ПОЗНАВАТЕЛЬНОЕ

Оси и плоскости тела человека - Тело человека состоит из определенных топографических частей и участков, в которых расположены органы, мышцы, сосуды, нервы и т.д.

Отёска стен и прирубка косяков - Когда на доме не достаёт окон и дверей, красивое высокое крыльцо ещё только в воображении, приходится подниматься с улицы в дом по трапу.

Дифференциальные уравнения второго порядка (модель рынка с прогнозируемыми ценами) - В простых моделях рынка спрос и предложение обычно полагают зависящими только от текущей цены на товар.

История развития параллелизма в архитектуре ЭВМ

Предыдущая 37 38 39 40 41 42 434445 46 47 48 49 50 51 52 Следующая

Идеи параллелизма начали внедряться в архитектуру ЭВМ очень давно. Как и многие другие усовершенствования, те или иные элементы параллельной обработки сначала появлялись в супер-ЭВМ – в самых передовых, единичных компьютерах своего времени. После должной отработки технологии и удешевления производства, эти элементы сначала появлялись в ЭВМ среднего класса, а затем – в рабочих станциях, персональных компьютерах, современных микропроцессорах.

Рассмотрим краткую историю развития идей параллельной обработки в архитектуре как ЭВМ ведущих мировых производителей, так и отечественной вычислительной техники.

Первым массово-применяемыми элементами параллельной обработки стали внедренные в ЭВМIBM 701(1953 г.) и IBM 704 (1955 г.) разрядно-параллельная памятьи разрядно-параллельная арифметика. Пионеры вычислительной техники (EDSAC, EDVAC, UNIVAC) имели разрядно-последовательную память, из которой слова считывались последовательно бит за битом. Указанные машины фирмы IBM стали первыми коммерчески доступными компьютерами, в которых были применены разрядно-параллельные память и арифметика. Очень популярная IBM 704 (изготовлено и продано свыше 150 экземпляров) имела при этом память на ферритовых сердечниках и аппаратное АЛУ с плавающей точкой.

Следующий виток развития параллельной обработки пришелся на 1958 г., когда к ЭВМ IBM 704 присоединили 6 независимых процессоров ввода-вывода. Поскольку скорость работы самого быстрого внешнего устройства (магнитной ленты) была на три порядка меньше скорости работы процессора, то последний неизбежно простаивал во время выполнения операций ввода-вывода. Независимые процессоры ввода-вывода получали специальные команды от основного процессора, после чего могли работать параллельно с ним. Новая ЭВМ, получив название IBM 709, оказалась очень удачной. Всего было продано около 400 экземпляров, причем последний был выключен только в 1975 году!

Следующим шагом явилось создание в 1961 году все той же фирмой IBM совместно с Лос-Аламосской научной лабораторией ЭВМ IBM STRETCH. В данном компьютере впервые были применены опережающий просмотр впереддля выборки команд и расслоение памятина два банка для согласования низкой скорости выборки из памяти и скорости выполнения вычислений основным процессором.

В 1963 году коллектив Манчестерского университета разработал ЭВМ ATLAS, в которой впервые был использован конвейерный принцип выполнения команд. Выполнение команды разбивалось на 4 ступени: выборка команды, вычисление адреса операнда, выборка операнда и выполнение команды. Конвейеризация позволила уменьшить время выполнения команды почти в 4 раза. Заметим, что кроме конвейера команд для данной ЭВМ впервые была разработана мультипрограммная ОС, основанная на использовании виртуальной памяти и системы прерываний.

Значительным событием стало появление в 1964 году ЭВМ CDC 6600 – разработки американской фирмыControl Data Corporation (CDC). В данной ЭВМ впервые использовалось несколько независимых функциональных устройств. Параметры данного компьютера были настолько впечатляющими, что имеет смысл привести их и сегодня.

· время такта 100 нс;

· производительность 2-3 млн. операций в секунду;

· оперативная память - 32 банка по 4096 60-ти разрядных слов;

· цикл памяти 1мкс;

· 10 независимых функциональных устройств;

· для ввода данных использовалась 7-ми канальная магнитная лента.

