Кибернетическая картина мира

Такой подход в данном нашем проекте стал возможен благодаря существенным сдвигам в развитии архитектуры и структуры сетевых средств, методов их взаимодействия с ЭВМ, которые стали реальностью со времени создания параллельной ВС. Выросли технико-экономические характеристики средств локальных сетей массового применения. Сетевые контроллеры Fast Ethernet для шины PCI стали массовой продукцией по цене 15–35$, стоимость сетевых контроллеров Gigabit Ethernet из диапазона тысячи долларов перешла в диапазон сотни долларов.

В сетевых средствах массового производства произошел переход от моноканальных архитектур с использованием физической или логической шины (концентраторов) к архитектурам с коммутацией кадров. Замена моноканала на коммутатор с масштабируемой структурой позволяет масштабировать пропускную способность КС с ростом числа абонентов – ВМ, иметь низкие значения задержек передачи сообщений L и сохранять их при росте числа ВМ в кластерной ВС.

Кроме того, построенная на коммутаторах структура локальной ВС (а в кластерной ВС – ее КС) переводит все связи между узлами физической структуры параллельной ВС в категорию каналов «точка-точка» как на физическом, так и на канальном уровне. Это позволило во многих серийно выпускаемых сетевых блоках перейти на дуплексный режим работы канала подключения КК в ВМ к сетевой инфраструктуре, что дает почти двойное увеличение пропускной способности стыка ВМ с КС.

Другая оборотная сторона применения серийных средств локальных сетей для КС – ограниченная масштабируемость кластерных ВС на серийных технических средствах (в данном контексте – сетевых средствах). Для малых конфигураций кластерных ВС (например, с одним коммутатором средней стоимости) удельная пропускная способность КС на одного абонента, показатели L, o, g будут определяться тем, что позволяют получить используемые технические средства ВМ, узла параллельной кластерной ВС – сетевого контроллера, системного блока. Наращивание конфигурации в пределах, определяемых заложенными в серийный коммутатор возможностями наращивания (stackable switches) и комплексирования с другими коммутаторами по каналам повышенной пропускной способности (например, каналов Gigabit Ethernet для коммутаторов FastEthernet), позволяет не ухудшать эти показатели при масштабировании системы. Так, удельные

232

показатели КС 36-процессорной конфигурации кластерной ВС, будут практически такими же, как и для 8-процессорной конфигурации.

Конечно, можно поставить и тысячу, и десять тысяч системных блоков ПЭВМ и соединить их некоторой структурой КС с сетью из коммутаторов и кабелей между ними. В мире известны пара десятков кластерных ВС с числом процессоров больше тысячи. Однако для каждого из имеющегося на рынке набора серийных сетевых блоков будут свои ограничения на возможность масштабирования структуры сети с сохранением удельной пропускной способности на одного абонента КС. Дальнейшее увеличение числа абонентов сети ведет к уменьшению пропускной способности КС в расчете на одного абонента, к росту показателей L, o, g, критичных для функционирования параллельной ВС. И такая кластерная ВС будет работоспособна, и она сможет решать задачи. Однако, как мы показывали в гл. 3, на все большем числе задач будут расти потери ресурса процессорного времени и падать эффективная производительность. Эти факторы и приводят к тому, что эффективная про-

изводительность кластерных ВС (real applications performance – RAP) оценивается как 5–15% от их пиковой производительности

(peak advertised performance – PAP) [60]. Для сравнения, у лучше сбалансированных профессиональных высокопроизводительных ВК – малопроцессорных ВК из векторных процессоров, это соотношение оценивается как 30–50%.

Наконец, большое значение имеет появление поддержки архи-

тектуры виртуального интерфейса (Virtual Interface Architecture – VIA) в архитектуре КК и сопровождающих их драйверах для серийных ОС (в нашем случае – для ОС Linux). Качественно новый уровень организации взаимодействия ПО, выполняющегося на центральном процессоре ВМ, с КК позволяет существенно снизить накладные расходы o и задержки передачи сообщений L. Так, например, накладные расходы o удается сократить до 4 мкс [60]. В нашей кластерной ВС мы используем сетевые контроллеры типа Intel Pro 10/100 с драйверами M-VIA для ОС Linux 6.2.

Еще лучшие характеристики можно получать при использовании коммуникационной среды, построенной по технологии АТМ [60]. Для этой технологии также серийно выпускаются и КК, и коммутаторы. Однако современный рынок СВТ сложился таким образом, что сетевые средства по технологии АТМ не получили столь массового распространения, как технологии Ethernet.

