Лекция №1
1. Характеристика проблемы параллельных и распределенных вычислений
1.1. Основные положения
Проблема параллельных и распределенных вычислений возникает в сложных системах управления и обработки больших объемов информации. Для примера рассмотрим рис.1.1, где представлена схема глобальной системы управления распределенной вычислительной сетью нескольких территориальных регионов страны.
Процесс функционирования этой системы состоит в следующем. На основании анализа сложившейся ситуации (природа которой априори считается враждебной человеку – например, космическая угроза) центр управления и принятия решений (ЦУПР) должен выработать оперативные решения по устранению космической угрозы. В распоряжении ЦУПРа находится разветвленная вычислительная сеть, в состав которой входят интеллектуальные вычислительные системы (ИВС), имеющие в своем составе многомашинные интеллектуальные компьютерные комплексы.
Интеллектуальность ИВС определяется наличием в них баз знаний, в которых сосредоточены знания (законы, закономерности, правила, свойства, признаки) об объектах данной предметной области (космосе). Интеллектуальность компьютерных комплексов определяется умением решать интеллектуальные (человеческие) задачи, а также дружественным интеллектуальным интерфейсом, позволяющим осуществлять пользователю диалог с компьютером на естественном языке, близком к человеческому общению (раздел 5.6.2).
Задачей глобальной системы является формирование и реализация цели управления на основе информации, полученной от космических и наземных средств наблюдения. Для реализации этой цели ЦУПР разрабатывает и распределяет между ИВС оперативные задания по выполнению региональных вычислительных задач.
Региональные (удаленные) ИВС решают указанные задачи и передают в ЦУПР результаты расчетов и рекомендации по реагированию на сложившуюся ситуацию. На основании этих результатов и рекомендаций ЦУПР принимает решения по ликвидации космической угрозы. При необходимости ЦУПР может выработать новые скорректированные задания и повторить весь цикл расчетов и получения рекомендаций.
Обработка больших объемов данных, отображающих различные быстропротекающие процессы в реальном масштабе времени (рис.1.1), может быть осуществлена на высокопроизводительных многомашинных вычислительных комплексах в параллельных и распределенных вычислительных системах (ПРВС) (раздел 7). Эти системы состоят из параллельных вычислительных машин (ПВМ) (параллельных компьютеров) (раздел 5), состоящих из множества процессоров и блоков памяти и создаваемых на основе новейших технологических принципов построения современных средств вычислительной техники. Технологические достижения последних лет позволяют создавать мощные ПРВС, которые могут одновременно обрабатывать большой поток разнотипных вычислительных задач.
В связи с большими объемами перерабатываемой информации в сложных ПРВС (рис.1.1) возможным путем решения вычислительных задач является распараллеливание (распределение) потоков информации и вычислительных процессов между вычислительными комплексами (ресурсами) системы. Распараллеливание вычислений в ПРВС может быть организовано на уровнях:
региональных (территориальных) вычислительных систем;
вычислительных комплексов (узлов) отдельного территориального региона;
вычислительных машин отдельного вычислительного комплекса (узла);
отдельных функциональных устройств ПВМ (процессоров, устройств памяти, коммуникационных устройств и др.).
Распараллеливание вычислений может осуществляться путем параллельной организации математического и программного обеспечения ПРВС, в том числе:
метода решения поставленной задачи;
математической модели исследуемого объекта или процесса;
алгоритма решения задачи;
программных средств решения задачи и др.