2. Эволюция и тенденции развития вычислительных систем. Современные вычислительные системы и области их применения.

Персональные компьютеры Появление микропроцессоров в семидесятые годы привело к созданию персональных компьютеров. Первые персональные компьютеры не имели дисплея и жесткого диска и операционная система компьютера загружалась в оперативную память с дискет. Впервые именно в персональных компьютерах была применена концепция открытой архитектуры, которая позволила пользователям добавлять новые компоненты к их компьютерам без замены всего устройства. Современные персональные компьютеры образуют класс чрезвычайно разнообразных компьютеров. Одно из веяний настоящего времени - создание домашнего компьютера. Домашний компьютер должен быть мультимедиа компьютером. Мультимедиа в переводе - ―многие среды‖, это означает, что компьютер может общаться с пользователем при помощи речи, при помощи стерео музыки, компьютер может использоваться для просмотров видео-клипов и видеофильмов, для работы с электронными энциклопедиями и связи по электронной почте с любой точкой земного шара. Современному деловому человеку важно иметь при себе электронный помощник, при помощи которого он мог бы связаться со своими сотрудниками или клиентами, составить деловое письмо, договор, сделать необходимые заметки. Сформировались требования к функциональным возможностям таких устройств. От них требуется выполнение функций телефонного справочника и записной книжки, для этого необходим текстовый редактор с возможностью составить электронную таблицу, в них реализуется возможность выхода в сеть типа Internet, в устройства такого типа встраиваются модемы, диктофоны, реализуется возможность подключения цифровой фотокамеры, они снабжаются инфракрасным портом для удаленной связи. Серверы Для объединения рабочих групп в вычислительные сети и связи с удаленными пользователями необходимы специализированные машины - серверы. Для обслуживания небольших рабочих групп в локальных вычислительных сетях используются серверы, созданные на базе персональных компьютеров. Персональные компьютеры и специальные рабочие станции, предназначенные для работы в различных сетях, имели приблизительно одинаковые показатели и архитектуру в одном поколении, В зависимости от вычислительной мощности сети варьируются параметры серверов. На смену мэйнфреймам в сетях на уровне предприятий пришли компьютеры, получившие название суперсерверов. В архитектуре суперсерверов используется несколько процессоров, высокоскоростная системная шина и несколько более медленных стандартных шин, предназначенных для поддержки большого количества параллельных каналов связи, обеспечивающих работу с удаленными устройствами. Для увеличения производительности серверов применяют методы масштабирования вглубь и вширь. Масштабирование вглубь является эффективным способом повышения скорости работы серверов за счет увеличения количества устанавливаемых в компьютере процессоров и увеличения пропускной способности шины, В архитектуре суперсерверов используется несколько процессоров, высокоскоростная системная шина и несколько более медленных стандартных шин, предназначенных для работы с устройствами ввода/вывода. При масштабировании вширь производительность увеличивается за счет сетевого соединения нескольких серверов. Системы с массовым параллелизмом (МРР) и слабосвязанные системы, называемые часто архитектурами без разделяемых ресурсов, представляют собой быстрые сети, связывающие однопроцессорные или симметричные многопроцессорные системы -узлы. Суперсерверы строятся, зачастую, как кластерные системы. Кластер можно определить как систему из нескольких компьютеров, совместно работающих над одной общей прикладной задачей. Кластеры изначально ориентированы на многозадачное использование. Суперкомпьютеры К классу суперкомпьютеров относят компьютеры, которые имеют максимальную на время их выпуска производительность. Первые суперкомпьютеры появились уже среди компьютеров второго поколения (1955 - 1964), они были предназначены для решения сложных задач, требовавших высокой скорости вычислений. Это LARC фирмы UNIVAC, Stretch фирмы IBM и "CDC-6600" (семейство CYBER) фирмы Control Data Corporation, в них были применены:

методы параллельной обработки (увеличивающие число операций, выполняемых в единицу времени),

конвейеризация команд (когда во время выполнения одной команды вторая считывается из памяти и готовится к выполнению) .