233

4.3. Технологии защиты информации

Задача защиты информации от комплекса естественных и искусственных помех не только остается актуальной при организации передачи информации в сетях интегрального обслуживания, но и приобретает все большее значение в связи с повышением требований к уровню криптостойкости таких сетей. При этом развитие современных открытых сетей передачи информации (сетей общего пользования) привело к появлению разнообразных задач, ранее в криптографии не рассматривавшихся. В частности, при разработке систем информационной безопасности для распределенных ВС реального времени, сенсорных сетей, сетей мобильной связи, в ряде других сетевых приложений стоимостные, энергетические или габаритные требования диктуют необходимость выполнения ограничений на память и/или быстродействие используемых процессоров. Между тем стандартизованные алгоритмы аутентификации и распределения ключей основаны на вычислительно трудоемких алгоритмах, что делает проблематичным их использование в указанных приложениях. Одним из актуальных направлений прикладной криптографии в настоящее время является разработка систем информационной безопасности, ориентированных на использование в устройствах с ограниченными вычислительными

иэнергетическими ресурсами.

В2003–2006 гг. в ГУАП проводились работы по созданию безопасных сетевых технологий и внедрению их в международные стандарты связи.

Основные полученные результаты.

1. Разработаны алгоритмы распределения ключей в децентрализованных сетях. Алгоритмы ориентированы на реализацию с помощью устройств малой вычислительной мощности.

2. Разработан метод защиты информации на физическом уровне, позволяющий осуществлять совместную защиту информации от ошибок в канале связи и от несанкционированного доступа.

3. Предложены схемы безопасной агрегации информации, которые позволяют организовать безопасный обмен информацией без увеличения избыточности.

4. Внесены предложения по обеспечению безопасности информации в международные стандарты передачи информации IEEE 802.11i,802.11s, 802.11w.

Важным результатом работ в области безопасных информационных технологий стало создание в ГУАП совместной с корпорацией «Самсунг» лаборатории в области защиты сетевой информации.

234

4.4. Технологии системы-на-кристале

Развитие технологий производства интегральных схем за последнее десятилетие привело к радикальным изменениям в технике и технологии создания систем на их основе. Современные интегральные схемы могут содержать сотни миллионов транзисторов. В проектных нормах промышленные интегральные технологии в последние годы преодолели барьер в 100 нм (0,1 мкм) и вторглись в область нанотехнологий (1–100 нм). В прогнозируемых на следующий год промышленных технологиях с проектной нормой в 45 нм кристаллы СБИС будут содержать уже порядка 10 млрд транзисторов на кристалле. Прогнозы промышленности показывают как минимум на 10 лет вперед и дальнейший рост степени интеграции по известному закону Мура – удвоение числа транзисторов на кристалле каждые 1,5–2 года.

Столь радикальные количественные изменения приводят к качественным изменениям в технике и технологии создания систем обработки, передачи информации и управления с использованием интегральных технологий. Стирается грань между понятиями «элементная база», «прибор», «система». Растет доля проектов систем, ориентированных на построение систем-на-кристалле, (СнК, Systems-on-Chip – SoC). Мировой рынок электронной компонентной базы (ЭКБ) класса систем-на-кристалле оценивается в 30 млрд дол. к 2010 г.

Системы-на-кристалле второго поколения определяются как однокристальные многофункциональные устройства, с несколькими процессорными ядрами внутри, которые управляют различными функциональными подсистемами со встроенным системным и прикладным ПО (firmware), реализующие законченное решение целевой задачи.

В ГУАП в 2003–2006 гг. велись работы в области СнК. Основные полученные результаты.

1. Предложена формальная модель параллельных вычислений в неоднородных многоядерных СнК класса «сети-на-кристалле» (Network-on-Chip – NoC), на основе которой разработан ряд строгих и эвристических алгоритмов размещения процессов среднегранулярных параллельных программ на процессорные ядра неоднородных многоядерных СнК.

2. Разработана формальная модель соединений для системного уровня проектирования (System Level Design) СнК, на основе которой предложены методики оптимизации топологии связей между

235

процессорными узлами и размещения ядер в структуре многоядерных СнК с учетом энергопотребления.

3. Разработаны методы и алгоритмы встроенной автоконфигурации многоядерных СнК с обменом сообщениями, базирующиеся на децентрализованном тестировании и коллегиальном принятии решений об исправности вычислительных узлов СнК, позволяющие автоматически исключать неисправные узлы и формировать исправную конфигурацию при включении СнК.

Исследования в области кибернетики-информатики в ЛИАПГУАП имеют уже 45-летнюю историю.

