Тема 6: Многопроцессорные архитектуры

Тема лекции: Примеры некоторых архитектур вычислительных систем

План лекции:

5. Асимметричная мультипроцессорная обработка

6. Симметричная мультипроцессорная обработка

7. Кластерная архитектура

6.5 Асимметричная мультипроцессорная обработка — Asymmetric Multiprocessing (ASMP)

Это архитектура суперкомпьютера, в которой каждый процессор имеет свою оперативную память.

В ASMP используются три схемы (рис. 3.14). В любом случае процессоры взаимодействуют между собой, передавая друг другу со­общения, т. е. как бы образуя скоростную локальную сеть. Передача сообщений может осуществляться через общую шину (рис. 3.14, а, см. также МРР-архитектура) либо благодаря межпроцессорным связям. В последнем случае процессоры связаны либо непосредст­венно (рис. 3.14, б), либо через друг друга (рис. 3.14, в). Непосредст­венные связи используются при небольшом числе процессоров.

Каждый процессор имеет свою, расположенную рядом с ним оперативную память. Благодаря этому, если это необходимо, про­цессоры могут располагаться в различных, но рядом установленных корпусах. Совокупность устройств в одном корпусе именуется кла­стером. Пользователь, обращаясь к кластеру, может работать сразу с группой процессоров. Такое объединение увеличивает скорость об­работки данных и расширяет используемую оперативную память. Резко возрастает также отказоустойчивость, ибо кластеры осуществ­ляют резервное дублирование данных. Созданная таким образом система называется кластерной. В этой системе, в соответствии с ее структурой, может функционировать несколько копий операцион- ной системы и несколько копий прикладной программы, которые работают с одной и той же базой данных (БД), решая одновременно разные задачи.

МРР-архитектура (massive parallel processing) — массивно-парал­лельная архитектура (вариант «а» на рис. 3.14). В этом случае систе­ма строится из отдельных модулей, каждый из которых содержит:

• процессор;

• локальный банк оперативной памяти (ОП);

• два коммуникационных процессора (рутера): один — для пе­редачи команд, другой — для передачи данных (или сетевой адаптер);

• жесткие диски и/или другие устройства ввода/вывода.

По своей сути, такие модули представляют собой полнофунк­циональные компьютеры. Доступ к банку ОП из данного модуля имеют только процессоры из этого же модуля. Модули соединяются специальными коммуникационными каналами. Пользователь может определить логический номер процессора, к которому он подклю­чен, и организовать обмен сообщениями с другими процессорами.

Используются два варианта работы операционной системы на ма­шинах МРР-архитектуры.

В первом — полноценная ОС работает только на управляющей машине (front-end), на каждом из остальных работает урезанный ва­риант ОС, обеспечивающий работу только расположенной в нем вет­ви параллельного приложения.

Во втором варианте на каждом моду­ле устанавливается и работает полноценная UNIX-подобная ОС.

Главным преимуществом систем с раздельной памятью является хорошая масштабируемость: в отличие от SMP-систем в машинах с раздельной памятью каждый процессор имеет доступ только к своей локальной памяти, в связи с чем не возникает необходимости в по-тактовой синхронизации процессоров. Практически все рекорды по производительности на сегодняшний день устанавливаются на ма­шинах именно такой архитектуры, состоящих из нескольких тысяч процессоров (ASCI Red, ASCI Blue Pacific).

Недостатки:

• отсутствие общей памяти заметно снижает скорость межпро­цессорного обмена, поскольку нет общей среды для хранения данных, предназначенных для обмена между процессорами. Требуется специальная техника программирования для реали­зации обмена сообщениями между процессорами;

• каждый процессор может использовать только ограниченный объем локального банка памяти.

Системами с раздельной памятью являются суперкомпьютеры МВС-1000, IBM RS/6000 SP, SGI/CRAY ТЗЕ, системы ASCI, Hitachi SR8000, системы Parsytec. Машины последней серии CRAY ТЗЕ от SGI, основанные на базе процессоров Dec Alpha 21164 с пи­ковой производительностью 1200 Мфлопс (CRAY ТЗЕ-1200), спо­собны масштабировать до 2048 процессоров.

6.6 Симметричная мультипроцессорная обработка Symmetric Multiprocessing (SMP)

SMP — архитектура суперкомпьютера, в которой группа процес­соров работает с общей оперативной памятью (рис. 3.15).

Память является способом передачи сообщений между процес­сорами, при этом все вычислительные устройства при обращении к ней имеют равные права и одну и ту же адресацию для всех ячеек памяти.

Работой управляет единственная копия операционной системы. Для ускорения обработки каждый процессор может также иметь собственную кэш-память. Задания между процессами распределя­ются непосредственно при выполнении прикладного процесса.

Достоинст­во этого подхода состоит в том, что каждый процессор видит всю решаемую задачу в целом. Но, поскольку для взаимодействия ис­пользуется лишь одна шина, то возникают повышенные требования к ее пропускной способности. Соединение посредством шины при­меняется при небольшом (4—8) числе процессоров.

Возможность увеличения числа процессоров в SMP ограничена из-за использования общей памяти. Более того, по той же причине все процессоры должны располагаться в одном корпусе.

Преимуществом SMP является то, что она может работать с при­кладными программами, разработанными для однопроцессорных систем. Кроме этого, SMP использует обычные операционные сис­темы. Например, операционную систему OS/2, сетевую операцион­ную систему Windows NT. Корпорация Data General создала для SMP специальную версию операционной системы UNIX.

Наиболее известными SMP-системами являются SMP-серверы и рабочие станции на базе процессоров Intel (IBM, HP, Compaq, Dell, ALR, Unisys, DG, Fujitsu и др.)

Основные преимущества SMP-систем:

• простота и универсальность для программирования. Архитек­тура SMP не накладывает ограничений на модель программи­рования, используемую при создании приложения: обычно используется модель параллельных ветвей, когда все процес­соры работают абсолютно независимо друг от друга; однако можно реализовать и модели, использующие межпроцессор­ный обмен. Использование обшей памяти увеличивает ско­рость такого обмена, пользователь также имеет доступ сразу ко всему объему памяти. Для SMP-систем существуют сравни­тельно эффективные средства автоматического распараллели­вания;

• легкость в Эксплуатации. Как правило, SMP-системы исполь­зуют систему охлаждения, основанную на воздушном конди­ционировании, что облегчает их техническое обслуживание;

• относительно невысокая цена.

Недостатки: системы с общей памятью, построенные на систем­ной шине, плохо масштабируются.