параллельная обработка при помощи процессора сложной структуры, состоящего из матрицы процессоров обработки данных и специального управляющего процессора, который распределяет задачи и управляет потоком данных в системе.

Компьютеры, выполняющие параллельно несколько программ при помощи нескольких микропроцессоров, получили название мультипроцессорных систем. Отличительной особенностью суперкомпьютеров являются векторные процессоры, оснащенные аппаратурой для параллельного выполнения операций с многомерными цифровыми объектами — векторами и матрицами. В них встроены векторные регистры и параллельный конвейерный механизм обработки. Если на обычном процессоре программист выполняет операции над каждым компонентом вектора по очереди, то на векторном — выдаѐт сразу векторные команды Компьютеры фирмы Cray Research стали классикой в области векторно-конвейерных суперкомпьютеров. Компьютер Cray-1, работа над которым была закончена в 1976 году от носится к классу первых сверхвысокопроизводительных векторных компьютеров. К этому классу относятся также машины Иллиак-IV, STAR-100, ASC. Производительность Cray-1 составляла 166 Мфлоп/сек. Компьютер был собран на интегральных схемах. Выполнял 128 инструкций. Суперкомпьютеры, дальнейшее развитие Становится все более очевидным, что классические суперкомпьютеры достигли максимума производительности. Использование глубокосубмикронных полупроводниковых технологий позволит увеличить тактовую частоту не более чем до 1-2 ГигаГерц. Так же очевидно, что путь к петафлопному суперкомпьютеру лежит через массированное распараллеливание вычислений. Перечислим общие тенденции развития архитектур суперкомпьютеров:

Неизбежен закат векторно-конвейерной архитектуры суперкомпьютеров. Крупнейшие производители таких систем в США уже свернули их производство.

Системы массового параллелизма (МРР) выходят на первые позиции, в том числе по производительности. МРР-системы создаются на базе высокопроизводительных стандартных микропроцессоров.

Широкое применение находят системы с физически распределенной, но разделяемой логически оперативной памятью (одна из таких архитектур сс- NUMA).

Развитие архитектур суперкомпьютеров показало, что путь от симметричных многопроцессорных систем (SMP) с общей шиной, разделяющих общую память и другие ресурсы, к системам массового параллелизма (МРР - системам) путем кластеризации SMP систем - оказался мало эффективным. Поэтому в "SMP-частях" современных систем массового параллелизма (как и в самих SMP-компьютерах) .

Наблюдается общая ориентация на применение стандартных шин ввода- вывода, ориентация на применение периферийных устройств современных индустриальных стандартов. Одним из наиболее успешных шагов в этом направлении стало создание в 1994 году в Калифорнийском Технологическом Институте (CalTech,США) распределѐнного вычислительного комплекса "Беовульф", состоящего из кластеров, соединенных высокоскоростной специализированной сетью и оснащенных операционной системой Линукс. Проект Beowulf начался со сборки 16-процессорного кластера. На каждый узел выделялось 3 сетевых адаптера и 3 "параллельных" Ethernet-кабеля по 10Mbit. Кластер создавался как вычислительный ресурс проекта Earth and Space Sciences Project (ESS). При всей своей привлекательности, у "Беовульфа" есть один серьезный недостаток. Оценки, основанные на анализе энерговыделения современных персональных компьютеров и рабочих станций, показывают, что суперкомпьютер с производительностью 1 петафлоп (1015) собранный на основе БИС микропроцесоров, будет потреблять мощность в 10 мегаватт. Учитывая, что для уменьшения времени распространения сигналов между процессорами и оперативной памятью суперкомпьютер должен быть плотно упакован в несколько кубометров пространства, легко предсказать, что через несколько минут работы он просто расплавится. Жидкостная система охлаждения могла бы обеспечить теплоотвод, однако ее геометрические размеры приводят к существенному увеличению задержек и увеличению количества параллельных процессов, необходимых для компенсации этих задержек. Это, в свою очередь, увеличивает мощность, потребляемую микропроцессорами и суперкомпьютером в целом. Это ставит крест на возможности создания на такой основе петафлопного суперкомпьютера.