Аверянов Современная информатика 2011

ностью более 136 TFlops использовались многие элементы кластерной архитектуры.

Сфера применения кластерных систем сейчас нисколько не меньше, чем суперкомпьютеров с другой архитектурой. Суперкомпьютерное моделирование может во много раз удешевить и ускорить выход на рынок новых продуктов, а также улучшить их качество. Так, вместо того, чтобы создавать дорогостоящие тестовые модели новых автомобилей и проводить натурные испытания для исследования их безопасности (разбивать их о стенку), можно быстрее и точнее все посчитать на компьютерных моделях. Благодаря этому многим западным автомобильным концернам удалось сократить срок разработки новых моделей автомобиля в пять раз, с десяти до двух лет.

Компьютерная обработка геофизических данных позволяет создавать высокодетализированные модели нефтяных и газовых месторождений, обеспечивая более эффективную, безопасную и дешевую разработку скважин. В табл. 2.2 и 2.3 представлены сравнительные данные по различным областям использования суперкомпьютеров и сравнительные данные их производительности в этих областях.

Несколько слов об архитектуре суперкомпьютеров на базе кластерных систем, как наиболее перспективном направлении развития подобного вида компьютеров. Как уже указывалось, кластер состоит из вычислительных узлов на базе стандартных процессоров. Большинство таких систем высшего уровня (Тор 500) выпол-

нены на процессорах Intel (Xeon, Xeon EM64, Itanium 2). Часто ис-

пользуются процессоры POWER 2 и POWER 2 PC компании IBM. Одно время популярностью пользовались процессоры АМD (Operton и его многоядерные версии).

Каждый узел работает под управлением своей копии операционной системы, в большинстве случаев – Linux. Состав и мощность узлов могут быть разными в рамках одного кластера, однако чаще они строятся из однородных компонентов.

101

102

Кластер – сложный программно-аппаратный комплекс, и задача построения кластера не ограничивается объединением большого количества процессоров в один сегмент. Использование тех или иных компонентов и выбор конкретной коммуникационной среды зависит от многих факторов и, прежде всего, от типа задач, для которых строится кластер. Для некоторых хорошо распараллеливаемых задач (таких, как компоновка независимых сюжетов в видеофрагменте) главный фактор быстродействия – мощный процессор, а производительность коммуникационной среды не играет основной роли. В то же время для задач расчета сплошных сред (гидро-, газо-, аэро-, электродинамики и т.п.) важна производительность системной коммуникационной среды, иначе увеличение числа узлов в кластере будет мало влиять на скорость решения задачи.

Хотя конкретная архитектура кластера определяется архитектурой решаемой задачи, с самых общих позиций структура любого кластера включает в себя следующие взаимосвязанные элементы, показанные на рис. 2.16.

Рис. 2.16. Схема кластерной конфигурации

103

Системная сеть, или высокоскоростная коммуникационная среда, выполняет задачу обеспечения эффективности вычислений. Для задач, не требующих интенсивных обменов данными, наиболее доступный тип коммуникационной среды – это Gigabit Ethernet. Для задач, требующих высокие скорости обменов, применяются специализированные коммуникационные устройства, более чем в два раза превышающие пропускную способность Gigabit Ethernet. Правда, стоимость их значительно выше.

Задача эффективного доступа узлов к данным решается с помощью вспомогательной сети (как правило, Gigabit Ethernet). Сервисная сеть отвечает за распределение задач между узлами кластера, а также за управление узлами (без участия операционной системы).

Конкретная архитектура кластеров определяется областью их применения. Можно выделить четыре типа кластерных систем:

вычислительные кластеры; кластеры баз данных; отказоустойчивые кластеры; кластеры для распределения загрузки.

Первые два типа кластерных систем не требуют пояснений, за исключением, может быть, того, что вычислительные кластеры – наиболее многочисленный вид кластеров и их разновидности определяются областями их применения, указанными в табл. 2.2 и 2.3.

Отказоустойчивые кластеры строят для того, чтобы наилучшим образом обеспечить надежность работы критически важных применений. Работа приложения дублируется на разных узлах, и в случае ошибки на одном из них приложение продолжает работать или автоматически загружается на другом.

