых про-

блем. Старейшая по компьютерным меркам компания DEC в конце

концов оказалась убыточной и в 1998 году была куплена молодой и

бурно развивающейся Compaq Computer за 9,6 млрд долларов. При этом

руководство Compaq отнюдь не собиралось развивать далее линию

Alpha, оно ставило целью убедить своих заказчиков постепенно перей-

ти на процессоры Intel Itanium.

Несмотря на коммерческую неудачу, платформа Alpha оказала за-

метное влияние на компьютерную индустрию. На ней были реализова-

ны многие крупные проекты, например первая крупномасштабная по-

исковая система в интернете Alta Vista, о которой мы расскажем в гла-

ве 4, или разработанный для Национальной лаборатории в Лос-Аламосе

Alpha-суперкомпьютер ASCI Q с тысячами процессоров для имитации

ядерных взрывов производительностью 30 TFLOPS. Именно эту плат-

форму выбрали конструкторы уже упоминавшегося в § 2.7 отечествен-

ного 768-процессорного суперкомпьютера МВС-1000М. После сво-

рачивания проекта Alpha многие конструкторы, участвовавшие в разра-

ботке, перешли в фирмы Intel и Advanced Micro Devices, а ряд концепций,

предложенных инженерами Digital, таких, как многопоточность, исполь-

зуется в последних версиях Pentium 4 и процессоре AMD Opteron.

Платформа SPARC компании Sun Microsystems. Среди компа-

ний, отважившихся на создание собственной архитектуры микропро-

цессоров, отметим еще фирму Sun Microsystems, основанную в

1982 году в стенах Стенфордского университета (SUN – Stanford

University Network). С самого начала компания сориентировалась на

сектор высококлассных рабочих станций и разработала для этих целей

оригинальный RISC-микропроцессор SPARC. В данном секторе рынка

платформа Sun SPARC занимает очень прочные позиции, соревнуясь в

лидерстве разве лишь с рабочими станциями фирмы Silicon Graphics

Incorporated (SGI), о которой мы говорили в разделе суперкомпьютеров.

Другое направление – промышленные серверы. Платформа имеет ши-

рокие пределы масштабирования – от мощных серверов провайдеров

150 ЭЛЕКТРОННЫЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ [ГЛАВА 2

интернета до скромных серверов начального уровня для рабочих групп.

По оценкам фирмы, более 60% поставщиков интернет-услуг пользуют-

ся серверами на платформе Sun SPARC.

Платформа Intel и современные клоны IBM PC. Наиболее рас-

пространенной и популярной микропроцессорной платформой в начале

XXI века продолжает оставаться 32-разрядная архитектура Intel (IA-32),

реализованная в многочисленных разновидностях микропроцессоров,

выпускаемых как самой фирмой Intel (Pentium, Pentium Pro, Celeron,

Pentium II, Pentium III, Pentium IV, Xeon и др.), так и ее конкурентами.

Традиционным другом-соперником фирмы Intel является компания

Advanced Micro Devices (AMD), специализирующаяся на выпуске кло-

нов микропроцессоров Intel. Полностью совместимые по системе ко-

манд с Intel, микропроцессоры AMD имеют другое внутреннее устрой-

ство и часто достигают лучшего соотношения цена/производи-

тельность.

На платформе Intel или AMD возможно построение вычислитель-

ных систем самого различного класса вплоть до суперкомпьютеров,

как, например, занявший первое место в рейтинге Top-500 1999 года

уникальный компьютер самой фирмы Intel, состоящий из нескольких

тысяч Pentium Pro. Расширенные 4–8-процессорные конфигурации ис-

пользуются для построения серверов среднего и высокого класса, двух-

процессорные установки применяются в серверах начального уровня и

рабочих станциях (в отличие от RISC их часто называют ПК-серверами

Платформа Sun SPARC компании Sun Microsystems характеризуется

большой масштабируемостью – от серверов масштаба предприятия

до персональных рабочих станций