МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Технологический институт

Федерального государственного образовательного

учреждения высшего профессионального образования

«Южный федеральный университет»

В.Ф. Гузик проектирование проблемно - ориентированных вычислительных систем

Часть 1

Таганрог 2009

УДК 681.324 (075.8)

Гузик В. Ф. Проектирование проблемно - ориентированных вычислительных систем. Часть 1.: Монография. – Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2009. – 463 с.

Рецензенты:

Доктор технических наук, профессор Ростовского института ракетных войск Коханенко И. К.;

Доктор технических наук, профессор. Первый проректор по научной работе Таганрогского педагогического института Витиска Н. И.

ISBN 5-8327-0347-3

В настоящее время в вычислительной технике развиваются два ярко выраженных направления. Одно из них – ЭВМ общего назначения от персональных ЭВМ до больших сверхпроизводительных однопроцессорных и многопроцессорных систем и многопроцессорные высокопроизводительные проблемно-ориентированные вычислительные системы, которые предназначены для решения задач из одной области науки и техники. Такие специализированные системы обладают лучшими технико-экономическими показателями при решении этих задач по сравнению с универсальными ЭВМ.

Проектирование проблемно-ориентированных вычислительных систем (ПОВС) имеет много специфических особенностей, как в алгоритмических, арифметических и схемотехнических основах, так и в структурах систем математического и программного обеспечения. Всё это делает необходимым научить студентов, магистрантов и аспирантов методам проблемно-ориентированного проектирования архитектур, структур и процессоров специального назначения, а также построению систем математического и программного их обеспечению, что и излагается в данной монографии.

ISBN 5-8327-0347-3  Гузик В. Ф., 2009

 ТТИ ЮФУ, 2009

Предисловие

В первой части монографии рассмотрены методы проектирования проблемно-ориентированных вычислительных систем, основанных на использовании арифметико-алгоритмических методов цифрового интегрирования. В качестве структурных единиц приняты цифровые интеграторы, универсальные решающие блоки и функциональные модули. Для этого класса проблемно-ориентированных вычислительных систем разработано полное математическое и программное обеспечение.

Вторая часть монографии посвящена рассмотрению методов проектирования проблемно-ориентированных вычислительных систем, реализующих конвейерно-потоковые вычисления с различной организацией структур. Приводятся алгоритмы цифровой обработкой сигналов (ЦОС) и их реализация на ПОВС с потоковой обработкой данных. Структурные единицы этого класса ПОВС проектируются с использованием программируемых логических интегральных схем (ПЛИС).

Монография предназначена для студентов и магистрантов специальности 230101, а также аспирантов и инженеров, специализирующихся в области проектирования и построения высокопроизводительных вычислительных систем специального назначения.

Основные курсы: «Проектирование проблемно-ориентированных вычислительных систем» (семестр IX - квалификация «Специалист-инженер» по специальности 230101 и магистранты по программе «Высокопроизводительные вычислительные системы» кафедры вычислительной техники и «Высокопроизводительные многопроцессорные вычислительные системы» - магистрантам программ факультета автоматика и вычислительная техника.

ВВЕДЕНИЕ

В эпоху научно-технической революции электронные вычислительные машины (ЭВМ) играют огромную роль в совершенствовании управления различными звеньями народного хозяйства, повышении эффективности и качества производства.

Многие важные с теоретической и практической точек зрения проблемы современной науки и техники с каждым годом предъявляют все более разнообразные и часто противоречивые требования к средствам вычислительной техники. Основные усилия разработчиков ЦВМ направлены на повышение производительности, надежности, технологичности, на создание математического обеспечения (МО) ЦВМ.

Наряду с возросшим быстродействием, увеличением объема памяти, микроминиатюризацией современные ЦВМ характеризуются новыми свойствами и техническими параметрами – совместимостью на всех уровнях, надежностью, разнообразием интеллектуальной периферии.