Кластеры распределения загрузки используются для распределения большого потока запросов по многим серверам. Такие решения часто применяются для поддержки Web-узлов с динамическим содержимым, постоянно обращающихся к базам данных, например поисковых систем. В зависимости от размера сервиса кластеры распределения загрузки могут иметь достаточно большое количество узлов.

В заключении этого обсуждения компьютеров высшей производительности необходимо кратко остановиться на вопросе, который имеет к этим машинам непосредственное отношение. Очень пер-

104

спективным способом организации использования суперкомпьютеров является разработанный в рамках Европейского Союза так называемый Data Grid Project, нацеленный на создание сети европейских суперкомпьютеров Data Grid Intranet.

Грид (GRID) – перспективное направление развития информационных технологий (ИТ). Хотя оно не нашло воплощения в индустриальных стандартах (2005 г.), все страны – лидеры ИТ рынка имеют государственные программы разработки грид-технологий.

Термин «грид» применяется по аналогии с понятием «Power grid» – система, интегрирующая мощности электрических сетей в единое «хранилище» энергии, откуда она перераспределяется вне зависимости от ее источника. Внедрение таких технологий в сфере высокопроизводительных вычислений позволит кардинально упростить доступ к вычислительным ресурсам и сделать их использование на порядок более эффективным. Помимо интеграции вычислительных ресурсов грид-технологии позволят интегрировать разнородные емкости хранения информации и базы данных для создания глобального информационного пространства. Основные цели этого проекта следующие:

интеграция вычислительных мощностей – интеграция разнородных вычислительных систем в единое пространство с динамическим распределением ресурсов между приложениями;

интеграция источников данных, например интеграция в единую виртуальную базу разнородных баз данных, распределенных территориально и реализованных на разных аппаратных платформах.

Этот проект в Европе ориентирован на три основные приложения:

физика высоких энергий в рамках Международного центра ядерных исследований (CERN – Швейцария), где требуются колоссальные вычислительные мощности как для управления крупнейшими в мире ускорительными комплексами, так и особенно для обработки результатов физических экспериментов;

биология и медицина (в рамках организации CNRS – Франция); мониторинг окружающей среды (в рамках Европейского агент-

ства ESA – Италия).

Также следует отметить, что постоянно растущие потребности во всебольшей производительности компьютеров ставят вопрос о

105

предельных возможностях традиционной архитектуры фон Неймана на базе кремниевой твердотельной электрике.

Появляется ряд чисто теоретических разработок архитектур, определяющих дальнейшее развитие компьютерных технологий, – это квантовый компьютинг, молекулярный компьютинг, нейронный компьютинг, компьютер на основе ДНК-логики и т.п. Учитывая, как давно ведутся разговоры о нейрокомпьютинге, при отсутствии реальных результатов внедрения его в практическое использование трудно ожидать от всех перечисленных предложений прорывных результатов в ближайшем будущем.

Мейнфрейм – синоним понятия «большой универсальный компьютер». Мейнфреймы и до сегодняшнего дня остаются наиболее мощными (не считая суперкомпьютеров) вычислительными системами общего назначения, обеспечивающими непрерывный круглосуточный режим эксплуатации. Они могут содержать один или несколько процессоров, каждый из которых, в свою очередь, может оснащаться векторными сопроцессорами (ускорителями операций с суперкомпьютерной производительностью). Прогресс в области элементно-конструкторской базы позволил существенно сократить габариты основных устройств. Наряду со сверхмощными мейнфреймами, требующими организации двухконтурной водяной системы охлаждения, имеются менее мощные модели, для охлаждения которых достаточно принудительной воздушной вентиляции. Эти модели построены по блочно-модульному принципу и не требуют специальных помещений и кондиционеров.

Основными поставщиками мейнфреймов являлись известные компьютерные компании Amdahl, ICL, SIEMENS NIXDORF и не-

которые другие, но ведущая роль всегда принадлежала, безусловно, компании IBM. Именно проект по созданию новой архитектуры компьютеров – мейнфреймов, реализованный IBM в первой половине 1960 г., определил одно из основных направлений развития компьютерной индустрии на долгие годы. Этот проект был нацелен на создание стандартизованной, хорошо масштабируемой, высоконадежной архитектуры компьютеров универсального назначения. 4 апреля 1964 г. появилось семейство вычислительных машин IBM-System/360, первоначально включающее в себя восемь моделей: нижнего (1), среднего (3) и высшего (4) уровня.

