3 Архитектура вычислительных систем Типы вычислительных систем и их особенности
Вычислительная система (ВС) – это система взаимосвязанных ЭВМ или процессоров, характерная особенность которой - параллельная обработка информации. Целями создания ВС является повышение производительности и надежности.
Рассмотрим примеры конкретных архитектур вычислительных систем:
асимметричная многопроцессорная обработка;
массивно-параллельная архитектура;
симметричная многопроцессорная система;
гибридная система с неоднородным доступом к памяти;
параллельная архитектура с векторными процессорами;
кластерная архитектура.
Асимметричная многопроцессорная обработка (ASMP).
Это архитектура суперкомпьютера, в которой каждый процессор имеет свою оперативную память. В этой обработке используются 3 схемы, показанные на рис.3.1.
В любом случае процессоры взаимодействую между собой, как бы образуя сеть. Передача сообщений может осуществляться через общую шину (рис.а), либо благодаря межпроцессорным связям, причем процессоры могут быть связаны либо непосредственно (рис.б), либо через друг друга (рис.в). Непосредственные связи используются при небольшом числе процессоров.
Каждый процессор имеет свою, расположенную рядом с ним, оперативную память, благодаря чему процессоры могут располагаться в различных корпусах. Совокупность устройств в одном корпусе называется кластером. Пользователь, обращаясь к кластеру, может работать сразу с группой процессоров. Такое объединение увеличивает скорость обработки данных и расширяет используемую оперативную память. Кластеры могут осуществлять резервное дублирование данных. Созданная таким образом система называется кластерной. В ней может функционировать несколько копий операционных систем и несколько копий прикладных программ, которые работают с одной и той же базой данных, решая одновременно разные задачи.
Если передача осуществляется через общую шину (рис.а), то обработка называется массивно-параллельной архитектурой (МРР). В этом случае система строится из отдельных модулей, каждый из которых содержит : 1) процессор, 2) локальный банк оперативной памяти, 3) два коммуникационных процессора (рутера), один для передачи команд, другой для передачи данных, 4) жесткие диски или другие устройства ввода-вывода. По своей сути, такие модули представляют собой полнофункциональные компьютеры. Доступ к банку данных из данного модуля имеют только процессоры того же модуля. Модули соединяются специальными каналами. Пользователь может определить логический номер процессора, к которому он подключен, и организовать обмен сообщениями с другими компьютерами. Операционная система может функционировать в двух вариантах: 1) полноценная ОС только на управляющей машине, на остальных – урезанный вариант ОС, 2) на каждом модуле – полноценный вариант ОС.
Главное преимущество систем с раздельной памятью – не надо синхронизировать работу процессоров в системе, т.к. каждый процессор имеет свою память.
Недостатки:
отсутствие общей памяти снижает скорость межпроцессорного обмена
требуется специальная техника программирования;
каждый процессор может использовать только ограниченный объем локального банка памяти.
Таким образом, подведя итоги, можно сказать, что основным отличием асимметричной обработки и ее разновидности, массивно-параллельной архитектуры, является наличие раздельной памяти у каждого процессора, а виды ее архитектур отличаются способами связей. Возникает вопрос, к какому классу архитектур ВС относится асимметричная обработка. (МКМД)
К системам с раздельной памятью относятся суперкомпьютеры серии GRAY, которые способны объединять до 2048 процессоров.
Симметричная мультипроцессорная обработка SMP. Это архитектура суперкомпьютеров, в которой группа процессоров работает с общей памятью. Мы уже рассматривали виды этой обработки, применительно к проектам Гидра и Ниагара. Память здесь является способом передачи сообщений между процессорами, при этом все устройства при обращении к памяти имеют равные права и одну и туже адресацию. Работой управляет единственная копия операционной системы. Для ускорения обработки каждый процессор может иметь собственную кэш-память. Достоинство такой обработки состоит в том, что каждый процессор видит всю решаемую задачу в целом. Но взаимодействие происходит только по одной шине, поэтому соединение посредством шины применяется при 4 – 8 процессорах.
