2.Характеристики современных компьютерных систем

История развития средств вычислительной техники показывает, что именно супер-ЭВМ является полигоном для проверки новых идей и инженерно-технических решений, которые в последующем поколе­нии переносятся на мини-микро-ЭВМ и в конечном итоге - на кри­сталл БИС, определяя общие направления развития средств вычисли­тельной техники в целом.

В настоящее время практически весь задел в области архитек­турно-структурной организаций супер-ЭВМ предыдущего поколения уже полностью перенесен на современные микропроцессоры. На ос­нове этих микропроцессоров строятся новые системы и комплексы, которые, в свою очередь, накапливают новые решения, диктуемые не только требованиями со стороны пользователей и все возрастающей сложностью задач, но и развитием элементной базы, при этом не ис­ключаются новые технологические подходы к созданию элементной базы на новых физических принципах и явлениях. В дальнейшем эта новая элементная база сконцентрирует в себе совокупность новых решений современных супер-ЭВМ и т. д. Поэтому мы считаем целе­сообразным обратиться к особенностям и оригинальным решениям в области архитектурно-структурной организации именно супер-ЭВМ.

Имеется большое количество научно-исследовательских и при­кладных задач (проектирование сложных космических систем, моде­лирование ядерных взрывов и криптография, гидродинамика и астро­физика, биомолекулярные исследования и др.), требующих петафлопсной производительности компьютеров.

Но даже с учетом бурного развития полупроводниковой техно­логии и архитектур с массовым параллелизмом вряд ли удастся при­близиться к вычислениям петафлопсного диапазона так быстро, как хотелось бы.

По экономическим соображениям первые терафлопсные суперком­пьютеры проектировались на серийно выпускаемых комплектующих

(в рамках программы ASCI Министерства энергетики США), исполь­зуя, например, процессоры типа Pentium или Alpha, модули памяти типа DRAM и SRAM, RAID-массивы для внешних накопителей и т.д.

Однако все эти компоненты развиваются весьма неравномерно. Так, если скорость работы центральных процессоров (ЦП) растет очень быстро, примерно на 60% в год, то скорость работы памяти ти­па DRAM возрастает за год лишь на 7% [1], а это означает, что тран­зисторы ЦПУ большую часть времени работают вхолостую (так назы­ваемая проблема латентности памяти). Еще хуже дело обстоит с ком­муникационной средой, соединяющей ЦПУ между собой, и с задерж­ками, обусловленными операционной системой. Поэтому даже самые быстрые из общедоступных машин пока не подошли к скоростям петафлопсного диапазона.

Иное дело обстоит при попытке создания крупных компьютер­ных систем, содержащих тысячи и десятки тысяч процессоров. Одна­ко они обладают огромными габаритами и стоимостью, да и их экс­плуатация требует решения многочисленных проблем, связанных с обеспечением надежности, сложностью программирования и т.д. В Приложении В приведены параметры первых десяти лучших супер­компьютерных систем, заимствованных из таблицы ТОР500 по дан­ным на ноябрь 2004г., а также по другим КС, которые в настоящее время используются для решения различных пользовательских задач.

Что касается стоимости систем различного назначения, то мож­но отметить следующее [3]:

- стоимость систем (ф. SunMicrosystems) масштаба предприятия, используемых в многозадачном режиме, превышает 1 млн. долл.;

- стоимость машины (ф.Hewlett-Packard) в классе машин для департаментов составляет от 250 тыс. до одного миллиона долларов;

- стоимость компьютеров, используемых в небольших подразде­лениях, например в исследовательских отделах, составляет не менее 250 тыс. долл.

Указанные выше и ряд других факторов явились "толчком" для разработки концепции принципиально новой гибридно-технологической многопоточной архитектуры (HybridTechnologyMultiThreaded- HTMT).

В основе этой концепции лежит модель многопоточной обра­ботки (multithreading, расщепление параллельных процессов на более мелкие независимые фрагменты), сочетающаяся с комплексным («гибридным») использованием передовых компьютерных техноло­гий, таких как: криогенные системы сверхпроводниковой быстрой одноквантовой логики ("rapidsinglefluxquantumlogic"- RSFQ), высоко­скоростные полупроводниковые СБИС типа «процессор в памяти»(Processor-In-Memory - РГМ), оптические межсоединения и голографические технологии хранения информации [1] и др..

Вычислительное ядро системы, построенной согласно этой кон­цепции, содержит несколько тысяч ниобиевых сверхпроводниковых процессоров, работающих на основе RSFQ-логики. При этом едини­цей представления информации являются одиночные кванты магнит­ного потока, которые перемещаются от вентиля к вентилю микроскопи­ческими токами, наводимыми такими же квантами в управляющих кон­турах. Сверхпроводниковая логика дает возможность не только в сотни раз повысить скорость, но и примерно в тех же пропорциях снизить энергопотребление по сравнению с традиционными процессорами.

В декабре 1999 года ШМ объявила о запуске собственного петафлопсного проекта под названием BlueGene, который предполагали построить в течение пяти лет под конкретную задачу - исследование процесса сворачивания белков.

При реализации этого проекта разработчиками была предложена новая концепция архитектурно-структурной организации под назва­нием SMASH (simple, many, self-healing: "простая, множественная и самоисцеляющаяся" архитектура). В отличие от НТМТ проект BlueGene использует технологию кремниевых чипов, с параметрами БИС, которые примерно на поколение опережает параметры БИС совре­менных процессоров массового производства.

С конструктивно-технологической точки зрения предлагается использовать также ряд новых решений. Так, предполагается размес­тить 32 гигафлопсных процессора вместе с DRAM-памятью на одной микросхеме, которая обеспечит производительность до 32 миллиар­дов операций в секунду. При этом 64 таких чипа размещаются на системной плате размером 60x60 см. Таким образом, вычислительная мощность каждой платы составляет 2 терафлопса. Восемь таких плат монтируются в стойку высотой около 1,8 м. Для сбора петафлопсной машины требуется 64 таких шкафа (Сравним - в настоящее время су­перкомпьютеры подобной производительности занимают огромные машинные залы.)[1].