106

Большие универсальные компьютеры IBM 360 были первыми в мире системами, предназначенными как для коммерческих, так и для научных целей. Эта серия дополнялась в процессе развития еще шестью моделями как среднего, так и высшего (научного) уровня. Модели строились на базе стандартных аппаратурных и программных продуктов и были совместимы сверху вниз, имея единую систему команд.

Вначале 1970-х годов IВМ выпустила на рынок новое поколение машин, получивших название System 370, совместимых с системой IBM 360, но использовавших усовершенствованные процессоры, оперативную и внешнюю память. Это позволило расширить их возможности по поддержке одновременно работающих пользователей и более ресурсоемких и динамических приложений. Основные новации IBM 370 – возможность использования нескольких процессоров в рамках одной системы, полноценная поддержка виртуальной памяти и новый 128-разрядный блок вещественной арифметики. Всего было выпущено около 17 моделей разного уровня. Эти компьютеры использовали специализированные опе-

рационный системы: OS/360, OS/370, MVS (Multiple Virtual Storage) и ее вариации.

Новое поколение мейнфреймов System 390 появилось в начале 1990 г., но сохранило совместимость с предыдущими моделями. В процессе создания IBM 390 произошло обновление всей электронной базы – МП, ОП и ВЗУ на несколько поколений. В период с 1990 по 1999 г. было выпущено множество разнообразных систем под названием IBM S/390 Enterprise Server или ESA/390 (ESA – Enterprise System Architecture). Старшие две модели системы с названием «Summit» имели водяное охлаждение, младшие – воздушное.

В2000 г. название «System 390» было заменено на «IBM e Server z Series». В октябре был представлен самый мощный на тот период компьютер массового коммерческого применения – z Series

900.Тогда же появилась новая 64-разрядная ОС – z/OS. В 2002 г. было представлено семейство z Series 800 для задач среднего уров-

ня, 2003 г. был отмечен появлением новой модели z Series – e Server z Series 990, в 2004 г. появилась новая система среднего уровня z Series 890.

В середине 2005 г. семейство мейнфреймов пережило очередное переименование. С этого времени все системы этого класса обо-

107

значают System z9. Одновременно с этим объявлено о создании новой модели – 109. Эти модели отвечают современным жестким требованиям корпоративных систем по доступности и надежности. Возможность непрерывного профилактического обслуживания (без прерывания работы комплекса) вносит весомый вклад в то, что среднее время наработки на отказ системы z Series исчисляется десятилетиями, а предложенная IBM-система комплексирования – Parallel Sysplex (традиционные кластеры), характеризуется повышенной живучестью комплекса: его надежность сейчас 99,999 %, т.е. среднее время неработоспособности системы за год составляет не более 5 мин.

По мере того, как конфедициальность становится одним из главных требований бизнеса, поддержка SSL-транзакций (защищенные сетевые протоколы) превращается в определяющий фактор при выборе сервера. IBM z Series может работать с восемнадцатью криптографическими сопроцессорами, которые могут обрабатывать несколько тысяч защищенных транзакций в секунду без снижения скорости обработки.

В архитектурном плане мейнфреймы представляют собой многопроцессорные системы с одним или несколькими центральными и периферийными процессорами с общей памятью, связанными между собой высокоскоростными магистралями передачи данных, что оказалось неприемлемым для суперкомпьютеров из-за большого количества процессоров. При этом основная вычислительная нагрузка приходится на центральные процессоры, а периферийные процессоры (в терминологии IВМ – селекторные, блок-мульти- плексные, мультиплексные каналы и процессоры телеобработки) обеспечивают работу с широкой номенклатурой периферийных устройств.