Система команд CDC 6600 предвосхитила появление RISC-архитектуры, а для охлаждения системы использовался фреон. Главным конструктором машин CDC являлся выдающийся американский ученый и инженер Сеймур Роджер Крей (Seymour R. Cray) (1925-1996), научную и инженерную деятельность которого трудно переоценить. Фактически именно его идеи и разработки определили архитектуру супер-ЭВМ в 60‑80-х годах прошлого века, более того, являются актуальными и по сей день.

Машины CDC 6600 имели огромный успех и практически вытеснили мэйнфреймы IBM с рынка высокопроизводительных ЭВМ для научных расчетов. Успех был закреплен выпуском в 1969 г. следующей модели – CDC 7600 с восемью независимыми конвейерными функциональными устройствами, сочетавшими принципы параллельной и конвейерной обработки. Производительность CDC 7600 достигала 15 MIPS.

Следующей вехой на пути развития параллельных вычислений следует считать появление в 1974 г. матричных процессоров (ILLIAC IV фирмы Burroughs). Проект предполагал объединение 256 процессорных элементов (4 матрицы-квадранта по 64 ПЭ) в единую систему с производительностью до 1 GFLOPS. Несмотря на частичную реализацию (лишь один квадрант и 50 MFLOPS производительности), проект ILLIAC IV оказал огромное влияние на архитектуру ЭВМ и ВС последующих поколений.

В 1972 году С. Крей покидает CDC и основывает свою знаменитую компанию Cray Research, которая в 1976 г. выпускает первый векторно-конвейерный компьютер Cray-1 производительностью 160 MFLOPS. ЭВМ содержала 12 конвейерных функциональных устройств, способных обрабатывать векторные команды, работающие с массивами независимых данных.

Как и предыдущие машины С. Крея, Cray-1 имел значительный успех, который был закреплен появлением в 1985 году ЭВМ Cray-2 – первого компьютера, преодолевшего гигафлопный рубеж производительности. У Cray-2 данный показатель составил 1,2 GFLOPS. В данном суперкомпьютере в полной мере было использовано совмещение векторно-конвейерной и мультипроцессорнойобработки – система состояла из набора взаимодействующих векторных процессоров.

На рубеже 80-90-х годов 20-го века произошло то, что некоторые исследователи называют первой суперкомпьютерной революцией. В 1989 году фирма Intelвыпустила серийный 64-разрадный микропроцессор i860, равный по производительности Cray-1. Начался массовый выпуск микропроцессоров, и с этих пор построение высокопроизводительных ВС стало продвигаться по пути комплексирования имеющихся на рынке готовых продуктов.

В этой связи особо следует отметить появление на рынке в 1985 году транспьютеровбританской фирмы Inmos.Данный микропроцессор имел RISC-архитектуру, позволявшую исполнять большинство команд за один такт. Кроме этого, каждый транспьютеримел по 4 линка – специальных высокоскоростных каналов связи. С помощью линков транспьютеры могли объединяться друг с другом, что положило начало созданию массово-параллельных вычислительных систем (Massively Parallel Processing – MPP).

Массово-параллельные ВС представляют собой совокупность вычислительных модулей, объединенных высокоскоростными каналами связи. Каждый модуль содержит минимум один вычислительный процессор, собственную оперативную память, коммуникационное оборудование и управляется отдельной ОС. В течение 10 лет MPP-системам не было равных в производительности, что отражалось их лидирующими позициями в ведущемся с 1993 г. списке 500 самых мощных компьютеров мира (так называемом Top500). Среди высших достижений следует отметить построение в 1997 г. фирмой Intel первой терафлопной ЭВМ ASCI Red, объединившей до 9 тыс. процессоров, а также серийные массово-параллельные системы SP2компании IBM.

Альтернативой MPP с начала 90-х годов стала архитектурамногопроцессорных ВС с общей памятью – симметричный мультипроцессор (Symmetrical MultiProcessor – SMP). Несмотря на существенное ограничение на число объединяемых процессоров (не более 128), SMP-системы показывают наибольшую удельную производительность и являются гораздо проще в управлении (с помощью единой ОС) и программировании.