Одним из основных, наиболее перспективных и важных направлений развития цифровой вычислительной техники является разработка мультипроцессорных систем с параллельной обработкой информации. Различным аспектам построения высокопроизводительных вычислительных устройств в последние годы посвящено большое количество фундаментальных исследований [4, 7, 8, 14, 36, 62, 67-70, 76, 86, 89, 93, 95, 96, 100, 102, 103, 106, 108, 110, 111].

Предшественниками многопроцессорных вычислительных систем (МВС) являются мощные высокопроизводительные вычислительные машины, которые называют суперкомпьютерами – суперЭВМ, главными признаками которых является производительность свыше 100 Мфлопс (256, 512 Мфлопс; 1, 16 Гфлопс и выше); ёмкость оперативной памяти не менее 100 Мбайт (1, 2 и выше Гбайт); разрядность машинных слов не менее 64 бит.

В традиционных МВС и суперЭВМ используется архитектура Фон- Неймана (вычисления организуются под воздействием потока управляющих сигналов) и производительность достигается в основном за счёт увеличения степени интеграции сверхбольших интегральных схем (СБИС) и повышения тактовой частоты. Так, в суперЭВМ типа Cray-3 СБИС содержит более одного миллиона вентилей на кристалле и они работают с тактовой частотой, равной 0,5 ГГц. В основу технологии таких СБИС положены ячейки, изготовленные по ЭСЛ-технологии, и высокоскоростные арсенид-галевые ИС, а в суперЭВМ Cray-4 используются оптоволоконные межсоединения (фирма Gray Research).

По типу архитектуры суперЭВМ делят на следующие основные классы:

1) потоковые (векторные, конвейерные) ЭВМ, к которым относят, в частности, системы типа Cray;

2) многопроцессорные ЭВМ, примерами которых являются Connection Machine фирмы ThinKing Machines Inc, содержащие 65 536-процессорных элементов;

3) транспьютерные системы на основе СБИС транспьютера T800 фирмы Inmos [87].

В середине 60-х годов прошлого века появились первые суперкомпьютеры, это были параллельный 64-процессорный компьютер ILLIAC-IV и векторный компьютер CDC 6500 (рис. 1).

Рис. 1. Компьютер CDC 6500

Последний стал дебютом легендарного конструктора высокопроизводительных вычислительных систем Сеймура Крея (фото 1). Сеймур Крей основал знаменитую фирму Cray, которая и сейчас выпускает одноименные суперкомпьютеры (рис. 2 и 3).

Фото 1. Сеймур Крей

Рис. 2. СуперЭВМ Cray 1

Из современных проектов следует упомянуть ASCI (Accelerated Strategic Computer Initiative) — проект, в рамках которого создаются вычислительные системы с рекордной производительностью. В качестве примера можно привести суперкомпьютеры ASCI Red и ASCI White, которые вошли в рейтинг

Рис. 3. Суперкомпьютер Cray SV1 (день сегодняшний)

наиболее мощных вычислительных систем мира «Top 500 Supercomputers». Правительство США вкладывает в этот проект большие деньги, поскольку одним из применений таких систем является имитационное моделирование ядерного оружия, которое рассматривается в качестве альтернативы реальным испытаниям.

В 2008 году опубликовано сообщение, что в США создан самый быстродействующий в мире компьютер. Как объявлено в Вашингтоне, новая машина способна выполнять по 1000 триллионов операций в секунду. На научно-техническом жаргоне эта невообразимая скорость именуется петафлопом.

Вспоминая историю развития суперкомпьютерных технологий, нельзя не сказать о вкладе советских ученых и конструкторов, которые разработали такие машины высочайшего класса, как БЭСМ-6 и "Эльбрус".

Суперкомпьютеры являются дорогими, элитными машинами, стоимость которых может достигать десятков миллионов долларов. Одним из решений проблемы доступа к дорогостоящим суперкомпьютерным ресурсам является создание центров, обслуживающих несколько организаций. Так, в США имеется около десятка крупных суперкомпьютерных центров. Имеются такие центры и в России, наиболее крупные из них расположены в Москве и Санкт-Петербурге.