Первоначально мейнфреймы были ориентированы на централизованную модель вычислений, работали под управлением патентованных операционных систем и имели ограниченные возможности для объединения в единую систему оборудования различных фирмпоставщиков. Однако повышенный интерес потребителей к открытым системам, построенным на базе международных стандартов и позволяющим достаточно эффективно использовать все преимущества такого подхода, заставил поставщиков мейнфреймов существенно расширить возможности операционных систем в направле-

108

нии совместимости. В настоящее время они демонстрируют свою «открытость», обеспечивая возможность использования протоколов межсоединений OSI и ТСР/IP или предоставляя возможность работы на компьютерах под управлением операционной системы UNIX собственной разработки.

Стремительный рост производительности персональных компьютеров, рабочих станций и серверов создал тенденцию перехода с мейнфреймов на компьютеры менее дорогих классов – миникомпьютеры и многопроцессорные серверы. Эта тенденция получила название «разукрупнение» (downsizing). Однако этот процесс несколько замедлился. Основной причиной возвращения интереса к мейнфреймам эксперты считают сложность перехода к распределенной архитектуре клиент-сервер, оказавшейся выше, чем предполагалось. Кроме того, многие пользователи считают, что распределенная среда не обладает достаточной надежностью для наиболее ответственных приложений, которой обладают мейнфреймы.

Главным недостатком мейнфреймов в настоящее время остается относительно низкое соотношение производительность-стоимость. Однако фирмами-поставщиками мейнфреймов предпринимаются значительные усилия по улучшению этого показателя.

Следует также помнить, что в мире существует огромная инсталлированная база мейнфреймов, на которой работают десятки тысяч прикладных программных систем. Отказаться от годами наработанного программного обеспечения просто неразумно. Вновь создаваемые системы, с одной стороны, позволили модернизировать существующие системы, обеспечив сокращение эксплуатационных расходов, с другой – создали новую базу для наиболее ответственных приложений.

В связи с этим, несмотря на всевозможные (и постоянные) пророчества, предрекавшие неминуемую и скорую смерть этой платформы, в 2004 г. она успешно отметила свое 40-летие; при этом, по оценкам ведущих аналитических агентств мира, до 70 % критически важной корпоративной информации хранится и обрабатывается именно с помощью мейнфреймов.

Мини-компьютеры получили широкое распространение в 70 – 80-х годах. Популярность этих машин объяснялась их малыми размерами, стоимостью (относительно больших компьютеров) и универсальными возможностями. Производительность их была более

109

низкая, чем у больших систем, а длина слова равнялась 16 разрядам, однако параметры этих компьютеров вполне удовлетворяли большое количество пользователей. Наиболее популярные миникомпьютеры выпускали две фирмы США: Hewlett Packard (HP) и Digital Equipment Corporation (DEC), последняя выпустила серию компьютеров PDP 11 и VAX. Отечественные аналоги этих компьютеров были разработаны в рамках системы малых компьютеров

(СМ, CM 1, 2 (HP), CM3, 4, 1420, 1300 и т.д.), однако к настоящему времени персональные компьютеры и рабочие станции по своим характеристикам превосходят большинство мини-компьютеров.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Опишите основные концепции архитектуры фон Неймана, ее составные части и их назначение. Назовите основные направления развития этой архитектуры. Существуют ли принципиально отличные виды архитектур в системах обработки данных?

2.Рассмотрите структуру запоминающих устройств современных компьютеров. В чем причины расслоения памяти компьютеров? Дайте определение понятия виртуальной памяти.

3.Опишите назначение, основные характеристики, разновидности схемотехнической реализации оперативной памяти компьютера. В чем достоинства и недостатки различных типов RAM, применяемых в современных компьютерах?

4.Каковы назначение и основные функции центрального процессора (ЦП)? Перечислите два уровня ЦП, форматы команд и данных. Дайте определение понятия микропрограммирования. Расскажите о многоуровневой организации ЦП, причинах ее расслоения и различных способах оценки быстродействия компьютеров.

5.Опишите различные способы распараллеливания процессов. Что такое векторная, конвейерная, векторно-конвейерная обработка данных? Назовите способы организации и ограничения в применимости этих методов.

6.Расскажите о назначениях, функциональных особенностях и разновидностях периферийных устройств компьютеров, различных формах представления информации, кодах, используемых в системах обработки данных.

110