Стоит отметить, что перед разработчиками параллельных ВС в конце 80-х, середине 90-х годов 20-го века стояли две основные технологические проблемы – построение вычислительных модулей и организация сбалансированных информационных коммуникаций между ними. Стоимость таких проектов измерялась десятками миллионов долларов. Однако, резкий рост производительности персональных компьютеров, а также повсеместное внедрение сетевых технологий (100 Мбит Ethernet), привели к концу 20-го века ковторой суперкомпьютерной революции – появлению кластерной архитектуры.

Кластерная ВС, как и MPP, представляет собой совокупность вычислительных модулей, объединенных коммуникационной средой. Разница состоит в том, что компонентами кластера являются не специализированные разработки, а массово выпускаемые стандартные промышленные комплектующие, в том числе персональные компьютеры и сетевое оборудование Ethernet. Основным достоинством подобных систем является наивысшее соотношение «производительность/стоимость».

Первым кластером стал проект Beowulf, реализованный в 1994 году в NASA, а в 1998 году и произошло собственно революционное событие – кластер Avalon(48 GFLOPS), объединивший 68 процессоров Alpha, стоимостью всего 152 тыс. долларов вошел в список Top500, заняв 114-е место и опередив многочисленные многомиллионные MPP- и SMP-системы.

С этого момента кластерный принцип построения постепенно стал доминировать в архитектуре параллельных ВС, в том или ином виде проявляясь в разработках супер-ЭВМ ведущих мировых производителей.

Практически все перечисленные этапы развития параллелизма, хотя и с небольшим опозданием, прошла отечественная вычислительная техника.

В 1957 г. в Институте точной механики и вычислительной техники АН СССР (ИТМ и ВТ) под руководством выдающегося советского ученого академика С.А. Лебедева завершились разработки ЭВМ общего назначения БЭСМ-2. Данная ЭВМ, как и IBM 701, имела параллельную систему обмена кодами между арифметическим и оперативным запоминающими устройствами. Машин в период до 1962 г. было выпущено несколько десятков экземпляров, и применялись они в вычислительных центрах и научно-исследовательских организациях для численного решения широкого круга математических задач. Преемницей БЭСМ-2 стала полностью полупроводниковая ЭВМ БЭСМ‑4 (1961 г.).

В 1964 г. в Конструкторском бюро Госкомитета по радиоэлектронике (впоследствии – КБ промышленной автоматики, а с 1978 г. – НИИ «Квант») под руководством В.С. Полина и В.К. Левина была разработана ЭВМ «Весна»производительностью до 300 тыс. операций в секунду. Данная машина имела центральный и периферийный процессоры, которые имели системы прерываний программ, необходимые для управления параллельной работой процессоров и внешних устройств (в мультипрограммном режиме), а также систему защиты памяти (управляемое разграничение доступа к памяти). В «Весне» применялось совмещение (параллелизм) обработки на всех структурных уровнях системы - АЛУ, память, команды в процессорах, внешние устройства.

В 1966 г. советские ученые Э.В. Евреинов и Ю.Г. Косарев опубликовали работу «Однородные универсальные вычислительные системы высокой производительности», в которой фактически излагались основы построения современных массово-параллельных ВС. Эта работа минимум на 20 лет опередила время.

В 1967 г. вступила в строй гордость отечественной вычислительной техники – знаменитая универсальная ЭВМ БЭСМ-6, созданная также в ИТМ и ВТ под руководством академика С.А. Лебедева. Всего было выпущено более 350 экземпляров этой поистине эпохальной ЭВМ, разработки и выпуск которой закончились только в 1987 году!

В структуре БЭСМ-6впервые в отечественной практике и независимо от зарубежных ЭВМ (STRETCH фирмы IBM) был широко использован принцип совмещения выполнения команд (до 14 одноадресных машинных команд могли находиться на разных стадиях выполнения). Этот принцип, названный академиком С.А. Лебедевым принципом «водопровода», стал впоследствии широко использоваться для повышения производительности универсальных ЭВМ, получив в современной терминологии название конвейера команд.

Работа модулей оперативной памяти, устройства управления и арифметико-логического устройства осуществлялась параллельно и асинхронно, благодаря наличию буферных устройств промежуточного хранения команд и данных. Для ускорения конвейерного выполнения команд в устройстве управления были предусмотрены отдельная регистровая память хранения индексов, отдельный модуль адресной арифметики, обеспечивающий быструю модификацию адресов с помощью индекс-регистров, включая режим стекового обращения.

