49.Перечисліть і дайте коротку характеристику основним типам комп’ютерів.

1.4.1. Суперкомпьютеры

Достижения в области микроэлектроники, проектировании компьютеров и развитии их программного обеспечения привели к тому, что первоначально сравнительно узкая сфера применения компьютеров, главным образом для научных и технических расчетов, в сравнительно короткий срок существенно расширилась и охватила все области человеческой деятельности, связанные с обработкой больших объемов информации.

Это разнообразие областей и форм использования компьютеров породило широкий спектр требований к характеристикам и особенностям организации компьютеров и компьютерных систем. В результате к настоящему времени в соответствии с областями применения определились основные типы компьютеров, которые существенно отличаются не только по количественным характеристикам, но и по компоновке, электронно-технологической базе и используемым периферийным устройствам. По этим признакам компьютеры можно классифицировать следующим образом:

• сверхпроизводительные компьютеры (суперкомпьютеры) (supercomputers);

• компьютеры общего назначения (большие ЭВМ) (mainframes);

• миникомпьютеры (minicomputers);

• микрокомпьютеры (microcomputers);

• микропроцессоры (microchip).

Следует отметить, что границы между приведенными типами компьютеров быстро меняются под влиянием успехов в области микроэлектроники и компоновки компьютеров, тем более, что в ряде применений компьютеры разных типов объединяются в компьютерные системы и комплексы различных конфигураций.

Суперкомпьютеры ориентированы на достижение сверхбольших скоростей работы (сотни миллионов операций в секунду) или на повышение надежности и живучести. Для достижения этих целей они содержат несколько десятков или сотен сравнительно простых (элементарных процессоров). В настоящее время существуют две структуры построения крупных многопроцессорных систем высокой производительности: матричная структура и структура с конвейерной обработкой команд.

Компьютеры, реализованные с использованием матричной структуры, содержат некоторое число одинаковых сравнительно простых быстродействующих процессоров, соединенных друг с другом и памятью так, что образуется сетка (матрица), в узлах которой размещаются процессоры. В системе имеется несколько потоков данных и один общий поток команд, другими словами, все процессоры выполняют одновременно одну и туже команду (допускается пропуск команд в отдельных процессорах), но над разными операндами, доставляемыми процессорам из памяти несколькими потоками данных.

В компьютерах матричной структуры возникает сложная задача распараллеливания алгоритмов решаемых задач для обеспечения загрузки процессоров. В ряде случаев эти вопросы лучше решаются при использовании конвейерной структуры. Эта структура реализуется в виде цепочки последовательно соединенных процессоров, так что информация на выходе одного процессора является входной информацией для другого процессора, т.е. процессоры образуют процессорный конвейер (трубопровод). Одинарный поток данных доставляет операнды из памяти на вход конвейера. Каждый процессор обрабатывает соответствующую часть задачи, передавая результаты соседнему процессору, который использует их в качестве исходных данных. Таким образом, решение задач для некоторых исходных данных развертывается последовательно в конвейерной цепочке. Это обеспечивается подведением к каждому процессору своего потока команд, т.е. имеется множественный поток команд.

Если трубопровод наполнен, выходной процессор выдает результаты для последовательности входных данных через очень короткие интервалы времени, хотя действительное время прохождения команд через конвейер может быть значительно больше.

Следует отметить, что конвейерная обработка команд используется на внутрипроцессорном уровне практически во всех современных универсальных процессорах, однако только в суперкомпьютерах используется конвейер из отдельных процессоров, управляемых каждый своим потоком команд.

Повышение надежности и живучести (или отказоустойчивость) в суперкомпьютерах и, в настоящее время, и для других типов компьютеров достигается введением избыточного оборудования и обеспечением при отказах оборудования автоматической реконфигурации системы для сохранения жизненно важных функций (возможно, ценой утраты второстепенных).

Основными принципами построения отказоустойчивых компьютеров являются:

• многоустройственность (система должна содержать несколько экземпляров однотипных устройств: процессоров, модулей оперативной памяти, контроллеров и т.д.);

• общие поля процессоров, оперативной памяти, каналов (шин) и периферийных устройств;

• динамическое распределение функций между однотипными устройствами (заранее не известно, какое из однотипных устройств будет выполнять данную функцию и, более того, работа может быть начата на одном, продолжена на другом и закончена на третьем устройстве);

• автоматический контроль правильности выполнения операций (все операции, например, вычисления в процессоре выполняются на двух или нескольких устройствах и при несовпадении результатов операция повторяется и/или вызывается программа автоматической диагностики);

• динамическая реконфигурация (возможность производить замену отказавшего оборудования или модулей программного обеспечения без перерыва в работе исправной части оборудования и программного обеспечения).

Наличие общих полей устройств и динамического распределения функций позволяет комплексу сохранять работоспособность, пока имеется хотя бы по одному исправному устройству каждого типа.

Суперкомпьютеры используются для решения особенно сложных научно-технических задач, задач обработки больших объемов данных в реальном масштабе времени, поиска оптимальных решений, автоматизированного проектирования сложных объектов, в различных системах управления (промышленных и военных).