Возможность увеличения числа процессоров в SMP ограничена из-за использования общей памяти, по этой же причине все процессоры должны располагаться в одном корпусе. Достоинство этой обработки в том, что она может работать с прикладными программами, разработанными для однопроцессорных систем, и с обычными операционными системами. (UNIX, Windows NT).
Эта обработка также относится к архитектуре МКМД. Наиболее известными системами этого типа являются SMP-серверы и рабочие станции на базе процессоров Intel (IBM, HP, Compad, Dell, Unisys) .
Основные преимущества: простота и универсальность для программирования и легкость в эксплуатации.
Недостатки заключаются в том, что системы с обще памятью, построенные на системной шине, плохо и трудно синхронизируются и ВС начинают мешать друг другу. Кроме того системная шина ограничивает применение таких систем 32 процессорами.
Гибридная архитектура. Для построения синхронизируемых систем на базе SMP используется гибридная архитектура NUMA, главная особенность которой – неоднородный доступ к памяти. Суть ее заключается в методе организации памяти. Память является физически распределенной по различным частям системы, но логически память разделена и пользователь видит единое адресное пространство. Система состоит из однородных базовых модулей (плат), состоящих из небольшого числа процессоров и блока памяти. Модули объединены с помощью высокоскоростного коммутатора. Поддерживается единое адресное пространство, аппаратно поддерживается доступ к памяти других модулей. Эта архитектура также относится к системам МКМД. Пример такой системы приведен на рис.3.2.
Рис.3.2. Гибридная архитектура
Четыре процессора связываются между собой в рамках одного SMP узла. Узлы связаны сетью типа «бабочка». Известны также гибридные архитектуры с коммутатором, когда каждый процессор работает со своей памятью, но модули связаны друг с другом с помощью коммутатора. Коммутаторы могут включаться также между группами процессоров. В настоящий момент максимальное число процессоров в этой системе достигает 1000. Обычно система работает под управлением единой операционной системы.
Параллельная архитектура с векторными процессорами (PVP).
Векторный процессор относится к архитектуре ОКМД, когда по одной программе обрабатываются несколько потоков данных, которые обрабатываются на конвейерных функциональных устройствах. Как правило несколько таких процессоров (от 1 до 16) работают одновременно с общей памятью в рамках многопроцессорных систем. Объединенная коммутатором система векторных процессоров, представляет собой параллельную архитектуру (PVP) и относится к МКМД. Передача данных в таком формате намного быстрее, чем в скалярном (на два порядка выше, 64 Гбайт/сек). Поэтому потоки в таких системах хорошо распараллеливаются (за счет скорости). Таким образом, PVP системы могут являться обычными ЭВМ, объединенными в систему, однако они дороги. Сама архитектура, по которой объединяются векторные процессоры может быть различной, (SMP или NUMA), а пиковая производительность может достигать десятки терафлопс (10 в 12 степени=1Тфл).
Рассматривая архитектуру ЭВМ и вычислительных систем, можно представить обобщенную структуру системы, в которой присутствуют два 1) компонента: процессоры и блоки памяти и 2) средства коммутации. Эти компоненты присутствуют и в ЭВМ и в ВС. Требования к этим компонентам определяют требования к ВС. Чтобы построить ВС, разработчик должен рассмотреть следующие вопросы:
надежность;
масштабируемость (возможность наращивания системы);
совместимость программного обеспечения;
отношение стоимость/производительность.
Добиться дополнительного повышения производительности многопроцессорной ВС труднее, чем нарастить процессоры внутри одного узла . В основном, очень трудно организовать межузловые связи. Масштабируемость, т.е. наращиваемость числа и мощности процессоров, объемов оперативной памяти и других вычислительных ресурсов должна обеспечиваться архитектурой и конструкцией ЭВМ, а также средствами программного обеспечения. Она зависит не только от аппаратных средств, но и от свойств программного обеспечения. Кроме того, должна решаться проблема совместимости программного обеспечения. Поэтому система должна быть открытой, т.е. представлять совокупность стандартов на различные части ВС, которые позволяли бы наращивать систему с мобильным программным обеспечением (возможность запускать одни и те же программные средства на различных аппаратных платформах).