Примерно в середине 1980-х годов ученые заинтересовались возможностью использования кластерных систем в качестве относительно недорогих заменителей суперкомпьютеров. Благодаря развитию сетевых технологий, появилась возможность соединять вместе несколько рабочих станций, в качестве которых могут использоваться обычные персональные компьютеры. Было разработано необходимое программное обеспечение, которое стало распространяться бесплатно. Работало это программное обеспечение в среде операционной системы Linux, которая тоже является бесплатной, оставаясь в то же время чрезвычайно гибкой и надежной. Таким образом, основная часть программного обеспечения кластера оказывается бесплатной, что значительно снижает суммарную стоимость всей системы. Оказалось, что в результате можно построить многопроцессорный комплекс, который лишь в 2 – 3 раза уступает по быстродействию суперкомпьютеру, но дешевле его в несколько сотен раз. Такие системы, которые получили название Linux-ферм, быстро завоевали популярность. В Санкт-Петербургском государственном университете (Петродворцовый телекоммуникационный центр) разработан и установлен высокопроизводительный кластер общего пользования. Этот кластер активно используют ученые университета, физики, хи­мики, математики для решения сложнейших научных задач. Ниже на рис. 4 изображен 40-процессорный кластер, установленный в Санкт-Петербургском государственном университете.

Следует отметить, что хотя исследования в области применения кластеров на Западе ведутся уже достаточно давно, в России интерес к ним появился сравнительно недавно. Отрадно, что "суперкомпьютинг" получил реальную поддержку со стороны государства. Ведь суперкомпьютерные ресурсы недаром относят к числу стратегических. Принята государственная программа развития суперкомпьютерных технологий, созданы суперкомпьютерные центры, ведется обучение специалистов. К сожалению, ощущается недостаток

Рис. 4. 40-процессорный кластер Санкт-Петербургского государственного университета.

учебной литературы, посвященной вопросам параллельного программирования. Изданы книги по общим вопросам архитектуры параллельных и векторных вычислительных систем, по параллельным алгоритмам, а вот описания средств разработки параллельных программ нет.

Особо выдающимися характеристиками отличаются суперкомпьютеры конца 1990-х годов. Характеристики наиболее быстродействующих суперкомпьютеров приведены в табл. 1.

Таблица 1

Наиболее быстродействующие суперкомпьютеры

№	Изго-тови- тель	Супер-компьютер	Страна	Год создания	Число процес-соров	Пиковая производи-тельность, Гфлопс	Реальная производи-тельность Гфлопс
1	Intel	ASCI Red	USA	1999	9472	3154	2121.3
2	SGI	ASCI Blue Mountain	USA	1998	6144	3072	1608
3	SGI	T3E1200	USA	1998	1084	1300.8	891.5
4	Hitachi	SR8000 /128	Japan	1999	128	1024	8736.
5	SGI	T3E900	USA	1997	1324	1191.6	815.1
6	SGI	ORIGIN 2000	USA	1999	2048	1024	690.9
7	SGI	T3E900	UK	1997	876	788.4	522.92
8	IBM	SP Silver	USA	1998	1952	1296	547
9	SGI	T3E900	USA	1999	812	730.8	515.1
10	SGI	T3E1200	UK	1998	612	734	509.9
11	IBM	ASCI Blue Pacific CTR SP Silver 4	USA	1998	1344	892	468.2

При разработке вычислительных машин, в особенности предназначенных для решения задач цифрового моделирования и управления, необходимо удовлетворять следующим основным требованиям: параллельности реализации вычислительных процессов, перестраиваемости внутренней структуры, повышенной надежности и живучести, работы в реальном и ускоренном масштабах времени, конструктивно-технологической однородности и ряду других.

Указанным требованиям в значительной степени удовлетворяют так называемые многопроцессорные вычислительные системы с программируемой (перестраиваемой) архитектурой [36, 69, 70, 77, 85, 86, 89, 93, 96, 101, 102].

