Министерство образования Российской Федерации Санкт-Петербургский государственный институт точной механики и оптики (технический университет)
Новиков Г. И.
Архитектура параллельных систем
Санкт-Петербург
2002 год
Набор Ильенкова
А., Клевцова Е., Кредшева Е.
Введение
Параллельные вычислительные системы делятся на два обширных класса:
1) системы с одиночным потоком команд и многими потоками данных ОКМД, в которых команды формируются в одном управляющем процессоре и исполняются одновременно во всех обрабатывающих процессорах над локальными данными этих процессоров;
2) системы со многими потоками команд и многими потоками данных МКМД, состоящие из компьютеров, работающих со своими программами и своими данными.
Параллельные вычислительные системы прошли этапы векторной и матричной обработки данных на основе систем с ОКМД, параллельных вычислений на относительно небольшом числе процессоров, связанных в единую систему типа МКМД локальной средой передачи сообщений, и в прошедшее десятилетие вступили в период параллельных вычислений на основе сотен и тысяч процессоров с кэш-памятями и основной памятью. Эта эволюция обусловлена в первую очередь развитием микроэлектроники, обеспечившей технологии создания микропроцессоров, микросхем памяти и коммуникационных систем на основе сверхбольших интегральных схем, большинство из которых состоит из многих миллионов элементов.
Параллельные вычислительные системы класса МКМД подразделяются на три подкласса: симметричные мультипроцессорные системы, кластеры и массово параллельные системы.
Симметричные мультипроцессорные системы состоят из процессоров, обладающих одинаковыми возможностями доступа к основной памяти и внешним устройствам и функционирующих под управлением одной операционной системы. Симметричные системы обеспечивают следующие возможности: создание приложений в привычных программных средах, возможность масштабирования (расширения) системы без преобразования приложений, возможность пересылки сообщений с большой пропускной способностью и поддержку когерентности (тождественности) данных, хранимых в совокупности кэшей и блоках основной памяти. Однако степень масштабируемости симметричных мультипроцессорных систем ограничена пропускной способностью каналов связи между процессорами, основной памятью и внешними устройствами. Как правило, количество процессоров в симметричных системах не превышает нескольких десятков. Для построения систем с большим числом процессоров симметричный мультипроцессорный модуль используется в качестве вычислительного модуля в кластерах и массово параллельных системах.
Кластер это совокупность вычислительных модулей, являющихся узлами кластера, которые объединены в единую систему каналами связи и разделяемыми устройствами внешней памяти - дисковыми массивами. Для построения кластеров используются специализированные фирменные средства, например, каналы MEMORY CHANNEL фирмы DEC, и дисковые массивы с высокоскоростными контроллерами – RAID-массивы. Размер кластера изменяется от нескольких узлов кластера до десятков узлов. Главное достоинство кластеров – высокая надежность. Так, если персональный компьютер имеет коэффициент готовности на уровне 0.99, что гарантирует среднее время простоя компьютера 3.5 дней в год, то надежность кластеров, содержащих сотни и тысячи процессоров, намного выше и составляет от 0.999 для высоконадежных систем, имеющих среднее время простоя 8.5 часов в год, до 0.99999, имеющих среднее время простоя 5 минут в год. Высокая надежность кластеров достигается за счет широкого использования в кластерах кодов с обнаружением и исправлением ошибок. При этом все передачи данных по интерфейсам, все блоки памяти, все накопители данных, все устройства ввода-вывода данных, все процессоры постоянно контролируют корректность передачи и обработки данных и формируют сигналы от схем контроля при сбоях и отказах в работе устройств кластера.
Массово параллельные системы имеют наиболее скоростные каналы связи между вычислительными модулями и широкие возможности по масштабированию систем. Массово параллельные системы состоят из сотен, тысяч и десятков тысяч компьютеров и процессоров и являются суперкомпьютерами в современном представлении. В них используются современные способы построения коммутационных систем, объединяющих процессоры в единую систему, средства синхронизации совместно протекающих и взаимодействующих вычислительных процессов и средства организации высокопроизводительных и отказоустойчивых вычислений.
Программа ускоренной стратегической компьютерной инициативы ASCI (Accelerated Strategic Computing Initiative), принятая в США к 1995 г. и рассчитанная на 10 лет, окажет значительное влияние на создание массово параллельных систем из имеющихся на рынке компонент, выпуск которых освоен промышленностью: процессоров, микросхем памяти, коммуникационных систем и программных средств. Таким образом, развитие параллельных систем в рамках программы ASCI сформирует профиль промышленных стандартов, по которым развиваются системы для научно-технических и коммерческих применений. Этот подход соответствует современным концепциям построения открытых и расширяемых систем, стандартизованных интерфейсов и мобильного программного обеспечения.