Важным аспектом развития вычислительной техники было создание бортовых вычислительных машин. Управление подвижными объектами в изменяющейся среде является сложной задачей, решение которой требует обработки большого количества информации с высоким быстродействием. Первые бортовые машины были созданы в авиации, потом появились бортовые вычислительные системы морских судов, в настоящее время создаются бортовые вычислительные системы автомобилей и роботов.

ВСоветском Союзе и в России важные работы в направлении создания авиационных бортовых машин были проведены ОКБ «Электроавтоматика». С этой организацией и ее сотрудниками наш университет (ЛИАП-ГУАП) на протяжении многих лет тесно связан как совместными научно-исследовательскими работами, так и по линии подготовки кадров – сотрудники ОКБ «Электроавтоматика» преподавали в ЛИАП-ГУАП, студенты проходили практику на этом предприятии, там работают и многие выпускники.

Внастоящем учебном пособии в прил. 1 отражается 40-летняя история работы ОКБ «Электроавтоматика» в области создания бортовых вычислительных систем, авторы этой статьи – известные специалисты Р. А. Шек-Иовсепянц, Ю. И. Сабо и Б. В. Уткин, лауреаты Государственной премии СССР.

4.5. Закон Амдала

Закон Амдала (иногда также закон Амдаля-Уэра) иллюстрирует ограничение роста производительности ВС с увеличением количества вычислителей.

Предположим, что необходимо решить некоторую вычислительную задачу. Предположим, что ее алгоритм таков, что доля α от

236

общего объема вычислений может быть получена только последовательными расчетами, соответственно, доля 1 – α может быть распараллелена идеально (т. е. время вычисления будет обратно пропорционально числу задействованных узлов p). Тогда ускорение, которое может быть получено на ВС из p процессоров, по сравнению с однопроцессорным решением не будет превышать величины

1

Sp = α+1−pα.

Во сколько раз быстрее выполнится программа с долей последовательных вычислений α при использовании p процессоров.

Из таблицы видно, что только алгоритм, вовсе не содержащий последовательных вычислений (α = 0), позволяет получить линейный прирост производительности с ростом количества вычислителей в системе. Если доля последовательных вычислений в алгоритме равна 25%, то увеличение числа процессоров до 10 дает ускорение в 3,077 раза (эффективность 30,77%), а увеличение числа процессоров до 1000 – в 3,988 раза (эффективность 0,4%).

Отсюда же очевидно, что при доле последовательных вычислений α общий прирост производительности не может превысить 1 / α. Так, если половина кода – последовательная, то общий прирост никогда не превысит двух.

Закон Амдала показывает, что прирост эффективности вычислений зависит от алгоритма задачи и ограничен сверху для любой задачи с α≠0. Не для всякой задачи имеет смысл наращивание числа процессоров в ВС.

Более того, если учесть время, необходимое для передачи данных между узлами ВС, то зависимость времени вычислений от числа узлов будет иметь максимум. Это накладывает ограничение на масштабируемость ВС, т. е. означает, что с определенного момента

237

добавление новых узлов в систему будет увеличивать время расчета задачи.

Рекурсивнаяструктура–этопосутиструктурасавтоматическим распараллеливанием в зависимости от структуры задачи. Если n – количество процессоров, m – количество задач(задачу можно трактовать как ограничение), то s – количество произвольных коэффициентов, позволяющих подстраиваться в рамках решаемых задач, которое характеризует адаптационные возможности кластеров.

4.6. Мир как модель внутри сверхмашины

Картина мира в каждую из эпох формируется на основе синтеза всех достижений во всех сферах человеческой деятельности. В эпоху расцвета механики сформировался механицизм, в эпоху развития компьютерной техники естественно ожидать формирования компьютеризма. Так называемый реальный мир – это один из миров виртуальных. Антропный принцип реализуется через лингвистику и операцию поляризации.

При описании Вселенной напрашиваются биологические аналогии и самоорганизация с внешним и внутренним управлением. Неклассические науки привнесли в картину мира наблюдателя, постнеклассические – управителя.

Для всех пользователей компьютера очевидно, что в компьютере могут одновременно сосуществовать несколько моделей, несколько баз данных, несколько отдельных вычислительных процессов. Эти отдельные вычислительные структуры могут быть сильно защищены от несанкционированного доступа, но усилиями хакеров могут быть и взломаны. Поэтому логично предположить, что наш мир – это модель внутри сверхмашины, внутри сверхмашины могут находиться и другие миры, которые отделены друг от друга. Но иногда эта изоляция нарушается и тогда в нашем мире происходят различные необычные явления.