В нашей стране исследования по созданию высокопроизводительных вычислительных устройств с перестраиваемой структурой – однородных вычислительных сред – начаты в 1962 г. в институте математики СО РАН [5, 69] и Институте проблем управления РАН [70, 102]. Теория вычислительных систем с программируемой структурой заимствует многие положения общей теории цифровых автоматов, изложенные в работах М.А. Гаврилова и В.М. Глушкова [8].

В Институте электродинамики НАУ Г.Е. Пуховым и его сотрудниками предложено построение вычислительных систем с перестраиваемой структурой на основе аналоговых и квазианалоговых вычислительных сред и специализированных параллельных вычислительных структур [103].

В Институте проблем передачи информации РАН и Институте электроники и вычислительной техники АН Латвии под руководством В.Г. Лазарева и Э.А. Якубайтиса развивается теория автоматов с перестраиваемой структурой [93, 111].

Наибольшее развитие в области цифровых аналогов получили цифровые дифференциальные анализаторы (ЦДА) и цифровые интегрирующие машины (ЦИМ) и структуры (ЦИС), основополагающие вопросы теории и принципы построения которых изложены в работах А.А. Воронова , А.В. Каляева [75–77], А.В. Шилейко [108, 110].

Приведём примеры ведущих отечественных предприятий и организаций и их разработок в области создания суперкомпьютеров и классических многопроцессорных вычислительных систем.

В институте точной механики и вычислительной техники (ИТМиВТ, г. Москва) в 1964 году под руководством академика С. А. Лебедева создана одна из лучших в мире ЭВМ БЭСМ-6, которая вывела нашу страну на мировой уровень производительности и быстродействия для машин второго поколения. Развитием машин БЭСМ-6 является разработка суперЭМВ «Эльбрус-1» и «Эльбрус-2» под руководством директора ИТМВТ академика В. С. Бурцева [7]. Система «Эльбрус» содержит 10 процессоров, в основу которых положен мультипроцессор, сделанный по образцу известной архитектуры Burroughs. С 1985 года под руководством Г. Г. Рябова начата разработка системы «Эльбрус-3», которая содержала 16 процессоров. Система «Эльбрус-3» обеспечивала пиковую производительность до 10 MIPS.

Многопроцессорный вычислительный комплекс «Эльбрус-1» построен по модульному принципу и состоит из следующих типовых модулей:

- центрального процессора (от 1 до 10) с производительностью от 1 до 12 миллионов эквивалентных БЭСМ операций/с;

- специализированного процессора, обеспечивающего выполнение программ ЭВМ БЭСМ-6 с производительностью 2,5 миллионов эквивалентных БЭСМ операций/с;

- оперативной памяти (ОП) ёмкостью от 1 до 8 Мбайт (в составе от 4 до 32 модулей);

- процессора ввода/вывода;

- устройства управления;

- процессора передачи данных.

Компьютеры прочно вошли в нашу жизнь – за компьютером мы работаем, учимся, отдыхаем. В первые два десятилетия компьютерной эры наша страна опережала американцев и англичан в области вычислительной техники. Это было в первую очередь благодаря Сергею Алексеевичу Лебедеву (1902 – 1974), который, будучи уже известным учёным в области теории искусственной устойчивости энергосистем, стал пионером принципиально нового направления исследований и разработок – создания вычислительной техники, возглавив впоследствии Институт точной механики и вычислительной техники (ИТМиВТ).

Первая электронно-вычислительная машина в СССР построена в 1948 году на Украине С. А. Лебедевым и получила название МЭСМ – Малая (макетная) электронная счётная машина. Её быстродействие было всего 50 операций в секунду (оп./с).

Но уже следующая разработка (БЭСМ – Большая электронная счётная машина), созданная под его руководством в 1952 году, обладала быстродействием 10 тыс. операций в секунду. Она стала самой быстродействующей в Европе, и это было подтверждено участниками Международной конференции по электронным счётным машинам, прошедшей в г. Дармштадте (ФРГ) в октябре 1955 года. Машина занимала весь первый этаж и подвальное помещение левого крыла института, который был организован Постановлением Совета Министров СССР № 2369, подписанным И. В. Сталиным 29 июня 1948 года. Приход туда С. А. Лебедева, сначала в качестве руководителя лаборатории, а затем и директора, позволил успешно реализовать эти цели.

