1. Высокопроизводительные вычислительные системы. Цели применения ВВС. Способы повышения производительности ВС. Цели применения ВВС. Проблемы внедрения параллельных ВС. Закон Гроша. Гипотеза Минского. Законы Амдала.

ВВС – это системы, у которых производительность выше, чем текущий уровень других основных систем. Самые высокопроизводительные системы называются – суперкомпютеры.

Цели применения ВВС:

1. Повышение производительности вычислений в единицу времени.

2. Увеличение объема данных обрабатываемых в единицу времени

3. Повышение точности вычислений

4. Повышение надежности вычислений за счет функционального резервирования.

Применение ВВС
Цель применения		Сферы применения
Улучшаемый фактор	Цель улучшения данного фактора	1) наука (научные расчеты, создание имитационных моделей, математическое прогнозирование, экспертные системы. 2) промышленность/оборона (АСУ, системы принятия решений, системы массового обслуживания, системы слежения, БД). 3) образование: имитационных тренажеров 4) информатика: системы поиска и анализа информации, системы управления БД, системы обработки потоков информации.
Увеличение скорости вычислений	- сокращение временных затрат на решение. - создание систем реального времени - повышение оперативности систем управления - повышение точности вычислений
Увеличение объема обрабатываемых данных	- повышение разрядности данных - увеличение масштаба вычислений - повышение точности вычислений
Повышение надежности вычислений	Возможность функционального резервирования. Улучшение качества расчетов за счет детализации и увеличения числа экспериментов.

Направления повышения производительности ВС.

1. Улучшение элементной базы

2. Усовершенствование структуры и алгоритма функционирования аппаратуры ВС.

3. Введение параллелизма и конвейеризации (повышение разрядности устройств, введение

нескольких процессоров, АЛУ, ядер)

4. Устранение «узких мест» в системе (память, каналы связи)

5. Усовершенствование системы управления ВС, в т.ч. ОС.

6. Разработка эффективного ПО.

П роблемы внедрения ПВС (параллельных ВС).

Закон Гроша

Производительность процессора увеличивается пропорционально квадрату его стоимости.

Причины нарушения закона Гроша.

- ограничение скорости распространения электрического сигнала в схеме.

- для решения необходимо сократить путь прохождения сигнала, что приводит к появлению технологических проблем (отвод тепла, размеры)

- для снижения потребляемой мощности понижают напряжение, следовательно, увеличивается влияние помех.

Гипотеза Минского (N-количество процессоров)

Законы Амдала

Производительность многопроцессорных ВС растёт по закону Log2N

- Производительность ВС, состоящей из связанных между собой устройств, в общем случае определяется самым непроизводительным устройством. - Пусть система состоит из S одинаковых простых универсальных устройств. Предположим, что при выполнении параллельной части алгоритма все S устройств загружены полностью. Тогда максимально возможное ускорение равно R=S/(betta*S+(1-betta)), betta=n/N – доля последовательных вычислений. - При любом режиме работы системы ускорение не может превзойти 1/betta. - R= S/(betta*S+(1-betta)+c), c-коэффициент сетевой деградации. С=(L*tc)/(N*t), где L – число операций связи, tc- время выполнения одной операции связи, t – продолжительность каждой операции.

2. Модели программирования систем класса mimd. Стандарт mpi. Операции поддерживаемые и неподдерживаемые в mpi. Содержимое реализации стандарта mpi. Структура mpi-программы.

Модели программирования:

1. SPSD – single program single data

2. MPSD – multiple program single data (unix-программа с общей памятью)

3. SPMD – single program multiple data

4. MPMD – multiple program multiple data

Стандарт MPI.

MPI – Message Passing Interface – интерфейс приема сообщений.

MPI – стандарт на программный инструментарий для обеспечения связей между ветвями параллельной программы. Стандарт MPI определяет синтаксис, семантику библиотечных функций, используемых при написании параллельных программ с передачей сообщений на языках Fortran, C, C++. MPI предоставляет единый механизм взаимодействия ветвей параллельной программы, независимо от машинной архитектуры, расположения ветвей по процессорам и API операционных систем. MPI поддерживает архитектуры: одно- и многопроцессорные. С общей и распределенной памятью. Программы, использующие MPI, легче отлаживаются и быстрее переносятся на другие платформы, в идеале просто перекомпиляцией. Операции, поддерживаемые в MPI:

1.Операции взаимодействия процесс-процесс (двухточечная передача) MPI_Send

2.Коллективные операции. MPI_Bast – пересылка от одного ко всем.

3.Операции над группами процессов (пример операции над группами: создание, пересечение, сравнение и т.д.).

4.Операции над областями связи.

5.Операции над топологиями процессов.

6.Операции с типами данных.

7. Вспомогательная синхронизация и замеры времени.

Комментарий в лекции не было. Топология используется программистом для более удобного обозначения процессов, и таким образом, приближения параллельной программы к структуре математического алгоритма. Кроме того, топология может использоваться системой для оптимизации распределения процессов по физическим процессорам используемого параллельного компьютера при помощи изменения порядка нумерации процессов внутри коммуникатора. В MPI предусмотрены два типа топологий: Операции не поддерживаемые в MPI:

1. Явные операции с разделяемой памятью.

2. Средства конструирования программ.

3. Средства отладки.

4. Операции с большей поддержкой ОС.

5. Функции ввода-вывода на периферию.

Содержимое реализации MPI:

1. Библиотека функций

2. Загрузчик приложений

3. Система обеспечения коммуникаций

Структура MPI программы.

1) #include “mpi.h” //подключение библиотеки MPI

2) Часть программы до инициализации MPI. Здесь нельзя вызывать функции MPI, кроме функции:

Int MPI_Initialize(int *flag) //возвращает код ошибки, в качестве параметра возвращает адрес

Пример:

int a;

MPI_Initialized(&a);

С помощью этой функции процесс проверяет, была ли проведена инициализация MPI или еще нет. Инициализация MPI производиться путем вызова функции:

int MPI_Init(int *argc, char ***argv);

argc – рассылка числа параметров командной строки

argv – рассылка массива параметров

3) Работа с MPI функциями. По окончании вызывается функция

int MPI_Finalize();

Она завершает работу программы с MPI.

4) Часть программы, где работают с функциями MPI вызывать MPI_Finalize() нельзя, но можно

int MPI_Finalized(int *flag);

Она аналогична проверяет была ли выполнена команда MPI_Finalize или нет.