Существует несколько гипотез относительно устройства нашего мира. Одна из них – наш мир конечен и все сценарии его развития записаны в памяти сверхкомпьютера Вселенной. Тогда для того чтобы предсказать будущее событие, нужно получить доступ к этой памяти, и некоторым – пророкам – это удается.

В связи с изложенным хотелось рассмотреть проблемы развития вычислительной техники. Вычислительные машины предназна-

238

чены для решения задач. Общая схема решения задач имеет вид Ячел – >Яос – >Япр – >Ямаш –>Ярез.

К сожалению, для большинства задач имеется только формулировка на естественном языке, большинство задач плохо формализованы. Поэтому актуальным является переход от описания на естественном языке на язык основных соотношений, лингвокомбинаторное моделирование является одним из способов такой формализации, чему была посвящена гл. 2. В результате такой формализации порождаются рекурсивные структуры со структурированной неопределенностью. Таким образом, рекурсивная структура машин и сетей должна включать три составляющие: явления, смыслы и структурированную неопределенность, – которые наличествуют в любой задаче.

В свое время Альберт Эйнштейн сказал: «Человек – это часть целого, которое мы называем Вселенной, часть, ограниченная во времени и пространстве. Он ощущает себя, свои мысли и чувства как нечто отдельное от всего остального мира, что является своего рода оптическим обманом. Эта иллюзия стала темницей для нас, ограничивающей нас миром собственных желаний и привязанностью к узкому кругу близких нам людей. Наша задача – освободиться из этой тюрьмы, расширив сферу своего участия до всякого живого существа, до целого мира, во всем его великолепии. Никто не может выполнить такую задачу до конца, но уже сами попытки достичь эту цель являются частью освобождения и основанием для внутренней уверенности» [76, с. 28].

Каждая система может иметь свою компьютерную модель. Например, при проектировании здания необходимо иметь трехмерную интерактивную модель здания и всех его помещений, после строительства здания эта модель может быть использована для оперативного управления зданием, особенно в экстремальных ситуациях (пожар, нападение и др.). Аналогично при проектировании корабля необходимо иметь сначала цифровую модель корабля со всеми помещениями и системами, испытать эту модель в различных условиях на море и только потом строить корабль. На построенном корабле модель корабля может быть использована для оперативного управления в различных ситуациях, например в случае пробоины в том или ином месте. Что должен делать экипаж, определяется должностными инструкциями, но на модели можно проиграть самые различные варианты и выбрать наилучший.

239

При лечении человека можно построить модель человеческого организма и сначала промоделировать результаты возможных врачебных действий, а потом уж лечить либо хирургически, либо медикаментозно. Модель организма конкретного человека должна сопровождать его всю жизнь, что безусловно улучшит уровень медицинского обслуживания человека. Но люди смертны, куда должна деваться модель человеческого организма, на создание которой было затрачено так много усилий и ресурсов? Мы сейчас говорим об искусственной компьютерной модели человека, но, может быть, у каждого человека уже есть такая естественная модель? Эта модель может передаваться с помощью радиоимпульса.

Посовременнымпредставлениям,нашмозгсостоитизтрехчастей, во-первых, это его как бы аппаратное обеспечение (Brain), во-вторых, это его как бы внутреннее ПО (Mind, Intellect), в-третьих, это его как бы внешнее ПО (Consciousness), – мы осознаем только то, что происходит на внешнем уровне. Можно высказать гипотезу, что на первом уровнепроисходитоперированиеструктурированнойнеопределенностью, на втором уровне – смыслами, а на третьем уровне – словами.

Внастоящее время мировая наука интенсивно работает над разгадкой человеческого сознания [73–78].

Люди в основном пользуются моделями XIX в., когда господствовала механика, а самой распространенной машиной были механические часы с пружинами, колесиками и маятниками.

Внаше время самая распространенная машина – это компьютер. Различные аспекты эволюции вычислительной техники были рассмотрены выше. Компьютер – это не только машина для вычислений и обработки информации, это еще и модель мира. Понимание мировоззренческого значения компьютера еще только начинается. Современный компьютер – это прежде всего экран, через который люди получают наибольшее количество информации. Экраны совершенствуются, и сейчас люди уже получают через них трехмерную информацию, наблюдают движение с высокой степенью разрешения в различных частотах спектра, строятся гигантские экраны, которые окружают человека со всех сторон. И естественно возникает вопрос, а, может быть, весь окружающий людей мир – это гигантский многомерный экран? Каким суперкомпьютером этот экран управляется? Возникает следующая картина мира – люди со всеми своими инструментами – телескопами, микроскопами, ускорителями и пр. – окружены гигантским многомерным экраном, и всеми инструментами изучают не более чем свойства этого экрана,

240