Без машин, разработанных в те годы в ИТМиВТ, в освоении космоса, в атомной про­мышленности, в создании противоракетной обороны не было бы тех достижений, которыми мы по сей день гордимся.

До конца 80-х годов прошлого столетия коллектив института создал более 20 моделей универсальных и специализированных вычислительных машин и комплексов. После смерти С. А. Лебедева его дело продолжили ученики – В. С. Бурцев, В. А. Мельников, Б. А. Бабаян.

Бури, сотрясавшие отечественную экономику в 1990-х годах, и появление недорогих персональных компьютеров стали причиной глубокого кризиса в деятельности института. Изменить ситуацию к лучшему было далеко не простой задачей.

Новый этап в развитии ИТМиВТ наступил в 2005 году, когда директором инсти­тута был назначен выпускник МВТУ им. Н. Э. Баумана С. В. Калин, работавший в ИТМиВТ с 1979 по 1994 год в группе разработчиков суперкомпьютера «Эльбрус-2». В качестве стратегической цели по возрождению ИТМиВТ он определил формирование условий для разработки отечественных супервычислительных архитектур и суперкомпьютеров, чтобы обеспечить стране мощный ресурс для решения вычислительных задач стратегического назначения.

Одним из интересных направлений, над которым сейчас работает ИТМиВТ, стала разработка систем автоматического управления на основе собственных микроконтроллеров и датчиков. В качестве примера можно привести проектирование системы информационного и навигационного обеспечения железнодорожного транспорта. Её внедрение позволит существенно улучшить качество работы железных дорог, повысить конкурентные возможности российских грузоперевозчиков и уровень транспортной инфраструктуры.

Специалистами ИТМиВТ накоплен большой опыт разработки защищенных распределённых информационных систем. Здесь визитной карточкой стало участие ИТМиВТ в создании Государственной системы загранпаспортов нового поколения и системы для ведомственного сегмента МИД России, включающего более 250 учреждений в России и за рубежом.

Приведём летопись создания ЭВМ и суперЭВМ в ИТМиВТ:

- БЭСМ-2 (10 000 оп./с), 1958 год. Первая серийно выпускавшаяся ЭВМ. Было изготовлено 67 машин. На одной из них, в частности, был произведён расчёт траектории ракеты, доставившей вымпел СССР на Луну.

- М-20 (20 000 оп./с), 1958 год. Этой машиной оснащались вычислительные центры Академии наук и Воору­жённых сил.

- М-40 (40 000 оп./с), М-50 (50 000 оп./с), 1960 год. Модифицированная БЭСМ-2, предназначенная для систем ПРО/ПВО.

- БЭСМ-6 (1 млн оп./с), 1966 год. Шедевр компьютеростроения, в котором было реализовано множество революционных решений. Машина выпускалась 17 лет (изготовлено около 450 машин) и пережила три поколения вычислительной техники. Последний экземпляр легендарной машины до сих пор работает в Учебном центре Военно-морского флота под Санкт-Петербургом (фото 2). Машина БЭСМ-6 могла осуществлять 1 миллион операций в секунду.

- АС-6 (1,5 млн оп./с), 1971 год. Многомашинный вычислительный комплекс, созданный на базе БЭСМ-6. Во время совместного полёта кораблей «Союз» и «Аполлон» обсчитывал данные по траектории полёта за минуту, в то время как на американской стороне такой расчёт занимал полчаса.

Фото 2. Первый советский «миллионник»

- 5Э65, 5Э67 (200 и 600 тыс. оп./с), 1968 год. Перевозимые на четырёх грузовиках вычислительные комплексы для систем ПРО и ПВО.

- 5Э261-5Э265 (1 млн оп./с), 1970-1980 годы. Первые в СССР мобильные многопроцессорные управляющие системы, построенные по модульному принципу. Занимали объём всего 2 м³ (фото 3).