Ассоциативная память на быстрых регистрах (фактически кэш-память) позволяла автоматически сохранять в ней наиболее часто используемые операнды и тем самым сократить число обращений к оперативной памяти. Расслоение оперативной памяти обеспечивало возможность одновременного обращения к разным ее модулям из разных устройств машины.

Механизмы прерывания, защиты памяти, преобразования виртуальных адресов в физические и привилегированный режим работы для ОС позволили использовать БЭСМ-6в мультипрограммном режиме и режиме разделения времени.

Следующим значительным достижением отечественной вычислительной техники стали многопроцессорные вычислительные комплексы (МВК) «Эльбрус» (1979 г. – «Эльбрус-1», 1984 г. – Эльбрус‑2»). Комплексы были разработаны в ИТМ и ВТ под руководством академика В.С. Бурцева. Производительность «Эльбрус‑1» - до 15 млн. операций в секунду, «Эльбрус-2» - до 125 млн. операций в секунду, емкость памяти «Эльбрус-1» - до 1 Мслов, «Эльбрус-2» - до 16 Мслов.

В состав комплексов входило до 10 центральных процессоров (на общей памяти), а также была предусмотрена возможность использования наряду с универсальными специализированных процессоров: СВС – для реализации прикладных программ, написанных для ЭВМ БЭСМ-6, и БПФ – для быстрого преобразования Фурье; процессоров ввода-вывода (до 4); процессоров приема-передачи данных (до 16) и др.

Развитием идей многопроцессорной обработки стала система «Эльбрус 3-1» (1989 г., ИТМ и ВТ, руководитель проекта – А.А. Соколов).

«Эльбрус 3-1» структурно представлял собой модульную систему, включавшую в себя несколько подсистем. Основные элементы процессорной подсистемы – модульный конвейерный процессор (МКП) производительностью до 550 MFLOPS, массовая память, подсистема высокоскоростной дисковой памяти и подсистема внешних устройств.

Связующим ядром, объединявшим различные компоненты в единое целое, являлась система коммутации и передачи данных, к которой в зависимости от конкретной реализации могло быть подключено до 64 компонентов. Коммутационная система называлась также системным каналом, а объединяемые ею компоненты – его абонентами. В частности, МКП – один из абонентов.

ВС «Эльбрус 3-1» можно рассматривать как единую многопроцессорную систему с параллельной обработкой общих данных, распределенных по модулям локальной и массовой памяти. При этом для любой физической структуры системы была обеспечена связь абонентов по принципу «каждый с каждым».

Векторная обработка в МКП осуществлялась итеративными операциями над наборами упорядоченных данных – векторами, размещенными в локальной памяти. Эта обработка дополнялась более медленными операциями переупорядочения расположения векторов в локальной памяти.

После распада СССР, по времени совпавшим с первой суперкомпьютерной революцией, в России не прекратились разработки передовой вычислительной техники. Весомым достижением стало появление в 1994 году массово-параллельной ВС МВС-100(разработка НИИ «Квант»). МВС-100 была построена на базе микропроцессоров фирмы Intel i860, объединяемых с помощью транспьютеров T-805. В максимальной конфигурации (которой, правда, не удалось построить) система объединяла до 1024 процессоров и достигала производительности 100 GFLOPS (отсюда и цифра в названии).

Развитием идей МВС-100 явилась система МВС-1000(1998 г., НИИ «Квант»), также построенная по массово-параллельному принципу, но уже на базе вычислительного процессора DEC Alpha-21164. Производительность в максимальной конфигурации из 1024 процессоров – 1 TFLOPS. Опять-таки достичь максимальной конфигурации не удалось, но терафлопный рубеж был преодолен отечественными разработчиками в 2000 году с выпуском кластерной ВС МВС-1000М, успешно проработавшей 4 года в Межведомственном суперкомпьютерном центре РАН (МСЦ РАН).

Наконец, в настоящее время силами НИИ «Квант» и МСЦ РАН в 2004 г. была введена в эксплуатацию кластерная система МВС-15000 производительностью 10 TFLOPS.

Предыдущая 37 38 39 40 41 42 434445 46 47 48 49 50 51 52 Следующая