2. Структуры вычислительных систем

Понятие «вычислительная система» предполагает наличие множества процессоров или законченных вычислительных машин, при объединении которых используется один из подходов.

Рис. 1.9. Структура вычислительно системы с общей памятью

В вычислительных системах с общей памятью (рис.1.9) имеется общая основная память, совместно используемая всеми процессорами системы. Связь процессоров с памятью обеспечивается с помощью коммуникационной сети, чаще всего вырождающейся в общую шину. Достоинством данной схемы является возможность обмена информацией между процессорами без дополнительных операций, что обеспечивается за счёт доступа к общим областям памяти. Данная структура применяется в многопроцессорных системах и не используется в многомашинных системах.

Локальная память

Локальная память

Локальная память

…

Процессор

Процессор

Процессор

Коммуникационная сеть

Рис.1.10. Структура распределённой вычислительной системы.

Альтернативный вариант организации – распределённая система (многомашинная ВС), где общая память вообще отсутствует, а каждый процессор обладает собственной локальной памятью (рис. 1.10). Часто такие системы объединяют отдельные ВМ. Обмен информацией между составляющими системы обеспечивается с обмена сообщениями через коммуникационную сеть. Подобная вычислительная система является эффективной только при решении задач, имеющих очень специальную структуру: она должна разбиваться на столько слабо связанных подзадач, сколько компьютеров в системе. Подобное построение ВС снимает ограничения, свойственные общей шины, но приводит к дополнительным издержкам на пересылку сообщений между процессорами и машинами.

Рис. 1.11. Архитектура с параллельными процессорами

Архитектура с параллельными процессорами (рис.1.11). Здесь несколько АЛУ работают под управлением одного УУ. Это означает, что множество данных может обрабатываться по одной программе, то есть по одному потоку команд. Высокое быстродействие такой архитектуры можно получить только на задачах, в которых одинаковые вычислительные операции выполняются одновременно на различных однотипных наборах данных.

7. Перспективы совершенствования архитектуры вм и вс

Процесс совершенствования архитектуры вычислительных машин и систем начался с момента появления первых ВМ и никогда не прекращался. Каждое изменение в архитектуре направлено на повышение производительности или, хотя бы, на повышение эффективности решения определённого класса задач. Наибольшие успехи в области средств вычислительной техники в первую очередь связаны с технологическими достижениями. Именно технологические достижения дают не только возможность реализации идей, но и стимулирует появление новых идей.

1. Технологические и экономические аспекты

Компьютерная промышленность двигается вперёд как никакая другая. Главная движущая сила – способность производителей с каждым годом помещать все больше и больше транзисторов на микросхему. Чем больше транзисторов (крошечных электронных переключателей), тем больше объем памяти и мощнее процессоры.

Степень технологического прогресса можно увидеть, используя закон Мура, названного в честь одного из основателей и главы компании Intel Гордона Мура, который открыл его в 1965 году на основании эмпирических наблюдений. При подготовке Муром доклада промышленной группе он заметил, что каждое новое поколение микросхем появляется через три года после предыдущего. Ввиду того, что у каждого нового поколения компьютеров было в 4 раза больше памяти, чем у предыдущего, то число транзисторов на микросхеме возрастает на постоянную величину и, следовательно, этот рост можно предсказывать на годы вперед. Закон Мура утверждает, что число транзисторов на одной микросхеме удваивается каждые 18 месяцев, иными словами, увеличивается на 60% каждый год. Размер микросхем и даты их производства, приведенные на рис.1.12, подтверждают, что закон Мура до сих пор действует.

10⁹

10⁸

10⁷

10⁶

10⁵

10⁴

10³

16М

64М

1МКК

4МКК

64ККК

4ККК

256ККК

16ККК

1ККК

1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000

Рис. 1.12. Закон Мура для количества транзисторов на одной микросхеме памяти (размер памяти в битах)

Многие специалисты считают, что закон Мура будет действовать приблизительно до 2020 год, до возможно нового прорыва в технологии производства транзисторов. Вероятно, транзисторы скоро будут состоять всего лишь из нескольких атомов, либо достижения квантовой компьютерной техники позволят использовать для размещения 1 бита спин электрона.

Закон Мура связан с так называемым эффективным циклом. Достижения в компьютерных технологиях (увеличение количества транзисторов на одной микросхеме) проводят к улучшению качества продукции и снижению цен. Низкие цены ведут к появлению новых прикладных программ (при стоимости компьютера в $10 млн. компьютерных игр не могло быть). Новые прикладные программы приводят к возникновению новых компьютерных рынков и новых компаний. Среди компаний возникает конкуренция, которая создает экономический спрос на лучшие технологии. Круг замыкается.

Увеличение производительности компьютеров, величины доступной памяти толкает программистов на совершенствование программного обеспечения (появляются новые опции, возможности). По мнению Натана Мирвольда, главного администратора Microsoft, «программное обеспечение – это газ. Оно распространяется и полностью заполняет резервуар, в котором находится». В 80-е годы обработка текстов осуществлялась программой в несколько десятков килобайт. Современные электронные редакторы занимают десятки мегабайт, а в будущем - десятки гигабайт. Программное обеспечение продолжает развиваться и создает постоянный спрос на процессоры, работающие с более высокой скоростью на больший объем памяти, на большую производительность устройств ввода- вывода.

Крупные достижения наблюдаются также и в сфере телекоммуникаций и создания сетей. За последние два десятилетия скорость передачи информации с использованием модема увеличилась с 300 бит/с до 56 Кбит/с, в оптико-волоконных сетях скорость превышает 1 Гбит/ с. Сети Интернета колоссальны.