Фото 3. Пульт управляющей системы 5Э262, созданной для нужд обороны страны

- «Эльбрус» (15 – 125 млн оп./с), 1979-1984 годы. Первые ЭВМ, построенные на базе средних интегральных схем ТТЛ. В отличие от ЭВМ единой серии этот суперкомпьютер работал на языках высокого уровня (фото 4).

- 40У6 (3,5 млн оп./с), 1988 год. Используется в ракетном комплексе С-300.

Вычислительный центр СО АН СССР (г. Новосибирск) – под руководством гл. конструктора В. Е. Котова разработана и создана модульная асинхронная расширяемая система (МАРС). Архитектура МАРС является продолжением работ, начатых в середине 70-х годов по иерархическим открытым архитектурам с асинхронно коммутируемыми модулями [96].

Фото 4. Советский суперкомпьютер третьего поколения «Эльбрус-2»

Институт проблем управления (ИПУ АН СССР г. Москва) и научно- исследовательский институт управляющих вычислительных машин (НИИ УВМ г. Северодвинск) – под руководством директора ИПУ И. В. Прангишвили разработаны и созданы параллельные системы ПС-2000 и ПС-3000 – это суперсистема, состоящая из параллельного процессора , имеющего от 8 до 64 обрабатывающих элементов, подсистем управления и внешней системы памяти. Каждый процессорный элемент (ПЭ) связан с двумя соседними с помощью интерфейсной шины.

Самый мощный в России, СНГ и Восточной Европе суперкомпьютер «СКИФ МГУ», о завершении строительства которого официально объявлено в марте 2008 года, занимает 22-е место в мировом рейтинге суперкомпьютеров ТОР-500.

Пиковая производительность суперкомпьютера «СКИФ МГУ» составляет 60 триллионов операций в секунду (60 Tflops). Это в десять раз меньше лидера списка ТОР-500 американского суперкомпьютера LLNL с пиковой производительностью 596 378 Tflops и примерно в 3.5 раза меньше немецкого FZ Juelich с пиковой производительностью 222 822 Tflops. Однако в 2003 году самый мощный в России и СНГ суперкомпьютер «СКИФ К-500» занимал 407-е место в мировом рейтинге. Тогда это казалось большим достижением.

Для «СКИФ МГУ» будет впервые использована программно-аппаратная система (разработчик – Институт программных систем РАН, г. Переславль-Залесский), позволяющая удалённо управлять системой на всех уровнях через единый веб-интерфейс. Система будет распределять процессорное время для различных задач, нагрузку системы хранения, контролировать температуру, состояние блоков питания и т.д.

На суперкомпьютерах системы «СКИФ» можно решать фундаментальные и прикладные научные задачи, такие как прогнозирование изменений в вечной мерзлоте на территории России в связи с глобальным потеплением, поиск физиологически активных соединений для разработки новых лекарств, разработка топливных элементов на основе наноматериалов, планирование градостроительных работ. Пример – успешная разработка нового лекарства от тромбозов, создание которого (от научных исследований и синтеза до клинических испытаний) заняла всего 1,5 года вместо обычных 5 – 7 лет.

Название суперкомпьютера «СКИФ» и одноимённой программы Союзного государства Россия – Беларусь означает «суперкомпьютерная инициатива Феникс». Родилось оно не сразу. Первоначально было предложено название «СКИБР» - суперкомпьютерная инициатива Беларусь – Россия. Но уж очень оно напоминало «киборг». Поэтому аббревиатуру «БР» решили заменить на «Ф» – Феникс.

Бюджет суперкомпьютерной программы «СКИФ-ГРИД» Союзного государства Россия – Беларусь, в рамках которой был создан «СКИФ МГУ», более 1 млрд руб. Основной итог её первого этапа - разработка отечественных аппаратных и программных решений для суперкомпьютеров «СКИФ», использованных в «СКИФ МГУ» и «СКИФ Урал» (Южно-Уральский госуниверситет). Предполагается, что эти компьютеры вместе со «СКИФ Мономах» Владимирского госуниверситета войдут в распределительную вычислительную систему «СКИФ Полигон» (к началу июня 2008 года) с суммарной производительностью 100 TFlops.

Сейчас разработчики подготавливают решения, которые позволят суперкомпьютерам «СКИФ» перейти петафлопный рубеж производительности (миллион миллиардов операций в секунду). Однако наращивание производительности – не самоцель. Специалисты ставят задачу решить проблему внедрения суперкомпьютерных вычислений в России и Белоруссии за счёт строительства сети суперкомпьютерных центров по всей России и Белоруссии, разработки прикладных программных комплексов и массовой подготовки квалифицированных специалистов.

Согласно восьмой редакции рейтинга суперкомпьютеров (СК) России и СНГ Тор50 (от 27 марта 2008 года), второе место в нём занимает СК Московского межведомственного суперкомпьютерного центра РАН (пиковая производительность - 33,88 TFlops), третье место принадлежит СК Уфимского государственного технического университета (14,6 TFlops) и четвёртое – СК Челябинского Южно-Уральского государственного университета (12,2 TFlops).

Отметим, что в мировом рейтинге Тор-500 Россия представлена семью системами и занимает девятое место в списке стран, располагающих самыми производительными суперкомпьютерами.

Перед проектными центрами России стоит важная стратегическая задача: создать серию суперЭВМ для возрождения отечественного компьютеростроения. Об этом шла речь на Всероссийской научно-практической конференции «Перспективы развития высокопроизводительных вычислительных архитектур», приуроченной к 60-летию Института точной механики и вычислительной техники им. С. А. Лебедева РАН.

По способу изготовления суперЭВМ наиболее результативным оказался подход создания кластеров – систем, объединяющих серийные процессорные модули средствами высокоскоростных локальных сетей.

Разработка и применение мощных вычислительных систем – одно из важных направлений государственной политики. В течение последних 15 лет их производительность возрастала 20-кратно за пятилетие. СуперЭВМ стали строиться как массово-параллельные структуры на базе активно развивающихся полнофункциональных микропроцессоров широкого применения. По всей видимости, подобный подход и высокие темпы развития сохранятся в течение ближайших нескольких лет.

Сейчас производительность самых быстрых суперкомпьютеров в России приближается к 100 Тфлоп (Терафлоп – триллион операций в секунду). По данным российского рейтинга Топ50 (http://supercomputers.ru, аналог международного www.top500.org), в нашей стране имеется как минимум 50 современных вычислительных центров производительностью от 0,5 до 60 Тфлоп. Самый быстрый установлен в Вычислительном центре МГУ им. М. В. Ломоносова. Правда, собраны они из компонентов зарубежного производства. Поэтому жизненно необходимо возродить отечественную школу проектирования компьютеров: от архитектуры до компонентов и программ. Иначе зависимость в этом стратегическом вопросе может сыграть с нами злую шутку – даже Китай понял, что нельзя полагаться только на зарубежные достижения, и ведёт разработку и внедрение собственной серии компьютеров, основанной на открытой архитектуре MIPS. В то же время ведущие компании Японии и США планируют выйти на уровень производительности на порядок выше – петафлоп (квадриллион операций в секунду).

Задачу наладить производство российских микропроцессоров, несмотря на её сложность, нельзя назвать невыполнимой. На предприятиях микроэлектроники в Зеленограде идёт освоение технологии 0,13 мкм, а в 2009 году планируется приступить к изготовлению микросхем по технологии 90 нм.

Но чтобы добиться успеха, придётся преодолеть не только технические трудности. В России рынок продукции микроэлектроники оценивается немногим более 22 млрд рублей, или 1 млрд долларов, тогда как мировой рынок составляет 270 млрд долларов. Кроме того, у нас львиную долю микросхем поглощает «оборонка», а в развитых странах гражданская составляющая достигает 95%. Наконец, необходимо организовать «прослойку» между заказчиками и изготовителями чипов – специальные дизайн-центры по разработке топологии микросхем (проектировать микросхемы на самих заводах слишком накладно). Чтобы подобные дизайн-центры с самого начала работали эффективно, их надо сразу ориентировать на международный рынок.